Hand gesture recognition system based in computer vision and machine learning : applications on human-machine interaction

Sendo uma forma natural de interação homem-máquina, o reconhecimento de gestos implica uma forte componente de investigação em áreas como a visão por computador e a aprendizagem computacional. O reconhecimento gestual é uma área com aplicações muito diversas, fornecendo aos utilizadores uma forma mais natural e mais simples de comunicar com sistemas baseados em computador, sem a necessidade de utilização de dispositivos extras. Assim, o objectivo principal da investigação na área de reconhecimento de gestos aplicada à interacção homemmáquina é o da criação de sistemas, que possam identificar gestos específicos e usálos para transmitir informações ou para controlar dispositivos. Para isso as interfaces baseados em visão para o reconhecimento de gestos, necessitam de detectar a mão de forma rápida e robusta e de serem capazes de efetuar o reconhecimento de gestos em tempo real. Hoje em dia, os sistemas de reconhecimento de gestos baseados em visão são capazes de trabalhar com soluções específicas, construídos para resolver um determinado problema e configurados para trabalhar de uma forma particular. Este projeto de investigação estudou e implementou soluções, suficientemente genéricas, com o recurso a algoritmos de aprendizagem computacional, permitindo a sua aplicação num conjunto alargado de sistemas de interface homem-máquina, para reconhecimento de gestos em tempo real. A solução proposta, Gesture Learning Module Architecture (GeLMA), permite de forma simples definir um conjunto de comandos que pode ser baseado em gestos estáticos e dinâmicos e que pode ser facilmente integrado e configurado para ser utilizado numa série de aplicações. É um sistema de baixo custo e fácil de treinar e usar, e uma vez que é construído unicamente com bibliotecas de código. As experiências realizadas permitiram mostrar que o sistema atingiu uma precisão de 99,2% em termos de reconhecimento de gestos estáticos e uma precisão média de 93,7% em termos de reconhecimento de gestos dinâmicos. Para validar a solução proposta, foram implementados dois sistemas completos. O primeiro é um sistema em tempo real capaz de ajudar um árbitro a arbitrar um jogo de futebol robótico. A solução proposta combina um sistema de reconhecimento de gestos baseada em visão com a definição de uma linguagem formal, o CommLang Referee, à qual demos a designação de Referee Command Language Interface System (ReCLIS). O sistema identifica os comandos baseados num conjunto de gestos estáticos e dinâmicos executados pelo árbitro, sendo este posteriormente enviado para um interface de computador que transmite a respectiva informação para os robôs. O segundo é um sistema em tempo real capaz de interpretar um subconjunto da Linguagem Gestual Portuguesa. As experiências demonstraram que o sistema foi capaz de reconhecer as vogais em tempo real de forma fiável. Embora a solução implementada apenas tenha sido treinada para reconhecer as cinco vogais, o sistema é facilmente extensível para reconhecer o resto do alfabeto. As experiências também permitiram mostrar que a base dos sistemas de interação baseados em visão pode ser a mesma para todas as aplicações e, deste modo facilitar a sua implementação. A solução proposta tem ainda a vantagem de ser suficientemente genérica e uma base sólida para o desenvolvimento de sistemas baseados em reconhecimento gestual que podem ser facilmente integrados com qualquer aplicação de interface homem-máquina. A linguagem formal de definição da interface pode ser redefinida e o sistema pode ser facilmente configurado e treinado com um conjunto de gestos diferentes de forma a serem integrados na solução final.

Development of advanced human robot interaction systems

O trabalho aqui apresentado é a Dissertação da minha Tese do curso de Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores do ISEP, realizada em parceria com o INESC TEC. O trabalho consiste no desenvolvimento de um sistema avançado de interação entre homem-robô, usando ferramentas de software livres e de domínio público e hardware pouco dispendioso e facilmente acessível. Pretende-se que o sistema desenvolvido possa ser adotado por pequenas ou micro empresas, daí a restrição monetária. Este tipo de empresas tem, por norma, uma capacidade de investimento pequena, e ficam impossibilitadas de aceder a este tipo de sistemas automatizados se estes forem caros. No entanto, o robô continua a ser um componente fundamental, sendo dispendioso. Os trabalhos realizados pelos sistemas robóticos podem por um lado, ser repetitivos sem necessidade de grandes ajustes; por outro lado, o trabalho a realizar pode ser bastante diverso, sendo necessários bastantes ajustes com (possivelmente) programação do robô. As empresas podem não ter disponível mão-de-obra qualificada para realização da programação do robô. Pretende-se então um sistema de “ensino” que seja simples e rápido. Este trabalho pretende satisfazer as necessidades de um sistema de interação homem-robô intuitivo mesmo para operadores que não estejam familiarizados com a robótica. Para simplificar a transferência de informação da tarefa a desempenhar pelo sistema robótico é usado um sistema de infravermelhos para delinear a operação a desempenhar, neste caso concreto uma operação de soldadura. O operador usa um apontador com marcadores, a posição destes marcadores é detetada usando duas câmaras para permitir o posicionamento tridimensional no espaço. As câmaras possuem filtros infravermelhos para separar o espectro de luz. Para o controlo do sistema e interface com o robô é usado um computador de baixos recursos computacionais e energéticos, e também de baixo custo. O sistema desenvolvido é portanto computacionalmente leve para poder ser executado neste computador.

Supervisão, comando e controlo para sistemas robóticos

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Área de Especialização em Sistemas Autónomos

Towards Human-like Bimanual Movements in Anthropomorphic Robots: A Nonlinear Optimization Approach

Previously we have presented a model for generating human-like arm and hand movements on an unimanual anthropomorphic robot involved in human-robot collaboration tasks. The present paper aims to extend our model in order to address the generation of human-like bimanual movement sequences which are challenged by scenarios cluttered with obstacles. Movement planning involves large scale nonlinear constrained optimization problems which are solved using the IPOPT solver. Simulation studies show that the model generates feasible and realistic hand trajectories for action sequences involving the two hands. The computational costs involved in the planning allow for real-time human robot-interaction. A qualitative analysis reveals that the movements of the robot exhibit basic characteristics of human movements.

Scalable Intelligence for Scheduling Systems

A personalização é um aspeto chave de uma interação homem-computador efetiva. Numa era em que existe uma abundância de informação e tantas pessoas a interagir com ela, de muitas maneiras, a capacidade de se ajustar aos seus utilizadores é crucial para qualquer sistema moderno. A criação de sistemas adaptáveis é um domínio bastante complexo que necessita de métodos muito específicos para ter sucesso. No entanto, nos dias de hoje ainda não existe um modelo ou arquitetura padrão para usar nos sistemas adaptativos modernos. A principal motivação desta tese é a proposta de uma arquitetura para modelação do utilizador que seja capaz de incorporar diferentes módulos necessários para criar um sistema com inteligência escalável com técnicas de modelação. Os módulos cooperam de forma a analisar os utilizadores e caracterizar o seu comportamento, usando essa informação para fornecer uma experiência de sistema customizada que irá aumentar não só a usabilidade do sistema mas também a produtividade e conhecimento do utilizador. A arquitetura proposta é constituída por três componentes: uma unidade de informação do utilizador, uma estrutura matemática capaz de classificar os utilizadores e a técnica a usar quando se adapta o conteúdo. A unidade de informação do utilizador é responsável por conhecer os vários tipos de indivíduos que podem usar o sistema, por capturar cada detalhe de interações relevantes entre si e os seus utilizadores e também contém a base de dados que guarda essa informação. A estrutura matemática é o classificador de utilizadores, e tem como tarefa a sua análise e classificação num de três perfis: iniciado, intermédio ou avançado. Tanto as redes de Bayes como as neuronais são utilizadas, e uma explicação de como as preparar e treinar para lidar com a informação do utilizador é apresentada. Com o perfil do utilizador definido torna-se necessária uma técnica para adaptar o conteúdo do sistema. Nesta proposta, uma abordagem de iniciativa mista é apresentada tendo como base a liberdade de tanto o utilizador como o sistema controlarem a comunicação entre si. A arquitetura proposta foi desenvolvida como parte integrante do projeto ADSyS - um sistema de escalonamento dinâmico - utilizado para resolver problemas de escalonamento sujeitos a eventos dinâmicos. Possui uma complexidade elevada mesmo para utilizadores frequentes, daí a necessidade de adaptar o seu conteúdo de forma a aumentar a sua usabilidade. Com o objetivo de avaliar as contribuições deste trabalho, um estudo computacional acerca do reconhecimento dos utilizadores foi desenvolvido, tendo por base duas sessões de avaliação de usabilidade com grupos de utilizadores distintos. Foi possível concluir acerca dos benefícios na utilização de técnicas de modelação do utilizador com a arquitetura proposta.

Estudo preliminar para a avaliação da acessibilidade de um sítio Web

O avanço e difusão da tecnologia, em particular da Internet, obrigaram à disponibilização de informação com qualidade e facilmente acessível. Tais exigências vêm confirmar a relevância do papel da interface como elemento principal na interacção do utilizador com os sistemas de informação. É, por isso, fundamental que a interface seja fácil de usar e que vá ao encontro das expectativas e necessidades de todos os utilizadores. O desenvolvimento de interfaces que satisfaçam utilizadores com necessidades distintas, independentemente das suas capacidades motoras e perceptivas, culturais e sociais não é uma tarefa que possa se considerada simples [1]. De acordo com vários especialistas em Interacção Homem-Computador, [1], [2] e [3] as interfaces devem ser construídas respeitando os princípios de desenho centrado no utilizador, visando um elevado grau de usabilidade e em conformidade com directrizes de acessibilidade básicas. Este trabalho apresenta uma metodologia para avaliação da acessibilidade de um sítio Web, baseado num documento disponibilizado pela Web Accessibility Initiative, WAI, [4], a ser aplicada à secretaria on-line de uma escola do ensino superior.

A user-centered interface for scheduling problem definition

In this paper we present a user-centered interface for a scheduling system. The purpose of this interface is to provide graphical and interactive ways of defining a scheduling problem. To create such user interface an evaluation-centered user interaction development method was adopted: the star life cycle. The created prototype comprises the Task Module and the Scheduling Problem Module. The first one allows users to define a sequence of operations, i.e., a task. The second one enables a scheduling problem definition, which consists in a set of tasks. Both modules are equipped with a set of real time validations to assure the correct definition of the necessary data input for the scheduling module of the system. The usability evaluation allowed us to measure the ease of interaction and observe the different forms of interaction provided by each participant, namely the reactions to the real time validation mechanism.

Intelligent SCADA for load control

A supervisory control and data acquisition (SCADA) system is an integrated platform that incorporates several components and it has been applied in the field of power systems and several engineering applications to monitor, operate and control a lot of processes. In the future electrical networks, SCADA systems are essential for an intelligent management of resources like distributed generation and demand response, implemented in the smart grid context. This paper presents a SCADA system for a typical residential house. The application is implemented on MOVICON™11 software. The main objective is to manage the residential consumption, reducing or curtailing loads to keep the power consumption in or below a specified setpoint, imposed by the costumer and the generation availability.

Safety high accuracy Context-Aware Matrix (CAM) making based on X.509 proxy certificate

Human Computer Interaction (HCl) is to interaction between computers and each person. And context-aware (CA) is very important one of HCI composition. In particular, if there are sequential or continuous tasks between users and devices, among users, and among devices etc, it is important to decide the next action using right CA. And to take perfect decision we have to get together all CA into a structure. We define that structure is Context-Aware Matrix (CAM) in this article. However to make exact decision is too hard for some problems like low accuracy, overhead and bad context by attacker etc. Many researcher has been studying to solve these problems. Moreover, still it has weak point HCI using in safety. In this Article, we propose CAM making include best selecting Server in each area. As a result, moving users could be taken the best way.

Estudo e implementação piloto de um sistema SCADA na Swedwood Portugal

A realização desta Tese/Dissertação tem como objectivo o estudo e implementação piloto de um Sistema de Supervisão e Aquisição de dados (SCADA) na Swedwood Portugal, na qual exerço as funções de Engenheiro de Processo nas linhas de montagem de mobiliário. Foi efectuado um estudo das necessidades da empresa relativamente às melhorias dos processos das linhas de montagem, com o intuito de melhorar a montagem do semi-produto, a nível de qualidade das matérias-primas, operação e desempenho de equipamentos. Chegou-se à conclusão que existe uma grande necessidade de controlar a qualidade das matérias-primas utilizadas na construção do semi-produto em tempo real, de modo a que seja possível diminuir a complexidade na recolha atempada de amostras por parte dos elementos de operação e diminuir o atraso da entrega de resultados das amostras por parte do laboratório. A colagem é um elemento crítico na montagem do semi-produto, devido às variações de viscosidade da cola, consequência das variações climatéricas a que foi sujeita, desde a saída do fornecedor até à sua utilização nas linhas de montagem. Para tal concebeu-se uma solução para dar uma resposta mais rápida no controlo de qualidade da cola à base de acetato de polivinil (PVAC), ou seja, a implementação piloto de um sistema SCADA na sala de colas, de modo a que haja um controlo a nível de temperatura e humidade, controlo de viscosidade em tempo real e controlo do nível da cola na cuba, fazendo com que haja só uma supervisão por parte dos elementos de operação. Optou-se por um conjunto de hardware e software da SIMATIC desenvolvido pela Siemens, para elaboração da programação e desenvolvimento da Interface Homem Máquina (HMI).

Realidade aumentada aplicada ao processo de ensino/aprendizagem. Estudo de caso.

Nas últimas décadas temos assistido a um avanço tecnológico a todos os níveis mas com particular incidência ao nível do hardware e dos dispositivos móveis. Estes tornaram-­‐se cada vez mais leves e mais baratos, e transferiram-­‐se do escritório para o carro, para os equipamentos e para os utensílios. A quantidade de informação (digital) disponível no meio envolvente aumentou de forma exponencial exigindo uma resposta tecnológica com o intuito de melhorar/facilitar o seu acesso e assimilação. É aqui que surge o conceito de Realidade Aumentada a funcionar como uma ponte de ligação entre o real e o digital convidando a novos modelos de interacção com o utilizador. A sua incorporação visa essencialmente tornar os sistemas mais usáveis diminuindo a carga cognitiva inerente à sua utilização. Este trabalho apresenta um estudo de caso, propondo um modelo para a construção de um Objecto de Aprendizagem com recurso a Realidade Aumentada especificamente para a área da saúde. O problema identificado nesta dissertação procura investigar se a integração de técnicas de Realidade Aumentada combinadas com técnicas multimédia e outros materiais convencionais podem contribuir para uma maior motivação e percepção cooperando para a construção de conhecimento.

Edição gráfica de layout fabril no apoio ao planeamento e controlo da produção

O contributo da área de investigação Interacção Humano-Computador (HCI) está patente não só na qualidade da interacção, mas também na diversificação das formas de interacção. A HCI define-se como sendo uma disciplina que se dedica ao desenho, desenvolvimento e implementação de sistemas de computação interactivos para uso humano e estudo dos fenómenos relevantes que os rodeiam. Pretende-se, no âmbito desta tese de mestrado, o desenvolvimento de um Editor Gráfico de Layout Fabril a integrar num SAD para suporte ao Planeamento e Controlo da Produção. O sistema deve ser capaz de gerar um layout fabril do qual constam, entre outros objectos, as representações gráficas e as respectivas características/atributos do conjunto de recursos (máquinas/processadores) existentes no sistema de produção a modelar. O módulo desenvolvido será integrado no projecto de I&D ADSyS (Adaptative Decision Support System for Interactive Scheduling with MetaCognition and User Modeling Experience), melhorando aspectos de interacção referentes ao sistema AutoDynAgents, um dedicado ao escalonamento, planeamento e controlo de produção. Foi realizada a análise de usabilidade a este módulo com a qual se pretendeu realizar a respectiva avaliação, através da realização de um teste de eficiência e do preenchimento de um inquérito, da qual se identificaram um conjunto de melhorias e sugestões a serem consideradas no refinamento deste módulo.

Evaluation of distinct input methods of an intelligent wheelchair in simulated and real environments: a performance and usability study

This paper focuses on evaluating the usability of an Intelligent Wheelchair (IW) in both real and simulated environments. The wheelchair is controlled at a high-level by a flexible multimodal interface, using voice commands, facial expressions, head movements and joystick as its main inputs. A Quasi-experimental design was applied including a deterministic sample with a questionnaire that enabled to apply the System Usability Scale. The subjects were divided in two independent samples: 46 individuals performing the experiment with an Intelligent Wheelchair in a simulated environment (28 using different commands in a sequential way and 18 with the liberty to choose the command); 12 individuals performing the experiment with a real IW. The main conclusion achieved by this study is that the usability of the Intelligent Wheelchair in a real environment is higher than in the simulated environment. However there were not statistical evidences to affirm that there are differences between the real and simulated wheelchairs in terms of safety and control. Also, most of users considered the multimodal way of driving the wheelchair very practical and satisfactory. Thus, it may be concluded that the multimodal interfaces enables very easy and safe control of the IW both in simulated and real environments.

Projecto de avaliação de interfaces – PAI

Para obtenção do grau de Doutor pela Universidade de Vigo com menção internacional Departamento de Informática