lacacharreria.tex

% Este fichero es parte del Número 4 de la Revista Occam's Razor
% Revista Occam's Razor Número 4
%
% (c)  2009, The Occam's Razor Team
%
% Esta obra está bajo una licencia Reconocimiento 3.0 España de
% Creative Commons. Para ver una copia de esta licencia, visite
% http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/es/ o envie una carta a
% Creative Commons, 171 Second Street, Suite 300, San Francisco,
% California 94105, USA. 

% Seccion La cacharreria
%

\rput(2.5,-3.0){\resizebox{12cm}{!}{{\epsfbox{images/cacharreria/camara_3-1.eps}}}}

% -------------------------------------------------
% Cabecera
\begin{flushright}
\msection{introcolor}{black}{0.25}{LA CACHARRERÍA}

\mtitle{8cm}{Tu propia webcam IR}

\msubtitle{10cm}{Explorando el Infrarrojo cercano}

{\sf por Chinao}

{\psset{linecolor=black,linestyle=dotted}\psline(-12,0)}
\end{flushright}

\vspace{2mm}
% -------------------------------------------------

\begin{multicols}{2}


% Introducción
\intro{introcolor}{B}{uscando cosas güays por internet, nos encontramos una interesante
página en la que cuentan como ``tunear'' tu webcam para convertirla en
una cámara de infrarrojos (los recursos al final del artículo). Nos
pareció interesante, así que ni cortos ni perezosos nos pusimos a ello.

}

\vspace{2mm}

% Cuerpo del artículo

Antes de que comencéis a, quizás, destruir vuestra webcam, tenemos que
decir dos cosas. La primera es que no nos hacemos responsables de
cualquier daño ocasionado por seguir los pasos que se describen en
este artículo. Es decir, si os cargáis la cámara (la verdad que es
difícil, pero podría llegar a pasar) es vuestro problema.

La segunda es que antes de destrozarla, comprobéis que realmente va a
servir de algo. Para ello no tenéis más que conectar la cámara al
ordenador, lanzar vuestro programa preferido para utilizarla, y coger
cualquier mando a distancia que tengáis por casa y que funcione con
infrarrojos. 

Estos mandos suelen tener lo que parece un LED (y que
efectivamente lo es :), en el extremo con el que intentáis intimidar a
vuestro equipo electrónico doméstico. Normalmente, cuando pulsáis
cualquier botón, el LED parece no hacer nada, pero si apuntáis a
vuestra webcam y al pulsar el botón veis un punto brillante donde
debería estar el LED... entonces sí, es hora de ``cacharrear''.

\sectiontext{white}{black}{RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA}

La mayoría de los sensores utilizados por las cámaras digitales (CCD o
CMOS), por sus propias características, son sensibles a lo que se
conoce como infrarrojo cercano.

¿Y que es eso del infrarrojo?... mejor aún, ¿qué es eso del infrarrojo
cercano?. Vale, pues, si hablamos con propiedad, de lo que tenemos que
hablar es de radiación infrarroja. La radiación infrarroja, es una
radiación electromagnética, cuya longitud de onda se encuentra entre
750nm y 1mm.



Sí, ya, o no os he contado nada nuevo, o os habéis quedado como estábais.
Bien, vamos a explicarlo un poco más. La radiación electromagnética
que todos conocemos es la luz visible. Lo bueno de ésta es que la
podemos ver, como su propio nombre indica :). Esta radiación se
propaga, es decir, se mueve y llega 
hasta nuestros ojos como una onda (una onda electromagnética
concretamente). Dependiendo de la frecuencia de esa onda (lo rápido o
lento) que varíe, veremos un color u otro.

Así, las ondas que tienen menor longitud de onda, es decir, que
necesitan menos ``espacio'' para pasar de una cresta a la siguiente, son
las que tienen mayor frecuencia (cambian más rápido, o en menos
``espacio'' si lo preferís). 

Cuanto menor sea lo longitud de onda, más
``azulado'' será el color que percibimos, hasta que llega un punto, en
el que nuestro ojo ya no es capaz de percibirlo. Los fotones de esa
frecuencia que llegan a nuestra retina no pueden excitar las células
que en ella se encuentra y por lo tanto ninguna señal llega al
cerebro... estamos ciegos para esa longitud de onda!.

\begin{entradilla}
{\em La  {\color{introcolor} radiación infrarroja} tiene una longitud de onda se encuentra entre 750nm y 1mm.}
\end{entradilla}

Como os decíamos según disminuimos la longitud de onda, los colores se
hacen más azulados, y en el punto en el que dejamos de percibirlo, lo
que estaremos recibiendo es radiación ultravioleta.

Si por el contrario, aumentamos la longitud de onda (y por tanto
disminuimos la frecuencia), los colores se hacen más rojizos, hasta
que llega un punto en el que ya no los podemos percibir. Estamos
hablando de radiación infrarroja.

Por qué lo del infra y el ultra... muchos ya lo habréis imaginado,
estos nombres hacen referencia a la frecuencia y no a la longitud de
onda. Así que lo que está por debajo del rojo visible (menor
frecuencia) se denomina infrarrojo, mientras que lo que está por encima
del violeta visible se denomina ultravioleta :)

\sectiontext{white}{black}{EL INFRARROJO CERCANO}

Sí, las radiaciones infrarrojas tienen frecuencias inferiores a las
del rojo visible, pero no todas las frecuencias inferiores a esta son
radiación infrarroja. 


\end{multicols}

\clearpage
\pagebreak


\msection{introcolor}{black}{0.25}{LA CACHARRERÍA}

\begin{figure}[ht]
\centering
\includegraphics[width=13cm,angle=0]{images/cacharreria/espectro.eps}

{\small\bf Espectro Electromagnético (fuente Wikipedia)}
\end{figure}


\begin{multicols}{2}


Si seguimos bajando la frecuencia nos
encontramos las microondas y más abajo las frecuencias utilizadas por
la radio y la televisión. Sí amigos, tenéis dispositivos de alta
frecuencia en vuestras cabezas XD.

Bien, la cuestión es que la región del espectro (esto es, todas las
frecuencias posibles) que se considera radiación infrarroja, está
dividida en tres grandes grupos, que se llaman, respectivamente, IR-A,
IR-B e IR-C.

Con lo que nosotros vamos a jugar es con el IR-A, también conocido
como infrarrojo cercano... os imagináis por qué no?. Efectivamente,
porque es el que está más cerca del espectro visible. Sí, los más 
interesantes son los otros, los que se usan para guiar misiles y para
obtener esas imágenes térmicas tan chulas que salen en las
películas... pero efectivamente, hace falta algo más caro que una
webcam de 25 euros para jugar con esas cosas.

Así que ahora que tenemos una idea general de que es lo qué estamos
haciendo... pues vamos a ponernos manos a la obra.


\sectiontext{white}{black}{DESMONTANDO LA CÁMARA}

Nuestra webcam es una Logitech Messenger. Sí, aprovechamos todo aquí
en Occam's... Que!, ¿todavía no os habéis leído el artículo sobre video
vigilancia?... ¿a qué estáis esperando?

Primer consejo, perded un poco de tiempo intentando descubrir que
tenéis que desmontar. Los tornillos suelen estar ocultos, porque son
antiestéticos y, por la ley de Murphy, nosotros empezamos quitando
justo los que no necesitábamos quitar XD.



Para poder desmontar esta webcam, tenemos que retirar una pequeña tapa
de goma que se encuentra en uno de los laterales de la esfera que
contiene la lente. En el agujero que cubre encontraremos un pequeño tornillo
que debemos retirar para poder acceder al interior de la cámara.

\begin{center}
\myfig{0}{images/cacharreria/paso01.eps}{0.9}

{\footnotesize\bf Accediendo al tornillo.}
\end{center}


Por otra parte, con mucho cuidado, retiramos la carcasa gris azulada,
de la parte frontal, ayudándonos de un destornillador o cualquier cosa
que nos permita hacer palanca.

\begin{center}
\myfig{0}{images/cacharreria/paso02.eps}{0.9}

{\footnotesize\bf Quitando parte frontal.}
\end{center}


Ahora ya podemos acceder a la cámara propiamente dicha, presionando el
clip que une las dos mitades de la esfera. 

\ebOpage{introcolor}{0.25}{LA CACHARRERÍA}

Retiramos una de las
mitades, la guía de luz para poder ver el LED de actividad desde fuera
(un pedazo de plástico transparente), y ya tenemos nuestra cámara 
``al desnudo'' :).

\begin{center}
\myfig{0}{images/cacharreria/paso03.eps}{0.9}

{\footnotesize\bf Ya casi estamos.}
\end{center}


El siguiente paso es desmontar la lente. En esta cámara (y al parecer
en la mayoría de las webcams), la lente se enrosca directamente sobre
el sensor que captura la imagen. Así que la giramos hasta que se
separe del circuito.

Ahora tenemos, por una parte, la placa de circuito impreso, con el
sensor de imagen y la rosca para la lente, y la lente por la otra.

\begin{center}
\myfig{0}{images/cacharreria/paso04.eps}{0.9}

{\footnotesize\bf Sensor de la webcam.}
\end{center}

\begin{center}
\myfig{0}{images/cacharreria/paso05.eps}{0.9}

{\footnotesize\bf La lente que acabamos de desenrroscar.}
\end{center}


\sectiontext{white}{black}{FILTRANDO LA LUZ}

Ooops!, no habíamos dicho nada sobre esto. Bueno, lo decimos
ahora. Puesto que los sensores son sensibles al IR cercano, las
cámaras digitales traen incorporado un filtro IR, ya que de lo
contrario... bueno, eso lo podréis comprobar vosotros mismos ;).

El objetivo de todo esto es sustituir ese filtro IR, por un filtro de
luz visible, de tal forma que la cámara solo capte el IR cercano y no
la luz normal.

Como podéis ver en la imagen, el filtro IR se encuentra (siempre para
nuestro modelo), en la parte de la lente, sujeto a ella con una
especie de pasta negra. Con un cutter eliminamos parte de esta pasta y
quitamos el filtro.

\begin{center}
\myfig{0}{images/cacharreria/paso06.eps}{0.9}

{\footnotesize\bf Filtro IR separado de la lente.}
\end{center}


Efectivamente, ese cristalito rosado es el filtro IR. Que os
esperabais, los filtros de luz son así. Tiene que ser transparente,
para que pase la luz visible, y, pues eso, se llama infraRROJO por
algo :).


\begin{entradilla}
{\em El  {\color{introcolor}filtro IR} es un cristal rosado entre la
lente y el sensor.}
\end{entradilla}

La gran cuestión ahora es como hacer un filtro de luz visible. La
respuesta la sacamos de Internet, yo no tenía ni idea la verdad,
lo único que tenía claro, era que tenía que ser algo oscuro.


Pues nuestro filtro lo haremos con un negativo fotográfico
velado... sí, ¿quién diría que algún día eso no sería tan fácil de
conseguir eh?. Ojo, el negativo tiene que estar revelado y tendréis
que escoger una de esas partes oscuras que normalmente quedan al
principio o final del rollo.

Para nuestro modelo de cámara, utilizamos un perforador de hojas que
tiene aproximadamente el mismo diámetro que el orificio de la
lente. Acoplamos la lente de nuevo y a ver que pasa.

\ebOpage{introcolor}{0.25}{LA CACHARRERÍA}

\begin{center}
\myfig{0}{images/cacharreria/paso07.eps}{0.9}

{\footnotesize\bf Nuestro filtro de luz visible.}
\end{center}


Nosotros probamos la cámara antes de volver a montarla, pero vosotros
haced lo que queráis :).

\sectiontext{white}{black}{A JUGAR}

Bien, pues después de todo este lío, vamos a ver que nos permite ver
nuestra nueva cámara IR. En las páginas web de los recursos podéis ver
varios ejemplos. Nosotros pondremos algunos más aquí.

Lo primero que vamos a comprobar es que nuestro filtro de color
funciona. Para ello, simplemente vamos a capturar una imagen
multicolor y lo que esperaríamos obtener sería la misma imagen pero
sin colores... que no en blanco y negro. Como podéis apreciar en la
imagen, hay una sutil diferencia.

\begin{center}
\myfig{0}{images/cacharreria/colores.eps}{0.9}
\end{center}


Parece funcionar bastante bien pero, normalmente, donde los filtros
suelen tener problemas es en las denominadas frecuencias de
corte. Para nuestro caso específico, esa frecuencia de corte se
encuentra entre el rojo visible y el infrarrojo cercano. 

En la siguiente imagen utilizamos un puntero láser de esos de color
rojo para comprobar que lo que acabamos de decir tiene un cierto
sentido :P.

\begin{center}
\myfig{0}{images/cacharreria/puntero-laser.eps}{0.9}
\end{center}

Como podéis ver en la imagen de la derecha, aún cuando el color ha
sido eliminado de la escena, la luz roja proveniente del puntero láser
no es eliminada por nuestro filtro hecho con negativos fotográficos
usados... bueno, nadie esperaría que fuera perfecto.


Las pantallas TFT no se ven... pero la televisión es otra
historia. De la TV no tenemos imágenes, pero las podéis obtener
vosotros mismos muy fácilmente.

\begin{center}
\myfig{0}{images/cacharreria/monitor.eps}{0.95}
\end{center}


\sectiontext{white}{black}{VISIÓN DE RAYOS X?}

Si buscáis más información sobre todo esto de las cámaras IR, os
encontraréis entradas sobre ``milagrosos ingenios para mirar a través de
las cosas''. Sí, es que suenan así de raros.

Lo que si es cierto es que al poder ``capturar'' la radiación
infrarroja, y eliminar las componentes del espectro visible, ciertos
detalles de las imágenes se hacen más evidentes.

Por ejemplo, si miramos a este lápiz USB que utiliza una carcasa azul
transparente, apenas podemos ver su interior, pero si filtramos el
color (el azul en este caso), la superficie se vuelva prácticamente
transparente, y podemos ver los chips en su interior.

\begin{center}
\myfig{0}{images/cacharreria/usb.eps}{0.95}
\end{center}

Lo mismo sucede con estas gafas de sol. Para ser sincero, las gafas
que aparecen en la imagen son un poco cutres de estas de plástico, así
que no podemos confirmar como funcionaría con unas gafas de las buenas
:). Observad el ojo de Don... no nos la volverá a jugar en las
partidas de póker.

\begin{center}
\myfig{0}{images/cacharreria/gafas.eps}{0.95}
\end{center}

La razón de la popularidad de estas páginas es que supuestamente
permiten ver la ropa interior. Lamentablemente nadie se ha ofrecido
voluntario para enseñar sus vergüenzas en aras de la ciencia.


\ebOpage{introcolor}{0.25}{LA CACHARRERÍA}


\sectiontext{white}{black}{COSAS RARAS}

Como os adelantábamos hace un momento, cuando eliminamos la radiación
visible de nuestras imágenes, los distintos materiales de nuestras
ropas de muestran de diferentes formas.



En general, el color desaparece, ya que normalmente se consigue
utilizando un tinte que la única propiedad del material que modifica
es precisamente el color.

Aquí podéis ver como convertimos una moderna e informal chaqueta de
rayas, en un elegante traje blanco :).

\begin{center}
\myfig{0}{images/cacharreria/ropa.eps}{0.9}

\end{center}

Lo mismo sucede con las plantas que en general se verán de color
blanco, como podéis observar en la siguiente imagen. Nuestro filtro de
color elimina el característico color verde.

\begin{center}
\myfig{0}{images/cacharreria/plantas.eps}{0.9}
\end{center}

Lo curioso de esto es que podemos hacer bonitas estampas invernales en
pleno agosto :).


Otra de las características de nuestra nueva cámara es que nos permite
observar algunas de las medidas de seguridad incluidas en los
billetes. En la siguiente imagen podéis observar un billete de 5 euros
y otros de 10.


\begin{center}
\myfig{0}{images/cacharreria/ejemplo01.eps}{0.9}
\end{center}

Como en la mayoría de los ejemplos anteriores, gran parte del color
desaparece, pero la zona entorno al holograma, está impresa con una
tinta especial (algo más que simplemente color). En el caso particular de los billetes, resulta más
efectivo e interesante utilizar luz ultravioleta o luz ``negra'' como
suele ser más conocida.

En la siguiente imagen podemos ver un billete de 50 y otro de 100 por
ambos lados. Nótese como el número de serie y la cantidad se imprimen
con una tinta especial.

\begin{center}
\myfig{0}{images/cacharreria/billetes.eps}{0.9}
\end{center}


Finalmente, aquí podéis ver mi cartera que esta un poco para ser
retirada. Parece que las zonas mas desgastadas se resaltan en nuestra
camara IR. 

\begin{center}
\myfig{0}{images/cacharreria/cartera.eps}{0.9}

\end{center}




\sectiontext{white}{black}{LUZ INVISIBLE EN LA OSCURIDAD}

Y por supuesto, nuestro mando a distancia de la tele se convierte en
una linterna que no da luz XDDDDD. Y es precisamente esta
característica la que resulta más interesante desde el punto de vista
de las aplicaciones de nuestra webcam IR.

\begin{center}
\myfig{0}{images/cacharreria/linterna-ir.eps}{0.9}
\end{center}
\begin{center}
\myfig{0}{images/cacharreria/linterna-ir2.eps}{0.9}
\end{center}

Unas imágenes curiosas ¿eh?... Pero muchos os preguntaréis, y ¿para qué
sirve esto?. Bueno, además de para quedarte con los colegas. La
pregunta exacta que probablemente se os esté viniendo a la cabeza es:
¿Qué hace 
una gente tan discreta como los tíos de Occam's, con algo que solo sirve para
chulear?

Buena pregunta. Efectivamente, disponer de una cámara IR nos permite
abordar algunos proyectos muy interesantes, sobre todo desde el punto
de vista de los denominado MMI ({\em Man Machine Interface} o Interface
Hombre Máquina).

La primera y la más obvia de estas aplicaciones es lo que los ingleses
denominan tracking y que nosotros podemos llamar seguimiento.

\ebOpage{introcolor}{0.25}{LA CACHARRERÍA}

\sectiontext{white}{black}{TRACKING}

Como os decíamos, las aplicaciones más interesantes y directas de este
tipo de cámaras es el de los interfaces MMI. La ventaja más
importante... pues que la radiación infrarroja es invisible para el
ojo humano.

Esto se traduce en que nuestra cámara va a capturar unas imágenes
totalmente oscuras con un pedazo de punto blanco allá donde haya una
fuente de luz infrarroja. Como podéis imaginar, esto hace
prácticamente trivial el localizar esas fuentes de luz IR
en la imagen.

Para utilizar estas técnicas, tenemos dos opciones
fundamentales. Hacer que la ``cosa'' que queremos seguir emita luz IR,
o que la refleje.

En general si tenemos que seguir muchos puntos es mejor utilizar
elementos que reflejen la luz IR, de lo contrario habría que llenar el
objeto a seguir (pensad por ejemplo en un sistema de captura de
movimiento de personas para un juego) de cables y baterías.



Si por el contrario, solo necesitamos un par de puntos de referencia,
por ejemplo para un dispositivo apuntador en un sistema de
realidad virtual, un par de LEDs y unas pilas harán el trabajo.

\begin{entradilla}
{\em El {\color{introcolor} wiimote} utiliza una barra sensora con
{\color{introcolor} luz IR} para calcular la
posición del jugador}
\end{entradilla}

Este tipo de soluciones son utilizadas, por ejemplo, por el mando de la consola Wii (el
denominado wiimote), como parte de su sistema de
posicionamiento. El mando incluye un acelerómetro y una cámara
infrarroja los cuales, junto con una barra sensora permiten calcular
la posición y orientación del jugador.

\begin{center}
\myfig{0}{images/cacharreria/wiimote.eps}{0.7}
\end{center}


La barra sensora está compuesta de dos grupos de LEDs infrarrojos,
separados una distancia conocida. La cámara en el mando detecta estos
dos grupos y el procesador interno hace las matemáticas :).

Con un puñado de LEDs infrarrojos, algunas resistencias y nuestra
webcam IR podemos explorar este tipo de sistemas.

\sectiontext{white}{black}{PANTALLAS TÁCTILES}

Otra aplicación en la que podemos utilizar nuestra flamante webcam IR
es la construcción de una pantalla táctil multi-toque :)... si, como
la Microsoft Surface y similares.


Este tipo de pantallas se pueden construir de distintas formas, pero
una de ellas, bastante asequible para el aficionado al cacharreo es la
denominada FTIR que son las siglas de {\em Frustrated Total Internal
Reflection}. Podríamos traducirlo por Reflexión Interna Total
Frustrada, y enseguida veremos que el nombre tiene cierto sentido.

Estas pantallas utilizan una superficie acrílica (un
plástico), en cuyo interior se inserta luz infrarroja, de forma que no
es visible por el ojo humano. La luz insertada rebota en el interior
del material pasando de un extremo al otro.

%\begin{center}
%\myfig{0}{images/cacharreria/multitouch.eps}{0.8}
%\end{center}


Si presionamos la superficie con, por ejemplo, nuestros dedos, la
deformación que producimos en la superficie, interrumpe el rebote de
la luz IR en su interior y produce un efecto de dispersión... es
decir, que se produce un ``puntazo IR''... Ahora lo de reflexión
interna frustrada tiene más sentido ¿no?

Todo este proceso es completamente transparente al ojo humano ya que
la luz utilizada es IR. Pero para una cámara IR, esos
``puntazos'' que se forman al presionar la superficie se pueden
capturar y procesar muy fácilmente.

Otra técnica bastante utilizada en la denominada Iluminación Difusa
({\em Diffuse Ilummination}). Existen dos formas de utilizar esta
técnica, pero la que nos interesa a nosotros es la denominada {\em
Rear Diffuse Illumination}. 

El sistema se basa en colocar un difusor
sobre la superficie táctil e iluminarlo con luz infrarroja. Cuan el
usuario pulsa sobre la superficie su dedo reflejara más luz IR que la
que refleja el difusor, de tal suerte que la cámara pueda detectar el
punto correcto. El principal problema de esta técnica es el conseguir
una iluminación uniforme en toda la superficie.

El hecho de que sea multi-toque o no, va a depender del software que
procese las imágenes y lo que ese software haga con los datos que obtenga.

Esto es todo. Esperamos que os haya gustado esta nueva sección. \EOP

\end{multicols}


{\colorbox{introcolor}{
\begin{minipage}{0.98\linewidth}
{\textsf
{\color{white}{\large RECURSOS}}

\medskip

\footnotesize
How to make a webcam work in infra red

{\footnotesize\url{http://www.hoagieshouse.com/IR/}}

%\medskip

Pantallas Multitouch FTIR

{\footnotesize\url{http://en.wikipedia.org/wiki/Total_internal_reflection\#Frustrated_total_internal_reflection}}

{\footnotesize\url{http://en.wikipedia.org/wiki/Multi-touch}}

NUI Group Community Book - ``Multi-Touch Technologies''

{\footnotesize\url{http://nuigroup.com/log/nuigroup_book_1/}}

%\medskip
\normalsize
}
\end{minipage}
}}


\clearpage
\pagebreak