Diseño e implementación de algoritmos de navegación restringida y visualización háptica para la exploración y análisis de estructuras filiformes complejas

Abstract

Gracias a la rápida evolución de la tecnología, científicos de distintas áreas tiene a su disposición cada vez mayor número de información, siendo ésta más detallada y completa. Un ejemplo de esta tecnología son las simulaciones in silico, cada vez más usadas en distintos ámbitos como la medicina. Este tipo de tecnología permite obtener grandes volúmenes de datos de forma rápida, rentable y segura. También cabe destacar el desarrollo que están teniendo otras técnicas de adquisición de datos como son la microscopía electrónica y confocal. Frente a las ventajas obvias de tener información más detallada y fiable, la comunidad científica debe enfrentarse al tratamiento de volúmenes de datos cada vez grandes y complejos, lo que dificulta enormemente su análisis. El ser humano se relaciona con el entorno, principalmente, mediante el sentido de la vista. Eso se debe a que dicho sentido permite analizar datos de forma rápida y global. Este hecho, junto con la necesidad de analizar grandes volúmenes de datos y el desarrollo de las tecnologías de generación de imagen 3D, está provocando un creciente interés en la comunidad científica en el desarrollo de técnicas de visualización científica. A pesar de esto, dada la complejidad y el tamaño de algunos volúmenes de datos, no siempre resulta fácil mostrar todos los datos de una forma inteligible. Por otro lado, y como es obvio, en el caso de usuarios con alguna discapacidad visual estas técnicas no proporcionan una solución. En esta tesis se propone el uso de otros canales sensoriales para representar información ya sea como refuerzo del canal visual o como sustituto del mismo. En concreto, esta tesis estudia la capacidad del canal táctil, tanto para representar información geométrica y topológica como abstracta. Una estructura filiforme es un elemento unidimensional con forma de hilo. Dichas estructuras pueden presentar ramificaciones y suelen aparecer en conjuntos densos y de gran tamaño, dificultando su visualización. El interés de las formas filiformes nace de su presencia en una amplia variedad de ámbitos científicos, como en el caso de las neuronales, donde tanto el elevado número de neuronas como sus interconexiones hace que realizar un análisis de una porción del cerebro sea extremadamente complejo. Por todo lo mencionado, la primera contribución de esta tesis es el diseño de un algoritmo de navegación háptica restringida a través de estructuras filiformes. Este algoritmo permite explorar y entender la geometría y la topología de este tipo particular de estructuras y sus interconexiones, infiriendo las intenciones del usuario y posibilitando la interacción con los datos. Además, es común que las estructuras tengan asociadas diferentes variables que indiquen características y propiedades de las mismas. Sin embargo, las oclusiones y el número elevado de estos valores dificultan el análisis. El uso de iconos hápticos puede ser una alternativa o un apoyo a la visión. Sin embargo, una de las principales limitaciones de representar el valor de variables mediante el canal háptico es la alta dependencia con la memoria a corto plazo. En esta tesis se propone una nueva señal, denominada diapasón háptico, que se utiliza como valor de referencia. Esta señal de referencia se repite antes de mostrar el valor, ayudando a interpretar los estímulos a través del canal háptico. Diversos experimentos realizados indican que el uso del diapasón háptico mejora la precisión y exactitud a la hora de discriminar el estímulo háptico percibido. Ambas propuestas pueden combinarse para ofrecer al usuario una nueva manera de analizar datos a través de los dispositivos hápticos. Con el objetivo de evaluar la viabilidad en escenarios reales de las contribuciones aquí realizadas, se han desarrollado dos aplicaciones diferentes: una orientada a neurocientíficos y otra a estudiantes con discapacidad visual. Con esta investigación se ha pretendido, no solo ofrecer nuevas alternativas que alivien los problemas de la exploración y análisis de datos complejos, sino que los avances realizados puedan abrir nuevas líneas de investigación que poco a poco permitan seguir avanzando en la utilización intuitiva de los dispositivos hápticos como una herramienta de apoyo en el mundo del análisis de datos científicos.