Ingenieros uruguayos procesan imágenes mediante fórmulas matemáticas y posicionan al país como un ejemplo en la región. Sus investigaciones se traducen en aplicaciones prácticas.
Tomer Urwicz
El País digital
Una imagen vale más que mil palabras pero menos que una fórmula matemática. Por detrás de su celular con cámara de fotos o su programa digital para retocar imágenes, hay miles de ingenieros que estuvieron aplicando ecuaciones, cuentas y conceptos computacionales. Y dentro de estos muchos profesionales, varios son uruguayos.
Es que este país es, según el prorrector de investigación de la Universidad de la República Gregory Randall, potencia regional en el área de la Ingeniería Eléctrica especializada en procesar imágenes. Aunque parezca algo abstracto, un conjunto de números y letras combinadas pueden resolver problemas de resolución, de calidad y de movimiento en una fotografía. No se trata de meras investigaciones para obtener un título de maestría o doctorado, en todo caso son intentos de acercarse, por ejemplo, a una posible cura contra el virus del Sida.
Cuando uno piensa en un ingeniero eléctrico se imagina a un sujeto rodeado de cables, armando o desarmando antenas, o con muchos enchufes en medio de un laboratorio. Nada de esto ocurre en este caso. Son profesionales que trabajan directamente en una (o varias) computadoras y desde ahí resuelven problemas para aplicaciones útiles, de la vida cotidiana.
Es así que hoy confluyen en el Grupo de Tratamiento de Imágenes de la Facultad de Ingeniería (Universidad de la República) dos generaciones de ingenieros que combinan estudios nacionales y extranjeros y cuyas investigaciones de maestrías y doctorados son atractivos para empresas e institutos. A continuación Domingo presenta cuatro de los últimos proyectos.
Crioelectromicroscopía. Bajo este nombre se conoce al tratamiento de una imagen tridimensional de una partícula diminuta, como un virus. Esta técnica permite visualizar cómo es la forma geométrica que tiene una bacteria (o un virus) y que no pude verse con microscopios. Hay algunos microorganismos, como los del Sida, del que aún no se conoce a ciencia cierta su tamaño y forma. ¿Para qué sirve saber estos aspectos? Para crear vacunas y, por tanto, llegar a una cura.
¿Qué hizo el uruguayo Federico Lecumberry? En su tesis doctoral elaboró una nueva metodología para reconstruir la forma geométrica de algunas proteínas (puede aplicarse a virus también) que siguiendo determinadas hipótesis permiten alcanzar niveles de resolución de imágenes mucho mayores. La tecnología pasó de captar 40 ngström a 10. Así se configuró un mapa válido para algunos virus. “Todavía falta cambiar algunas hipótesis para llegar a aplicarlo al virus del Sida”, explica el ingeniero. Con otras imágenes, como la macromolécula ya conocida que figura en la imagen 3, funcionó. La investigación, que demoró dos años, fue publicada a fines de 2012 y varios institutos y laboratorios ya han solicitado el software para aplicarlo a sus problemas.
Síntesis de imágenes realistas. Imagine que a usted le describen de forma perfecta una habitación. Conoce todos los detalles, dónde está cada objeto, las luces, los materiales y reflejos. Se le propone reconstruir ese ambiente con una cámara virtual. El problema que se plantea es uno de los principales dolores de cabeza de las grandes compañías de animaciones digitales y audiovisuales del mundo.
Hasta el momento se resuelve simulando cuadro a cuadro (foto a foto) cómo se propaga la luz (ver dónde rebotan los rayos y cuántos de ellos llegan a la cámara). Pero si se quiere simular muchos efectos, para que sea realista, se necesitan muchas horas de trabajo, mucha energía en las computadoras y mucha mano de obra. A modo de ejemplo, hacer de forma realista solo un cuadro en alta definición (HD) puede demorar a una persona un día. En una película digital se utilizan 25 cuadros por segundo, por lo que sería una cantidad enorme de días para llegar a un segundo de filmación.
El ingeniero uruguayo Mauricio Delbracio encontró un método que permite tomar pocas muestras de la imagen original y luego mejorarla con la aplicación de algoritmos en pocos minutos. El resultado: se aceleró el proceso entre 10 y 20 veces. “Va a tener impacto y cualquier empresa grande de animación, como Disney, podría interesarse en este proceso”, dice el ingeniero.
Colonoscopía virtual. En Uruguay mueren dos personas cada día por cáncer de colon. Sin embargo, con una detección precoz se podría evitar el 90% de los fallecimientos, según cifras del Registro Nacional del Cáncer. El ingeniero Marcelo Fiori se centró, justamente, en las técnicas de detección de pólipos colorrectales. En concreto, elaboró un nuevo método para reconocer en forma virtual posibles tumores y ayudar al médico en esa evaluación.
De acuerdo al prototipo, a partir de imágenes del abdomen, se reconstruye el órgano y se subdivide en partes que son analizadas en profundidad. Un clasificador determina si hay anomalías, el propio software permite colorear la zona, por lo que el médico no pierde de vista ningún posible caso de pólipo (que puede ocasionar cáncer). Las ventajas: la técnica sería, de poder ingresar al mercardo, menos invasiva que la clásica fibrocolonoscopía (donde se introduce una cámara y se recorre el órgano). “Tiene cierta invasión porque se debe inflar el colon para la captación de las imágenes”, explica. Es de más bajo costo y es más adecuada para las campañas que realizan estudios ambulantes. Y, por último, este método permite explorar el colon completo sin importar posibles obstrucciones que no facilitarían el acceso de una cámara.
Fotografía computacional. Cecilia Aguerrebere rompió la premisa fotográfica de que “no se puede tomar una foto a contraluz”. Esta ingeniera, especializada en mejorar las funciones de una cámara a través de fórmulas matemáticas, resolvió cómo evitar un contraste extremo en una foto, aun en movimiento. Ella logró hacer un balance automático de las zonas más oscuras y más claras con la sola utilización de pocas imágenes con distinto tiempo de exposición a la luz. De este modo, logra como resultado una imagen que recupera la mayoría de la información que se perdería en los ejemplos que la componen (ver foto 2). Estas técnicas (HDR) se utilizan en celulares, procesamientos de imágenes en computadoras y otras tantas tareas en las que la matemática está al servicio social.
INGENIERÍA
La época en que lo esencial no es invisible a los ojos
¿Por qué Uruguay se destaca en el procesamiento de imágenes? Mucho tiene que ver con la poca cantidad de recursos e infraestructura que se necesita para investigar en esta área. Pero otro tanto se asocia a que se ha revalorizado el sentido de la vista. Hoy las imágenes inundan la ciudad, la televisión, tabletas, computadoras, publicidades, el diseño y el cine. Cada vez más personas tienen su propia cámara de fotos digital y siglas como “HD” son de uso popular. Eso implica un mercado fértil para los ingenieros recién graduados en el área, o bien el interés de universidades extranjeras para generar convenios de investigación con institutos locales. Aunque, como casi todo en la academia, tiene su origen en impulsos personales. El retorno de los ingenieros que habían estado en el exilio en Suecia fue el primer embrión para la formación de esta especialización en Uruguay. Pero el verdadero espaldarazo fue a mediados de la década de 1990 con la llegada de Francia de Gregory Randall, hoy prorrector de investigaciones de la Universidad de la República. Él, especialista en ingeniería eléctrica, motivó el surgimiento del Grupo de Tratamiento de Imágenes. A eso se le sumaron graduados de posgrados en el exterior (como el actual coordinador Pablo Musé), le siguieron profesionales formados en cotutela (exterior y Universidad de la República) y en la actualidad productos genuinos uruguayos. El Grupo cuenta con 12 doctorados en el exterior: cuatro regresaron a Uruguay, tres se quedaron en otros países y cinco están haciendo estudios postdoctorales.
Detección de pólipos
Las tres imágenes superiores muestran tres tipos diferentes de pólipos detectados con la fibrocolonoscopía clásica. En las tres del medio, figura como se ve la reconstrucción de pólipos en 3D. Las últimas tres son ejemplos de candidatos a pólipos detectados por el software de Marcelo Fiori.
Paso para cura del Sida
Con los mismo datos, pero con un procedimiento distinto, Federico Lecumberry llegó a visualizar una misma secuencia de proteínas en una resolución mucho mayor: de 30 ångström (a la izquierda) a 8 ångström (a la derecha). Si se logra romper la barrera de los 3 ångström, se podrá conocer el virus del Sida.
Animar en menos tiempo
Es un dragón en movimiento. A la izquierda se ve la imagen original con puntos y más difusa (ruido). A la derecha el mismo dibujo procesado con algoritmos que diseñó el ingeniero Mauricio Delbracio. “Con esto ayudamos al medio ambiente porque se utiliza menos energía”, explica.
El fin del contraste
¿Cuántas veces sacó una foto de un atardecer y le quedó el objeto en negro y la luz de fondo? Es que el rango dinámico de una cámara de fotos es menor al ojo humano. Cecilia Aguerrebere logró un método, en base a técnicas existentes, que permite en forma computacional equilibrar las luces.
