Visión artificial

Aplicaciones prácticas con OpenCV - Python

Tomás Domínguez Mínguez

• Publisher: Marcombo
• Year: 2021
• ISBN:
  9788426733474
• Edition: 1
• Topic: Computer Science
• Subtopic: Compilers
• Index: Computer Science

La visión artificial es una disciplina científica formada por un conjunto de técnicas que permiten la captura, el procesamiento y el análisis de imágenes, con el fin de extraer información de utilidad. Su objetivo es automatizar tareas reservadas hasta hace poco tiempo al ámbito humano en áreas como la seguridad, la industria, el comercio, la medicina, etc.Muchas de las técnicas empleadas en visión artificial proceden de otras disciplinas como la inteligencia artificial o el deep learning, que exigen amplios conocimientos matemáticos. Por ese motivo, su expansión no se ha producido hasta la llegada de librerías como OpenCV, que ocultan esta complejidad y las ponen al alcance de cualquiera que disponga de unos conocimientos básicos de programación, en este caso, de Python.En este libro aprenderá a usar la librería OpenCV de Python, con la que podrá desarrollar aplicaciones de visión artificial, tanto para imágenes estáticas como para vídeo. Todas las técnicas empleadas se exponen de forma clara y sencilla, sin entrar en conceptos matemáticos complejos. Además, se trata de un libro práctico, por lo que está repleto de ejercicios, cuyo código se explica línea a línea.OpenCV es software libre, lo que significa que podrá usarlo sin restricciones. También es multiplataforma, así que es posible ejecutarlo tanto en Windows como en MacOS o Linux. Pero lo que realmente ha dado lugar a su enorme popularidad es la gran cantidad de algoritmos que implementa, con los que podrá: · Poner en práctica técnicas de reconocimiento facial, identificación de objetos o personas, seguimiento de sus movimientos, etc. · Crear aplicaciones de realidad aumentada, de inspección y vigilancia, orientadas a la robótica o juegos.En cuanto a Python, este es uno de los lenguajes de programación más extendidos debido a que su código es abierto y multiplataforma, pero, sobre todo, por su sencillez y facilidad de uso. Eso ha hecho que se utilice en infinidad de ámbitos, entre los que destaca el de la visión artificial. Si no conoce este lenguaje, se proporciona un amplio anexo en el que se enseñan sus principios básicos de funcionamiento y con el que podrá seguir las prácticas propuestas de un modo fácil.Sin lugar a dudas, este es el libro indicado para aprender a desarrollar con agilidad sus propias aplicaciones de visión artificial. No espere más, hágase con su ejemplar y exprima todo su potencial.Tomás Domínguez es ingeniero de telecomunicación y doctorado en inteligencia artificial. Su labor profesional se ha desarrollado en una multinacional de telecomunicaciones, donde ha ocupado diversos cargos relacionados con la tecnología. Asimismo, ha ejercido como profesor universitario de ingeniería informática en la Universidad Alfonso X el Sabio de Madrid.

Unidad 1

INTRODUCCIÓN

La visión artificial es una disciplina científica formada por un conjunto de técnicas que permiten la captura, el procesamiento y el análisis de imágenes. El objetivo es que un ordenador sea capaz de extraer información útil para responder a preguntas sobre su contenido, como ¿qué aparece en la imagen?, ¿hay algún objeto en el que esté interesado?, ¿es una persona conocida?, ¿qué está haciendo?

Las técnicas necesarias para conseguir dicho objetivo proceden de diversas áreas como la ingeniería o la informática, cuya naturaleza matemática ha provocado que solo estuvieran al alcance de especialistas en la materia. Sin embargo, la aparición de librerías como OpenCV ha permitido ocultar los complejos algoritmos en los que se basan y ha democratizado su uso. Al igual que para ponerse al volante de un coche no es necesario ser mecánico, sino únicamente saber manejar los mandos que permiten conducirlo, para desarrollar aplicaciones de visión artificial no se tiene por qué haber estudiado una ingeniería, basta con conocer las funciones de aquellas librerías que permitan hacer lo que se pretenda, por ejemplo, identificar un determinado objeto, su color o su tamaño.

En este primer capítulo se darán unas pinceladas de lo que es la visión artificial, así como de la librería OpenCV, que pondrá a su alcance las técnicas necesarias para beneficiarse de todo lo que ofrece esta disciplina.

1.1 VISIÓN ARTIFICIAL

Hasta hace poco tiempo, las tareas que un ordenador era capaz de hacer con las imágenes consistían en almacenarlas, reproducirlas o, incluso, procesarlas para modificar su aspecto. Pero en ningún caso llegaba a obtener información que mostrara una compresión real de su contenido. Estas mismas imágenes que tanta información pueden ofrecer a una persona para un ordenador solo representaban píxeles que almacenan un nivel de luz o color.

El análisis que cualquiera de nosotros realizamos de forma natural cuando vemos algo ha estado vedado a los ordenadores. Afortunadamente, estas capacidades, antes relegadas exclusivamente al ámbito humano, comienzan a ser automatizadas gracias a la aplicación de las técnicas de visión artificial.

El objetivo de la visión artificial es interpretar las imágenes con el fin de extraer información de utilidad, por ejemplo, saber si delante de una cámara hay alguien conocido o un lugar de interés. Dicha información servirá para conseguir un fin, que en los ejemplos anteriores podría ser dar acceso a una aplicación (en vez de usar una clave) o proporcionar información turística relevante del sitio donde se encuentre. Ambos ejemplos son tan solo una muestra de los muchos campos en los que su empleo está ganando terreno. Y es más, con alguno de ellos experimentará a lo largo de las páginas de este libro:

• Seguridad. Como se acaba de comentar, la visión artificial puede utilizarse para desbloquear una aplicación, pero pronto comprobará que también permite el desarrollo de alarmas inteligentes que no se disparen cuando el movimiento detectado sea el de su mascota paseándose por la casa.

• Industria. Al comparar las imágenes de objetos manufacturados con las de otros utilizados como modelo, podrían automatizarse procesos de control de calidad. Aplicando estas mismas técnicas, realizará un programa de carácter más lúdico que podría ayudarle a solucionar pasatiempos, como el de las siete diferencias, que a veces tanto cuesta resolver.

• Comercio. Saber cómo quedaría un mueble en su sala de estar o el aspecto que tendría esta con las paredes pintadas de un determinado color son facilidades que pueden hacer que un cliente se decida a comprar un producto concreto. Dentro de esta área, se aborda la implementación de una aplicación orientada al negocio textil, en concreto, de venta de sombreros.

• Educación. Cada vez son más las aplicaciones de este tipo utilizadas como apoyo a la formación. A modo de ejemplo, se desarrolla un programa que podría emplearse para enseñar las principales figuras geométricas a los más pequeños, ya que es capaz de identificar las situadas delante de una cámara.

Por supuesto, la visión artificial puede aplicarse a muchos más campos, como la clasificación y búsqueda de imágenes, la conducción autónoma, la medicina, la agricultura, el turismo, los videojuegos, etc. Tratar de enumerarlos todos daría como resultado una extensa lista que quedaría rápidamente obsoleta, ya que va creciendo de día en día.

Para alcanzar el propósito perseguido en cada una de dichas áreas, esta disciplina se apoya, tal como se indicó al principio del capítulo, en tres pilares que permiten adquirir, procesar y analizar imágenes procedentes del mundo real. Veamos en qué consiste cada uno de ellos.

Mediante la adquisición de imágenes, el mundo analógico de luces y sombras que nos rodea se traduce a datos binarios compuestos por ceros y unos. Es lo que habitualmente se hace con una cámara (ya integrada en el ordenador o conectada por USB).

El procesamiento usa diferentes algoritmos matemáticos que, ocultos por librerías, resaltan determinadas características de las imágenes, preparándolas de esta forma al tipo de algoritmos de análisis que se lleve a cabo posteriormente. Operaciones como el recorte o el escalado de imágenes, el cambio de espacio de color o la aplicación de filtros permiten centrar la atención en los objetos relevantes, al facilitar la detección de sus bordes, esquinas, contornos o cualquier otro rasgo que los defina.

El análisis de las imágenes va un paso más allá del procesamiento. Basado también en algoritmos matemáticos (utilizados, de nuevo, a través de librerías que oculten su complejidad), partirá de los resultados del paso anterior para realizar un reconocimiento de objetos, su clasificación, identificación y seguimiento en la escena, por poner algún ejemplo.

En este libro aprenderá a usar la librería OpenCV para realizar estos procesos, y se ocultará la complejidad matemática de los algoritmos en los que se basa cada uno de ellos. Eso le permitirá desarrollar, de forma sencilla y práctica, aplicaciones de visión artificial en tiempo real.

Adéntrese en este fascinante mundo con Pyhton de la mano de OpenCV.

1.2 OPENCV

OpenCV (Open Source Computer Vision Library) es una librería orientada al procesamiento y análisis de imágenes. Desarrollada inicialmente por Intel en 1999, ha ido ganando popularidad rápidamente, siendo hoy en día una de las más empleadas en el desarrollo de aplicaciones de visión artificial.

OpenCV (https://docs.opencv.org/) es muy utilizada en grupos de investigación, organismos gubernamentales y empresas como Google, Yahoo, Microsoft, Intel, IBM, Sony, Honda y Toyota. Sus ámbitos de aplicación son muchos, y entre ellos destacan:

• Reconocimiento facial

• Identificación de objetos o personas

• Inspección y vigilancia

• Juegos y controles

• Recuento de objetos

• Análisis de imágenes médicas

• Robótica

• Realidad aumentada

En 2008, Willow Garage se hizo cargo del soporte de OpenCV 2.3.1, por lo que a partir de dicha versión viene con una interfaz de programación C++, Java y Python. Además, está disponible en diferentes plataformas, incluidas Windows, Linux, Mac OS X y Android. Este libro se centrará en OpenCV-Python, que combina las mejores cualidades del API (application programming interface, interfaz de programación de aplicaciones) de OpenCV y el lenguaje Python.

Además de ser multiplataforma y multilenguaje, es destacable el hecho de que OpenCV sea un producto con licencia BSD (Berkeley Software Distribution), con menos restricciones que otras como GPL (General Public License, Licencia Pública General de GNU), ya que permite incluso el uso de su código fuente en software comercial.

1.3 PYTHON

Como se acaba de comentar, OpenCV está disponible en los principales lenguajes de programación. De todos ellos, utilizará Python, quizás el empleado por un mayor número de programadores en el mundo. Los motivos de la enorme aceptación de este lenguaje seguramente estén en su sencillez de aprendizaje y facilidad de uso.

No solo permite el clásico modo de programación imperativo, sino que también admite una programación orientada a objetos, con lo que se abre al uso de infinidad de librerías que, como OpenCV, están basadas en este paradigma.

Su entorno multiplataforma hace que se pueda trabajar con él, independientemente de si dispone de un ordenador con Windows, Mac o Linux (incluso Raspberry). Como requisito adicional, necesitará disponer de una webcam, que podrá ser la integrada en el propio ordenador o cualquier otra conectada vía USB.

La versión de Python utilizada será la 3.x (a fecha de publicación del libro es la 3.7). No tiene sentido utilizar Python2 cuando fue oficialmente descontinuado el 1 de enero de 2020.

¿Todavía no conoce Python? Al final del libro dispone de un amplio anexo que representa en sí mismo un curso de iniciación a este lenguaje. En primer lugar, aprenderá cómo se instala y utiliza su entorno de desarrollo. Haciendo uso de él, practicará con los tipos de datos básicos, los operadores y las estructuras de datos o de control imprescindibles del lenguaje. La orientación a objetos tendrá un tratamiento especial, así como el desarrollo de funciones o el uso de módulos (librerías). Se explica todo lo necesario (incluso más) para que pueda entender el código de las múltiples prácticas con las que se demuestran los conceptos de visión artificial introducidos en cada capítulo de la mano de OpenCV. El objetivo final es que, inspirándose en estos programas de prueba, usted pueda desarrollar sus propios proyectos. Los límites que pueda llegar a alcanzar estarán en su imaginación.

Unidad 2

INSTALACIÓN DE OPENCV

Puesto que va a trabajar con la librería OpenCV para Python, deberá tener instalado el entorno de desarrollo de este lenguaje en su ordenador. Si no fuera así, en el anexo final se indica c...