2005 libras gabardo

Centro Universitrio Positivo - UnicenP Ncleo de Cincias Exatas e Tecnolgicas NCET

Engenharia da Computao Tiago Machado Gabardo

Reconhecimento Computacional da Lngua Brasileira de Sinais

Curitiba 2005

Centro Universitrio Positivo - UnicenP Ncleo de Cincias Exatas e Tecnolgicas NCET

Engenharia da Computao Tiago Machado Gabardo


Monografia apresentada disciplina de Projeto Final, como requisito parcial concluso do Curso de Engenharia da Computao. Orientador: Prof. Jos Carlos da Cunha.

Curitiba 2005

TERMO DE APROVAO

Tiago Machado Gabardo


Monografia aprovada como requisito parcial concluso do curso de Engenharia

da Computao do Centro Universitrio Positivo, pela seguinte banca examinadora:

Prof. Jos Carlos da Cunha

Prof. Edson Pedro Ferlin

Prof. Valfredo Pilla Jr.

Curitiba, 01 de janeiro de 2006.

AGRADECIMENTOS

Este trabalho no seria possvel sem a ajuda direta ou indireta de algumas

pessoas a quem sinto a obrigao de agradecer.

Aos amigos do laboratrio Alto Desempenho que muito contriburam para a

elevao do meu conhecimento tcnico durante a execuo dos projetos.

Aos meus amigos, especialmente Gilberto e Rafael, por terem entendido a minha

ausncia devido a este trabalho e a compromissos da graduao. Tambm pelos

momentos de alegria e descontrao que serviram como um apoio para mim.

Ao meu orientador e amigo, professor Cunha, por ter dado a idia e confiado este

projeto a mim. Tambm pela confiana na execuo do mesmo e, por todas as

oportunidades de crescimento pessoal e profissional que me proporcionou com a

sugesto de projetos durante o curso.

Para minha irm, Renata, que sempre ficou feliz pelas minha conquistas.

Para minha av Rosa e tias Doroti, Tereza e Nelsi que tiveram um papel

fundamental na minha infncia. Especialmente s minhas tias Nelvi e Cida, por terem,

desde a minha infncia, participado ativamente da minha educao e vida escolar.

Tambm por me acolherem em Curitiba. Obrigado pela constante prontido em ajudar

e por me tratarem como um verdadeiro filho.

Aos meus pais, Renato e Lidia, por nunca terem medido esforos para me

oferecer uma vida melhor e mais rica em oportunidades do que a que tiveram.

Obrigado por terem me ensinado o valor do esforo em tudo que fao e por nunca

terem permitido que eu desistisse de algo por causa das dificuldades encontradas. No

consigo expressar a minha admirao e gratido por todo o esforo que vocs tiveram

durante a minha educao e por terem devotado a mim grande parte de suas vidas

sem almejar nenhum retorno. No conseguimos definir o amor em palavras, mas tenho

certeza que dele faz parte essa doao incondicional.

Finalmente, agradeo a Deus por ter me oferecido oportunidades que somente

pessoas privilegiadas tm. Entre elas, a chance de receber uma educao de primeira

linha e de nascer em meio a pessoas to maravilhosas como as citadas acima.

i

SUMRIO

LISTA DE FIGURAS ....................................................................................................................III

LISTA DE TABELAS...................................................................................................................IV

LISTA DE EQUAES .............................................................................................................. V

LISTA DE SIGLAS.......................................................................................................................VI

LISTA DE SIGLAS.......................................................................................................................VI

LISTA DE SMBOLOS ...............................................................................................................VII

RESUMO ....................................................................................................................................VIII

ABSTRACT...................................................................................................................................IX

1 INTRODUO......................................................................................................................1

2 DESCRIO DO PROJETO..............................................................................................2

3 REVISO BIBLIOGRFICA ...............................................................................................2

3.1 LNGUAS DE SINAIS ..................................................................................................2 3.2 RECONHECIMENTO COMPUTACIONAL DE GESTOS ......................................3 3.3 MEDIDAS DE TENDNCIA CENTRAL....................................................................4 3.4 MEDIDAS DE VARIAO..........................................................................................5 3.5 DISTRIBUIO NORMAL ..........................................................................................5 3.6 TEOREMA CENTRAL DO L IMITE ............................................................................5 3.7 ACELERMETROS TEORIA DE OPERAO...................................................6 3.8 SENSORES DE CURVATURA ..................................................................................7

4 ESPECIFICAO TCNICA..............................................................................................8

4.1 ESPECIFICAO DO HARDWARE.........................................................................8 4.1.1 Acelermetro ADXL203 ...................................................................................8 4.1.2 Sensor de Curvatura Flex Sensor ................................................................10 4.1.3 Microcontrolador.................................................................................................11 4.1.4 Transmisso de dados ......................................................................................12 4.1.5 Instalao dos sensores na luva......................................................................12

4.2 ESPECIFICAO DO SOFTWARE........................................................................13

5 VALIDAO DO PROJETO.............................................................................................15

6 CRONOGRAMA DO PROJETO ......................................................................................16

7 ESTUDO DE VIABILIDADE ECONMICA....................................................................18

8 PROJETO DE HARDWARE.............................................................................................19

8.1 SENSORES DE CURVATURA ................................................................................19 8.2 ACELERMETRO .....................................................................................................19 8.3 BUFFER DE TENSO...............................................................................................20 8.4 MICROCONTROLADOR ..........................................................................................20 8.5 TRANSMISSO SERIAL ..........................................................................................20 8.6 TRANSMISSO USB ................................................................................................20 8.7 BUFFER DE COMUNICAO.................................................................................21 8.8 CIRCUITO DE ALIMENTAO...............................................................................21 8.9 SINAIS DE CONEXO..............................................................................................21

ii

9 PROJETO DE SOFTWARE..............................................................................................23

9.1 FIRMWARE .................................................................................................................23 9.1.1 Fluxograma..........................................................................................................23 9.1.2 Diagrama de Estados ........................................................................................24

9.2 SOFTWARE DE CADASTRO ..................................................................................25 9.3 SOFTWARE DE ANLISE........................................................................................25

9.3.1 Anlise Estatstica ..............................................................................................25 9.4 DIAGRAMAS DE CASOS DE USO.........................................................................27 9.5 DIAGRAMA DE CLASSES .......................................................................................27 9.6 DIAGRAMAS DE SEQNCIA DO SOFTWARE DE CADASTRO...................30 9.7 DIAGRAMAS DE SEQNCIA DO SOFTWARE DE RECONHECIMENTO ..34 9.8 MODELO ENTIDADE RELACIONAMENTO .........................................................36 9.9 DICIONRIO DE DADOS.........................................................................................36 9.10 PROTTIPOS DE TELA...........................................................................................37

10 RESULTADOS................................................................................................................37

11 CONCLUSO..................................................................................................................40

12 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS............................................................................42

13 ANEXOS ..........................................................................................................................43

13.1 A.1 DIAGRAMA ESQUEMTICO DOS SENSORES E INTERFACEAMENTO 44 13.2 A.2 DIAGRAMA ESQUEMTICO DA INTERFACE DE COMUNICAO.......45 13.3 A.3 DIAGRAMA ESQUEMTICO DO MICROCONTROLADOR .......................46 13.4 A.4 PROJETO DA PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO CAMADA TOP........47 13.5 A. 5 PROJETO DA PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO CAMADA BOTTOM 48 13.6 A.6 MANUAL TCNICO............................................................................................49 13.7 A.7 MANUAL DO USURIO.....................................................................................67 13.8 A.8 ARTIGO CIENTFICO.........................................................................................84 13.9 A.9 FOTO 1 DO PROTTIPO DA LUVA ...............................................................90 13.10 A.10 FOTO 2 DO PROTTIPO DA LUVA.........................................................91

14 GLOSSRIO ...................................................................................................................92

iii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Viso geral do sistema ..............................................................................................2

Figura 2 - Sistema massa-mola .................................................................................................7

Figura 3 - Alfabeto da LIBRAS...................................................................................................8

Figura 4 - Circuito interno do ADXL203....................................................................................9

Figura 5 - Encapsulamento do acelermetro .........................................................................10

Figura 6 - Dimenses do Flex Sensor.....................................................................................11

Figura 7 - Microcontrolador MSC1211Y5 ...............................................................................12

Figura 8 - Sensores posicionados no dorso da luva .............................................................13

Figura 9 Diagrama em blocos do software .........................................................................14

Figura 10 - Fluxograma do Firmware ......................................................................................24

Figura 11 - Diagrama de estados do Firmware .....................................................................24

Figura 12 - Grfico de Distribuio dos Valores do Polegar para a Letra A .....................26

Figura 13 - Diagrama de Casos de Uso do Software de Cadastro ....................................27

Figura 14 - Diagrama de Casos de Uso do Software de Reconhecimento ......................27

Figura 15 - Diagrama de Classes do Software de Cadastro...............................................28

Figura 16 - Diagrama de Classes do Software de Reconhecimento .................................29

Figura 17 - Seqncia de Incio do Software de Cadastro ..................................................30

Figura 18 - Seqncia de Incluso Software de Cadastro ..................................................31

Figura 19 - Seqncia de Alterao Software de Cadastro ................................................32

Figura 20 - Sequncia de Excluso Software de Cadastro.................................................33

Figura 21 - Seqncia de Exibio dos Sensores Software de Reconhecimento...........34

Figura 22 - Seqncia Anlise dos Dados Software de Reconhecimento .......................35

Figura 23 - MER..........................................................................................................................36

Figura 24 Tela de Cadastro ...................................................................................................37

Figura 25 - Tela Principal ..........................................................................................................37

iv

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Estudo de Viabilidade Econmica ........................................................................18

Tabela 2 - Sinais do Anexo A.1 (Sensores e Interfaceamento).........................................22

Tabela 3 - Sinais do Anexo A.2 (Transmisso de dados) ...................................................22

Tabela 4 - Sinais do Anexo A.3 (Microncontrolador) ............................................................22

Tabela 5 - Dicionrio de Dados................................................................................................36

Tabela 6 - Resultados do Reconhecimento ...........................................................................39

v

LISTA DE EQUAES

Equao 1 - Mdia Aritmtica ....................................................................................................4

Equao 2 - Desvio Padro ........................................................................................................5

Equao 3 - Equao de Hooke ................................................................................................6

Equao 4 - Segunda Lei de Newton .......................................................................................6

Equao 5 - Relao das equaes de Hooke e Newton.....................................................6

vi

LISTA DE SIGLAS

ADC - Analog Digital Converter. AC - Corrente Alternada. DC - Corrente Contnua. IBGE - Instituto Brasileiro de Geografia e Estatstica. LIBRAS - Lngua Brasileira de Sinais. MEMS - Micro Electro Mechanical System. RAM - Random Access Memory. USB - Universal Serial Bus.

vii

LISTA DE SMBOLOS

B - Bytes. g - Fora da gravidade. Hz - Hertz. K - Kilo. - Micro. n - Nano. O - Ohm. V - Volts. M - Mega.

viii

RESUMO

Este trabalho descreve o desenvolvimento de um equipamento composto por

uma luva equipada com sensores, interligada a um microcomputador do tipo PC, onde

executado um programa de reconhecimento da posio da mo do usurio. Este

software especializado no reconhecimento do alfabeto da Lngua Brasileira de Sinais

e pode ser usado como auxlio no aprendizado da LIBRAS e do Portugus por

deficientes auditivos, bem como por no deficientes que queiram aprender este idioma

de sinais.

A leitura da posio da mo feita com dois tipos de sensores: sensores de

curvatura e movimento. Os dados destes sensores so transformados para forma

digital e enviados para o computador atravs de um microcontrolador. Para anlise dos

dados no PC so usadas ferramentas estatsticas.

Com este mtodo, conseguiu-se um reconhecimento correto de 85% de todo

o banco de dados.

ix

ABSTRACT

This document shows the development of an equipment composed by a

glove equipped with sensors, that is connected to a computer where a software will

recognize the users position hand. This software is specialized in recognizing the

Brazilian Sign Languages alphabet and could be used to help teaching the Brazilian

Sign Language and Portuguese to deaf people, and others that are interested in this

sign language.

The hands position is measured using two types of sensors: movement and

bend sensors. The data of the sensors are passed to digital form and sent to computer

by a microcontroler. Statistics tools are used to analise these data in the computer.

Using this method, it was reached 85% of correct recognition considering the

whole data bank.

1

1 INTRODUO

Segundo dados do IBGE [1], aproximadamente 3,37% (5.7350.99 pessoas)

da populao brasileira composta por pessoas portadoras de algum tipo de

deficincia auditiva. Como pertencem a um grupo relativamente pequeno da

populao, a maioria dos deficientes auditivos se encontra margem da sociedade. Os

problemas de comunicao causados pela deficincia auditiva dificultam seriamente a

socializao do indivduo, j que a comunicao um fator importantssimo em reas

que demandam alto grau de interao social como, por exemplo, educao e mercado

de trabalho.

Nas escolas e centros especializados na educao de portadores de

necessidades especiais, so usados mtodos pedaggicos especficos para pessoas

surdas com o objetivo de fazer com que desenvolvam ao mximo sua capacidade de

comunicao. Um dos grandes diferenciais no processo educacional dos surdos o

aprendizado da LIBRAS (Lngua Brasileira de Sinais), um idioma que faz a

representao de letras, palavras e expresses complexas atravs de sinais corpreos.

Os sinais geralmente englobam expresses faciais e gestos com braos e mos.

possvel que um surdo desenvolva a habilidade para se comunicar atravs

da fala, mas h consenso entre os especialistas [2] de que o aprendizado de LIBRAS

uma forma mais natural de comunicao de uma pessoa deficiente auditiva, que ajuda

a desenvolver a habilidade espacial do crebro sendo possvel estabelecer uma

relao direta entre o mundo real e sua representao na linguagem de smbolos, o

que no ocorre com a fala, j que no existe o feedback auditivo.

Outra grande dificuldade lingstica que as pessoas surdas apresentam em

relao ao aprendizado do portugus escrito. Pensa-se, freqentemente, que uma

pessoa surda, por no apresentar nenhum problema relacionado viso, no possui

dificuldade alguma em produzir ou compreender um texto escrito. Entretanto fato

conhecido que nas instituies educacionais brasileiras, as dificuldades dos alunos

surdos na aquisio da escrita enorme, sendo a Lngua Portuguesa um desafio para

eles e seus professores.

No caso do surdo brasileiro, o problema que se coloca o seguinte: pelo fato

de ser surdo, ele no adquire a lngua oral, ou seja, o portugus falado de forma

espontnea e, assim, seu desempenho nessa modalidade da lngua portuguesa , em

geral, extremamente precrio. Como as metodologias de ensino e aprendizagem da

2

escrita no Brasil fazem apelo, na maioria dos casos, ao aspecto fnico do idioma

para ensinar as letras do alfabeto grfico e, as palavras geralmente so apresentadas

descontextualizadas e sem nfase no significado, o desempenho do surdo em

portugus escrito, que poderia ser excelente, acaba sendo precrio ou quase nulo [2].

Argumenta-se que o portugus escrito pode ser plenamente adquirido pelo

surdo se a metodologia recorrer, principalmente, a estratgias visuais, essencialmente

LIBRAS, no se enfatizando a relao letra-som, e se essas estratgias forem

similares quelas utilizadas no ensino do segundo idioma ou lngua estrangeira.

Com base nos argumentos apresentados acima e aliados ao fato de que a

LIBRAS fornece todo o aparato lingstico-cognitivo necessrio utilizao de

estratgias de interpretao e produo de textos escritos, prope-se com este projeto,

desenvolver um tipo de interface homem-mquina constituda por uma luva sensoreada

e um software inteligente (operado em um computador) capazes de reconhecer as

letras do alfabeto da LIBRAS feitos por um usurio. Espera-se que este sistema possa

auxiliar deficientes auditivos na aprendizagem da lngua portuguesa escrita e, tambm,

pessoas ouvintes no aprendizado de LIBRAS. Futuramente, caso o projeto se mostre

vivel, existe a possibilidade de incrementar o hardware e software do projeto para que

seja possvel o reconhecimento de gestos mais complexos que representem palavras e

expresses da Lngua Brasileira de Sinais.

3

2 DESCRIO DO PROJETO

A meta do projeto produzir uma luva equipada com sensores resistivos de

curvatura e acelermetros, para que seja possvel mapear a posio da mo de um

usurio e enviar estes dados para um software que capaz de reconhecer os dados

como sinais do alfabeto da LIBRAS. Os parmetros avaliados so a curvatura dos

dedos e sua relao entre si, bem como a posio da mo do usurio em relao ao

solo. Os sensores so instalados na luva com ajuda de velcros costurados na mesma e

nos sensores.

Os sensores so lidos por um microcontrolador e estes dados enviados ao

computador para que seja possvel a anlise dos mesmos. No computador, podem ser

aplicados mtodos estatsticos e/ou de inteligncia artificial para identificao da

posio relativa dos dedos e da mo e, conseqentemente, o reconhecimento de um

possvel sinal do alfabeto da LIBRAS. At o presente momento somente mtodos

estatsticos so usados para reconhecimento.

Pode-se ter uma viso geral do sistema na figura 1.

Figura 1 - Viso geral do sistema

4

3 REVISO BIBLIOGRFICA

3.1 Lnguas de Sinais

As lnguas de sinais apresentam-se numa modalidade diferente das lnguas

orais-auditivas; so lnguas espao-visuais, ou seja, a realizao dessas lnguas no

estabelecida atravs do canal oral-auditivo, mas atravs da viso e da utilizao do

espao. A diferena na modalidade determina o uso de mecanismos sintticos

especficos diferentes dos utilizados nas lnguas orais. As lnguas de sinais so

sistemas lingsticos independentes dos sistemas das lnguas orais e no so

universais.

Pesquisas sobre idiomas de sinais vm mostrando que estes so

comparveis em complexidade e expressividade a quaisquer idiomas orais. Estas

lnguas expressam idias sutis, complexas e abstratas, permitindo que seus usurios

discutam sobre diversos assuntos como filosofia, literatura ou poltica, alm de

esportes, trabalho, moda e a utilizem com funes estticas para fazer poesias,

estrias, teatro e humor [3].

As lnguas de sinais so naturais porque, assim como as lnguas orais,

surgiram espontaneamente da interao entre pessoas e porque devido sua estrutura

permitem a expresso de qualquer conceito - descritivo, emotivo, racional, literal,

metafrico, concreto, abstrato - enfim, permitem a expresso de qualquer significado

decorrente da necessidade comunicativa e expressiva do ser humano.

Por isso so complexas, porque so dotadas de todos os mecanismos

necessrios aos objetivos mencionados, porm, econmicas e lgicas porque servem

para atingir todos esses objetivos de forma rpida e eficiente e at certo ponto de forma

automtica. Isto porque, tratando-se muitas vezes de significados que demandam

operaes complexas que devem ser transmitidas prontamente diante de diferentes

situaes e contextos, seus usurios tero que utilizar os mecanismos estruturais que

elas oferecem de forma apropriada sem ter que pensar e elaborar longamente sobre

como atingir seus objetivos lingsticos.

Como as lnguas de sinais utilizam-se de um meio ou canal visual-espacial e

no oral auditivo, muitas vezes apresentam formas icnicas, isto , formas lingsticas

5

que tentam copiar o referente real em suas caractersticas visuais. Esta iconicidade

mais evidente nas estruturas das lnguas de sinais do que nas orais deve-se ao fato de

que o espao parece ser mais concreto e palpvel do que o tempo, dimenso utilizada

pelas lnguas orais-auditivas quando constituem suas estruturas atravs de seqncias

sonoras que basicamente se transmitem temporalmente.

A LIBRAS natural e dinmica como as lnguas orais-auditivas,

apresentando regras finitas que podem ser usadas para criar um nmero infinito de

expresses e smbolos, de acordo com a necessidade de seus usurios. Considera-se

que a LIBRAS ou deve ser a lngua materna dos surdos no porque a lngua natural

dos surdos, mas sim porque, tendo os surdos bloqueios para a aquisio espontnea

de qualquer lngua natural oral, eles sim que s vo ter acesso a uma lngua materna

que no seja veiculada atravs do canal oral-auditivo.

A LIBRAS a lngua que possibilita aos surdos o desenvolvimento de toda

capacidade lingstica nata de todo o ser humano [3].

3.2 Reconhecimento Computacional de gestos

Desde o surgimento dos primeiros computadores, existe um esforo para

tornar a comunicao homem-mquina cada vez mais natural para os usurios destes

equipamentos. Em todo histrico da Computao, buscou-se facilitar a operao dos

computadores por meio de ferramentas implementadas em software e hardware, de

forma a aumentar a produtividade do uso do computador. Assim, o objetivo principal

que o usurio possa extrair a mxima capacidade do equipamento, preocupando-se o

mnimo com detalhes tcnicos.

Evolues nesta rea da computao mostram-se desafiadoras porque

geralmente demandam que novas formas de interao sejam fceis de ser assimiladas

pelo usurio final e, ao mesmo tempo, mantenham toda a flexibilidade de

funcionamento da mquina. Estes objetivos contrastantes geralmente fazem surgir

solues que exigem processamentos complexos, como por exemplo, o

reconhecimento de imagens.

Na maior parte das pesquisas relacionadas a este fim, procura-se fazer o

reconhecimento do comportamento corporal do usurio. Como exemplo, podemos citar

sistemas que utilizam reconhecimento de imagens, reconhecimento de voz e posies

6

ou movimentos de partes do corpo humano. As reas mais vistosas para

aplicaes destas tcnicas so a Realidade Virtual e Realidade Aumentada, porm, o

campo de aplicaes muito mais amplo.

Como a maioria destas novas interfaces procuram fazer uma anlise do

comportamento do usurio em relao ao espao e/ou tempo, surge a idia e fazer o

reconhecimento computacional de gestos predeterminados. Desta forma, os idiomas de

sinais servem bem a esta abordagem porque so idiomas completos, com regras

muitas vezes complexas, porm, bem determinadas. Vrias pesquisas que visam o

reconhecimento de linguagens de sinais j foram desenvolvidas e outras esto em

andamento. A maioria delas usa como ferramenta o reconhecimento de imagens;

outras usam algum tipo de equipamento ligado ao corpo do usurio. Logicamente, do

ponto de vista do usurio, o reconhecimento de gestos atravs de imagens prefervel

porque implica em um grau de liberdade muito maior aos movimentos corpreos.

Porm, este tipo de tcnica demanda um processamento computacional altamente

complexo porque deve extrair vrias imagens em um pequeno intervalo de tempo e

tambm lidar com variaes nas posies do corpo do usurio [4]. Outras tcnicas

fazem uso de uma luva equipada com diversos sensores [5][6] para mapear a posio

da mo. Neste caso, o desafio produzir uma luva que possa fornecer o maior nmero

possvel de informaes sobre o posicionamento da mo, comprometendo

minimamente a liberdade do usurio.

Para o reconhecimento de gestos ou linguagens de sinais tambm

necessrio um software capaz de obter as informaes do hardware (cmeras e

sensores) e decidir se os dados representam um sinal vlido e qual sinal eles

representam. Para isso, so usadas tcnicas estatsticas e de inteligncia artificial

como redes neurais. Outro componente fundamental para uma anlise consistente dos

dados um banco de dados com informaes sobre os sinais que sero avaliados e

que seja estatisticamente vlido. No caso especfico da LIBRAS, existem esforos para

confeco de um banco de dados padro para este fim [9]. importante observar que

a construo de tal base de dados uma tarefa complicada j que apresenta um

volume de dados grande devido s variaes entre sinais executados por pessoas

diferentes.

O campo de pesquisas na rea da interface homem-mquina oferece

grandes desafios e, ao mesmo tempo, um campo de aplicaes enorme que vai desde

a operao remota de um dispositivo eletrnico at a aplicaes em Engenharia da

Reabilitao e Lingstica, por exemplo.

7

3.3 Medidas de Tendncia Central

A maioria dos conjuntos de dados apresenta uma diferente tendncia de se

agrupar ou concentrar em torno de um ponto central (ou meio do conjunto). Assim

sendo, para um conjunto de dados, em particular, geralmente se torna possvel

selecionar um valor tpico ou representativo para descrever todo o conjunto. Tal valor

descritivo uma medida de localizao ou tendncia central. H diferentes definies

de medidas de tendncia central como, por exemplo, mdia, mediana, moda, ponto

mdio, etc [7].

A medida de tendncia central relevante para este trabalho a mdia

aritmtica (ou simplesmente mdia), que obtida somando-se todos os valores do

conjunto de dados e dividindo-se o total pelo nmero de itens envolvidos. Na

implementao do software de reconhecimento estatstico, a mdia desempenha uma

funo crucial juntamente com uma medida da variao dos dados.

A mdia obtida pela Equao 1, onde n o tamanho da amostra e xi a i-

sima observao da varivel aleatria X.

Equao 1 - Mdia Aritmtica

3.4 Medidas de Variao

As medidas de variao so de grande importncia para a estatstica porque

so ferramentas que fornecem meios para avaliao do comportamento dos dados. As

medidas de tendncia central do uma idia sobre o conjunto de dados, mas no so

capazes de fornecer informaes sobre como eles se distribuem. Usando-se alguma

medida de tendncia central em conjunto com uma medida de variao pode-se extrair

este tipo de informao [8].

8

A medida de variao mais importante o Desvio Padro que avalia

como os dados flutuam em torno da mdia. uma medida de variao dos valores em

relao mdia. Assim, nmeros relativamente prximos uns dos outros tm baixo

desvio padro, enquanto nmeros mais dispersos tm maior valor de desvio padro.

O desvio padro ? pode ser calculado pela Equao 2, onde n o tamanho

da amostra, x o valor do dado corrente e X a mdia [7].

Equao 2 - Desvio Padro

3.5 Distribuio Normal

A distribuio normal especialmente importante na estatstica porque

inmeros fenmenos podem ser aproximados por meio dela e tambm porque oferece

base para a inferncia estatstica e processos de deciso que usam o teorema central

do limite [8]. A distribuio normal possui vrias propriedades importantes: apresenta

grfico em forma de sino, suas medidas de tendncia central so todas idnticas e sua

disperso mdia igual a 1,33 desvio padro [7].

Muitos conjuntos de dados apresentam uma distribuio normal ou, pelo

menos, podem ter seus valores aproximados por uma distribuio normal. Assim,

usando os conceitos de mdia e desvio padro em uma distribuio normal, pode-se

criar um sistema de deciso que leve em conta a probabilidade de um determinado

dado pertencer a um conjunto especfico de valores.

Como esta uma distribuio muito usada, foram criados tabelas e mtodos

para facilitar o clculo de probabilidade.

9

3.6 Teorema Central do Limite

O teorema central do limite outro tpico importantssimo no estudo da

estatstica. Este teorema explica que medida que o tamanho de uma amostra de

dados aumenta, a distribuio amostral das mdias amostrais tende para uma

distribuio normal. Em outras palavras, se extramos amostras de mesmo tamanho da

mesma populao, calculamos suas mdias e construmos um histograma dessas

mdias, esse histograma tende para a forma de um sino de uma distribuio normal e a

mdia das mdias amostrais ser a mdia populacional. E isto verdade

independentemente da forma de distribuio da populao original [7].

3.7 Acelermetros Teoria de Operao.

Um acelermetro um transdutor que converte uma acelerao aplicada

sobre ele em uma grandeza eltrica.

O princpio bsico de funcionamento dos acelermetros a lei de Hooke, que

diz que o deslocamento de uma mola proporcional fora aplicada na mesma.

Podemos formalizar esta definio usando a equao de Hooke, onde L o

deslocamento e K uma constante inerente mola (Equao 3).

Equao 3 - Equao de Hooke

Outro princpio fsico envolvido a Segunda Lei de Newton, que relaciona

fora com massa e acelerao atravs da Equao 4.

Equao 4 - Segunda Lei de Newton

10

Igualando as equaes 1 e 2 obtm-se a Equao 5.

Equao 5 - Relao das equaes de Hooke e Newton

Desta maneira, o problema de medir a acelerao, torna-se um problema de

medir o deslocamento de uma massa conhecida.

Os acelermetros existentes no mercado fazem uso de um sistema de

massa e mola diminuto fabricado com a tecnologia de micromquinas de superfcie

(ou MEMS - Micro Electro Mechanical System). Esta tecnologia permite a fabricao de

dispositivos eletromecnicos de dimenses microscpicas [10]. A figura 2 exemplifica o

princpio de funcionamento do acelermetro. Nela pode-se identificar a massa que

deve ser considerada nos clculos da acelerao e, as placas capacitivas fixas e

mvel.

Quando o dispositivo sujeito acelerao, a distncia entre as placas

capacitivas muda. Como a massa do brao mvel conhecida, o deslocamento pode

ser medido verificando-se a capacitncia entre as placas. Como mostrado na equao

5, conhecendo-se o deslocamento do brao mvel, possvel calcular a acelerao

sofrida.

Existem acelermetros de diversos tamanhos e diversas faixas de fora e

acelerao. Para uma noo mais intuitiva de acelerao, os fabricantes especificam a

faixa de operao e resistncia de seus acelermetros em g (fora da gravidade

terrestre - aproximadamente 9,8 m/s2).

Figura 2 - Sistema massa -mola

11

3.8 Sensores de curvatura

Sensores de curvatura so sensores especializados na mensurao do

ngulo de deslocamento de algum objeto em relao a outro. Existem vrios tipos de

sensores de curvatura [6]: indutivos, mecnicos, pticos e resistivos. Sensores

resistivos podem usar como materiais principais, borrachas condutivas ou um tipo

especial de tinta condutiva. Estes sensores tm uma resistncia eltrica determinada

que se modifica linearmente (dentro de um limite especificado pelo fabricante)

conforme curvado.

Os sensores de curvatura mais comuns e baratos so os sensores resistivos

e por este motivo sero usados neste trabalho.

12

4 ESPECIFICAO TCNICA

O sistema proposto deve reconhecer as letras do alfabeto da LIBRAS e ter

um acerto de aproximadamente 70%. O reconhecimento abrange somente as letras de

a at z do alfabeto datilolgico mostradas na figura 3. O sistema no faz o

reconhecimento que qualquer outro caracter ou sinal.

4.1 Especificao do Hardware

O hardware envolvido no projeto composto principalmente por dois tipos de

sensores e um microcontrolador com conversor analgico digital embutido.

Os sensores utilizados incluem um acelermetro com dois eixos que ser

usado para anlise da inclinao da mo do usurio bem como seu movimento

horizontal e, um sensor resistivo que indica a curvatura de cada dedo da mo. O

microcontrolador usado para aquisio e envio dos dados provenientes dos sensores

para o computador.

Figura 3 - Alfabeto da LIBRAS

13

4.1.1 Acelermetro ADXL203

O acelermetro utilizado neste projeto foi o ADXL203 fabricado pela Analog

Devices [11]. As principais caractersticas deste dispositivo so listadas abaixo:

??Dois eixos de operao.

??Sensibilidade de 1V/g.

??Resoluo de 1mg.

??Freqncia de operao selecionvel por capacitor externo.

??Faixa de operao de 1,7g.

??Resposta um sinal analgico.

??Circuito interno de condicionamento do sinal.

??Encapsulamento de tamanho reduzido.

Um dos eixos do acelermetro usado para medir a posio da mo do

usurio da luva em relao ao solo e outro eixo para identifcar os padres de

movimento de algumas letras; portanto, a acelerao aplicada sobre ele ser a fora da

gravidade e a acelerao de movimentos da mo que no devero ser grandes. Isso

permite que um acelermetro com uma faixa de operao restrita (1,7g) seja usado.

O ADXL203 possui ainda um circuito interno para o condicionamento do sinal

proveniente das placas capacitivas mostradas na figura 4.

Figura 4 - Circuito interno do ADXL203

14

Analisando o circuito percebemos que as placas fixas so polarizadas

com ondas quadradas em antifase, de modo que a cada ciclo a corrente que percorre o

capacitor muda de sentido. A excitao tem freqncia de 100KHz e de grande

amplitude, o que resulta em baixa sensibilidade a rudo proveniente de dispositivos

eletrnicos.

Se a massa estiver centralizada, ambos os lados do capacitor diferencial tm

capacitncias iguais, e a tenso CA na massa zero. No entanto, se a massa no est

centralizada devido a uma acelerao, o capacitor diferencial torna-se desbalanceado.

A forma de onda da massa uma onda quadrada cuja amplitude proporcional ao

deslocamento e, portanto, acelerao. A fase da tenso da massa em relao

excitao determina a polaridade da acelerao.

A sada da massa conectada a um amplificador no inversor, que amplifica

o sinal de sada de 100KHz.

A sada demodulada em um demodulador sncrono que amostra a sada do

amplificador, uma vez que a tenso neste esteja estabilizada. Uma vez que o

demodulador sincronizado em fase com a excitao, a polaridade do sinal de sada

indica corretamente a polaridade da acelerao aplicada.

Este acelermetro possui tambm um pino de autoteste. Quando este pino

ativado, um sinal conhecido aplicado ao sensor, criando um campo eltrico que fora

um deslocamento do brao mvel. Isto gera um sinal conhecido na sada, que pode ser

monitorado permitindo verificar se o sinal na sada o esperado, testando desta forma

a integridade do acelermetro. A figura 5 apresenta as dimenses do acelermetro

utilizado (em milmetros).

Figura 5 - Encapsulamento do acelermetro

15

4.1.2 Sensor de Curvatura Flex Sensor

Para mapear a posio dos dedos da mo, foram usados sensores de

curvatura fabricados com um tipo de tinta condutiva alocada sobre um substrato

flexvel. Eles foram instalados no dorso de cada dedo da mo.

Quando o sensor no est flexionado, apresenta uma resistncia de

aproximadamente 80K? . medida que se flexiona o sensor, a resistncia aumenta

para aproximadamente 300 K? em 180 de curvatura.

Este tipo de sensor produzido pela empresa Spectra Symbol [12] e seu

nome comercial Flex Sensor. Suas dimenses so explicitadas na figura 6.

Figura 6 - Dimenses do Flex Sensor

16

4.1.3 Microcontrolador

O microcontrolador o elemento responsvel pela aquisio e tratamento

dos dados provenientes dos sensores. Ele tambm faz a comunicao com o

computador atravs de uma interface serial.

Para que o microcontrolador possa manipular os dados dos sensores,

necessrio que estes estejam no formato digital. Para tanto, usado um conversor

analgico-digital.

Com vista na racionalizao do espao necessrio para montagem do

hardware, optou-se pela utilizao de um microcontrolador com conversor A/D

embutido. Este microcontrolador o MSC1211Y5 fabricado pela Texas Instruments

[13]. As principais caractersticas do dispositivo so listadas abaixo:

??Ncleo da famlia 8051.

??Memria flash de 32 KB interna ao chip.

??Memria flash configurvel entre memria de dados e programa.

??Conversor A/D com oito entradas multiplexadas.

??Conversor A/D de at 24 bits (limitados pela taxa de converso).

??Conversor A/D com calibrao automtica de offset e ganho.

??Buffer interno.

??Sensor de temperatura interno.

??Gerador de tenso de referncia interno com preciso de 2%.

??Porta serial padro RS232.

??Tenso de alimentao de 2,7V at 5,25V.

??Programao serial ou paralela.

Um diagrama em blocos da estrutura interna do MSC1211Y5 mostrado na figura 7.

17

Figura 7 - Microcontrolador MSC1211Y5

4.1.4 Transmisso de dados

A transmisso de dados do hardware para o microcomputador se d pela

interface serial ou USB, dependendo unicamente da seleo do usurio.

Para transmisses feitas pela porta USB usado o dispositivo TUSB3410

fabricado pela Texas Instruments que faz a converso de uma transmisso serial para

USB. O fabricante fornece junto com este dispositivo, um driver para ser instalado no

computador. Este driver permite que a porta USB, qual est ligado o TUSB3410, seja

tratada como um simples porta serial.

Com o uso deste componente, possvel disponibilizar uma interface USB

para o usurio, sem as complicaes de um tratamento especial por software e

hardware da interface USB.

4.1.5 Instalao dos sensores na luva

O primeiro prottipo da luva foi confeccionado de lycra para melhor

adaptao mo do usurio. Os sensores so anexados luva com velcros para que

seja possvel remov-los na lavagem da luva.

18

Um esquema do primeiro prottipo da luva mostrado na figura 8.

Figura 8 - Sensores posicionados no dorso da luva

4.2 Especificao do software

O software deste projeto est divido em duas partes: firmware e programa de

anlise. O firmware responsvel pela configurao do microcontrolador, operao do

conversor analgico digital e transmisso dos dados para o computador. O mesmo foi

desenvolvido em linguagem C usando o software ?Keil da empresa ?Vision [14]. (Para

carregar o cdigo do programa no microcontrolador ser usado o software TI

Downloader, fornecido gratuitamente pela Texas Instuments).

O software de anlise tem a funo de estabelecer a comunicao do

computador com o microcontrolador, usando a interface serial RS232 ou USB, manter

uma base de dados que contenha informaes sobre a lngua de sinais, analisar os

dados provenientes dos sensores e decidir se a configurao dos dedos da mo

representa algum sinal vlido do alfabeto de LIBRAS. O software foi escrito na

linguagem C++, com a ferramenta C++ Builder 6.0 da Borland. O banco de dados o

Paradox. A figura 9 um diagrama em alto nvel dos mdulos do software.

19

O uso do software simples. A interface com o usurio de forma

grfica no sendo necessrios conhecimentos tcnicos avanados para oper-lo. Um

usurio que saiba operar um computador no encontrar grandes problemas na

operao do software aps um pequeno treinamento ou leitura do manual do sistema.

Figura 9 Diagrama em blocos do software

20

5 VALIDAO DO PROJETO

O funcionamento do sistema foi avaliado em testes usando todos os valores

do banco de dados coletados dos usurios. Depois de implementada a classe de

reconhecimento e a gerao de relatrios todos os valores do banco de dados foram

processados na classe de reconhecimento e os resultados anotados para posterior

gerao do relatrio.

O relatrio exibe todas as entradas do banco de dados e o reconhecimento

feito pelo software para cada entrada. Como o banco de dados pode conter muitas

entradas, este esquema de representao pode se tornar insignificante. Por isso, no

final do arquivo mostrada uma representao percentual dos resultados. So exibidos

o resultado total de erros e os erros individuais para cada letra. Assim possvel

verificar o funcionamento do sistema como um todo e as letras crticas para o

reconhecimento, podendo-se verificar quais posies da mo o sistema tem mais

dificuldade para identificar.

21

6 CRONOGRAMA DO PROJETO

Dezembro/04:

?? Pesquisas sobre LIBRAS e componentes de hardware.

?? Levantamento do alfabeto de sinais.

?? Conversa com especialistas em LIBRAS.

Janeiro/05:

?? Estudos sobre o funcionamento do microcontrolador.

?? Estudo da arquitetura interna.

?? Estudo do processo de gravao.

?? Confeco da placa de circuito impresso.

?? Montagem do circuito em proto-board.

Fevereiro/05:

?? Desenvolvimento de cdigos de testes para o microcontrolador.

?? Desenvolvimento de cdigos para operao do conversor A/D.

?? Desenvolvimento de cdigos para operao da porta serial.

?? Programao de rotinas em C++ para leitura da porta serial do PC.

Maro/05:

?? Testes com os sensores de curvatura e projeto da disposio dos sensores na

luva.

?? Desenvolvimento de um protocolo para comunicao entre microcontrolador e o

microcomputador.

Abril/05:

?? Aquisio da luva, instalao dos sensores e interligao do microcontrolador

com os sensores e o PC.

Maio/05:

?? Estudos de tcnicas de software.

?? Estudar quais tcnicas de software se adequam melhor ao reconhecimento dos

dados.

Junho/05:

?? Projeto do software.

?? Levantamento de requisitos.

?? Diagramas.

22

?? Documentao geral do software.

Julho/05:

?? Incio da implementao do software e construo da base de dados.

Agosto/05:

?? Desenvolvimento do Software.

Setembro/05:

?? Realizao dos testes.

?? Levantamento estatstico dos resultados obtidos.

Outubro/05:

?? Documentao das concluses e resultados finais.

Novembro/05:

?? Elaborao do manual tcnico e do usurio.

?? Elaborao do artigo cientfico.

?? Reviso da monografia.

23

7 ESTUDO DE VIABILIDADE ECONMICA

Tabela 1 - Estudo de Viabilidade Econmica

Componentes Quantidade Preo Total (R$) *

MSC1211Y5 1 US$ 20,95 57,61

TLC084 2 US$ 1,05 5,77

ADXL203 1 US$ 12,00 33,00

Flex Sensor 7 US$ 10,00 192,50

Par de Luvas de Lycra 1 R$ 20,00 20,00

TUSB3410 1 US$ 2,50 6,87

Componentes eletrnicos (resistores,

capacitores, cristais, fios, solda, etc).

x R$ 30,00 30,00

Cabo USB 1 R$ 10,00 10,00

Cabo Serial 1 R$ 10,00 10,00

MAX232 1 US$ 0,50 1,37

UCC283-5 1 US$ 0,50 1,37

* Dlar cotado em R$ 2,75 368,49

Obs: No computado o custo da mo de obra.

24

8 PROJETO DE HARDWARE

O hardware envolvido no projeto tem a funo de transformar os movimentos

feitos pela mo de um usurio em sinais eltricos que possam ser tratados, convertidos

para sinais digitais e enviados ao computador para anlise do software.

Para um melhor entendimento do funcionamento desta parte do projeto,

divide-se a explicao do hardware em sensores, microcontrolador e transmisso de

dados. Os diagramas esquemticos completos de cada parte esto em anexo, bem

como a lista de componentes usados Anexo A.4. O Anexo A.1 mostras as conexes

dos sensores; o Anexo A.2, as ligaes do microcontrolador e a ltima folha, Anexo A.3

exibe as ligaes dos drivers de comunicao.

8.1 Sensores de Curvatura

Aps a instalao de todos os sensores de curvatura na luva, foram feitos

testes com cada um destes para levantar com preciso qual o valor de resistncia

mxima e mnima que apresentavam de acordo com a flexo a que eram submetidos.

Verificou-se que em repouso (curvatura de 0) os sensores tinham uma resistncia de

aproximadamente 80K? ; quando totalmente curvados (mo completamente fechada),

apresentavam uma resistncia por volta de 300K? .

A ligao dos sensores de curvatura foi feita por meio de um divisor de

tenso. Com esta configurao, os valores de tenso mnimos e mximos que atuaro

sobre os sensores de curvatura so de 1,023V e 2,5V, respectivamente. A variao de

tenso diretamente proporcional ao valor da resistncia do Flex Sensor.

8.2 Acelermetro

Os eixos do acelermetro apresentam internamente um resistor de 32K?

ligado a sua sada, permitindo que sejam implementados filtros passa baixa (com

valores de corte definido pelo projetista) apenas com a ligao de um capacitor

externo. Este filtro pode ser usado para limitar a banda de resposta do acelermetro.

25

Para o eixo que ser usado como inclinmetro a banda de resposta pode ser

reduzida porque a inteno medir a posio da mo e reconhecer se esta se

encontra na posio correta para execuo dos sinais. No caso especfico das letras da

LIBRAS, o movimento vertical da mo no usado com freqncia e no ser repetido

por mais de uma vez a cada segundo. Para o eixo horizontal Y, necessrio uma

resposta mais precisa e rpida j que movimentos neste eixo so de grande

importncia para o reconhecimento correto do sinal. Para algumas letras a

configurao da mo idntica, o nico parmetro variante o movimento horizontal, o

que justifica uma maior banda passante.

8.3 Buffer de Tenso

Para ligar os sensores com o conversor analgico digital do microcontrolador

foi usado um buffer de tenso feito com um amplificador operacional unipolar (TLC084).

Este buffer foi usado apenas para garantir que as entradas do conversor analgico

digital no interferissem nas medidas de tenso sobre os sensores. Os principais

parmetros observados na escolha do amplificador foram: resposta em freqncia (10

MHz), alimentao unipolar, resistncia de entrada (1 T? ), slew-rate (16 V/?s), corrente

eltrica mxima de sada (1,9 mA) e CMRR (110 dB).

8.4 Microcontrolador

No Anexo A.2, o esquema de ligao do microcontrolador MSC1211Y5

mostrado. Para cada pino de alimentao digital foi ligado um capacitor cermico de

100nF em paralelo com o pino. Estes capacitores foram usados para filtrar possveis

variaes na alimentao, o que poderia influenciar na execuo do firmware ou at

mesmo danificar o dispositivo.

Este microcontrolador possui dois modos de operao: modo de

programao e modo de execuo. A escolha entre estes dois modos feita pelo

estado lgico aplicado aos pinos PSEN e ALE. Se forem aplicados nestes pinos nvel

lgico baixo e alto respectivamente, aps um reset o dispositivo entrar em modo de

programao e estar pronto para gravar o cdigo de programa na memria flash.

26

Caso o nvel lgico nestes pinos seja aberto, o dispositivo entrar em modo de

execuo aps o reset.

8.5 Transmisso Serial

Para transmisso serial dos dados entre o microcontrolador e o computador

necessrio adequar as tenses de trabalho entre ambos, j que a porta serial do

computador trabalha com tenses de +8V e -8V e o microcontrolador com 0V e 5V.

Para este fim foi usado o circuito integrado MAX232 da Texas Instruments.

8.6 Transmisso USB

Para transmisso dos dados via porta USB foi usado o conversor TUSB3410

da Texas Instruments. Este dispositivo composto por um microcontrolador da famlia

8052 que especializado na converso de dados seriais para o padro de

comunicao USB. Ser usada a verso 1.1 da USB com velocidade de 1,5 Mb/s.

Como este circuito integrado opera com tenso de 3,3V e a alimentao foi

feita pelo prprio barramento USB (5V), foi usado o regulador UCC283-3 fabricado pela

Texas Instruments.

Quando conectado ao computador, o dispositivo reconhecido como TI USB

e usa um driver especfico fornecido pelo fabricante.

8.7 Buffer de Comunicao

Como foram usados dois padres (serial e USB) para transmisso dos

dados, foi necessrio isolar os dispositivos de converso (MAX232 e TUSB3410) para

que a operao de um no interfira na operao do outro. Para isso foi usado o buffer

74LS244 em conjunto com dois transistores BC548 operando como portas inversoras.

Quando o circuito estiver ligado porta USB do computador, a alimentao

de 5V do barramento USB estar ativa. Isso far com que os transistores enviem os

27

sinais lgicos de controle adequados para o buffer, que ativar a parte da

comunicao USB e colocar as sadas realtivas ao MAX232 em tri-state. Quando no

houver alimentao de 5V do barramento USB, o buffer habilitar as suas sadas para

o driver MAX232, colocando as sadas relativas ao TUSB3410 em tri-state, liberando a

comunicao serial. Desse modo, a seleo da forma de comunicao do hardware

com o computador se dar de forma automtica, liberando o usurio desta

responsabilidade.

8.8 Circuito de Alimentao

A alimentao de todo o hardware feita atravs de uma fonte estabilizada

que fornea tenses contnuas entre 7V e 9V. Esta tenso limitada em 5V pelo

regulador UCC283-5 da Texas Instruments. Este regulador foi escolhido porque

apresenta uma regulagem de alta preciso.

8.9 Sinais de Conexo

As tabelas 1, 2 e 3 apresentam uma descrio dos sinais que fazem a

interligao das diferentes folhas do diagrama esquemtico. Os sinais que interligam

diferentes folhas tm o mesmo nome nas duas folhas.

28

Tabela 2 - Sinais do Anexo A.1 (Sensores e Interfaceamento)

Sinal Tipo Descrio Ligado com

AIN0 Sada Tenso dos sensores Anexo 2







Tabela 3 - Sinais do Anexo A.2 (Transmisso de dados)


RX_uC Sada Dados de sada da Porta serial Anexo 3

TX_uC Entrada Dados de entrada da Porta

Serial

Anexo 3

Tabela 4 - Sinais do Anexo A.3 (Microncontrolador)


AIN0 Entrada Entrada do conversor A/D Anexo 1







RX_uC Entrada Dados de entrada da Porta

serial

Anexo 2

TX_uC Sada Dados de sada da Porta Serial Anexo 2

29

9 PROJETO DE SOFTWARE

A parte de software deste projeto abrange o firmware, que faz a configurao

e operao do microcontrolador, o software de cadastro das letras e o software de

anlise, que contm os algoritmos para reconhecimento dos sinais.

O software de cadastro das letras foi separado do software de anlise devido

ao fato de que a operao de cadastros de letras e usurios pode comprometer todo o

banco de dados e, conseqentemente, todo o reconhecimento do sistema. Desta

forma, a operao de cadastro deve ser supervisionada por uma pessoa que tenha um

maior conhecimento sobre o sistema e que tambm conhea a LIBRAS. Assim, pode-

se disponibilizar o software de reconhecimento para usurios leigos e o software de

manipulao dos dados quando houver um conhecimento do sistema mais

aprofundado por parte do usurio.

9.1 Firmware

O programa que opera no microcontrolador inicia seu funcionamento

configurando todos os perifricos que sero usados. Primeiramente, feita a

configurao da porta serial para uma velocidade de transmisso e recepo de

115200 bps. Aps a configurao da porta serial, o conversor analgico digital

configurado. A taxa de converso configurada para 200 Hz (o que permite dados com

uma largura de at 24 bits) e escolhida a tenso de referncia interna de 2,5V.

Geralmente, a tenso de referncia interna escolhida porque o MSC1211Y5 possui

um gerador de referncia de alta preciso e estabilidade. Depois de configurado o

conversor analgico digital, feita uma calibrao automtica do conversor para anular

as tenses de offset de entrada e escolher um ganho adequado para o amplificador

interno. Depois disso, a interrupo da porta serial habilitada e o programa entra em

um lao infinito aguardando por um comando do computador.

Quando algum comando recebido do computador, a tarefa requisitada

executada e o programa coloca novamente o microcontrolador em espera por um novo

comando. O programa do microcontrolador est preparado para receber os seguintes

comandos: incio de converso dos dados dos sensores, envio de dados dos sensores,

30

e calibrao do conversor A/D. Este ltimo comando necessrio porque alguns

minutos depois do incio da operao do microcontrolador a temperatura deste

dispositivo muda, fato que pode interferir na correta leitura dos sensores.

Nas prximas sees so apresentados o fluxograma do firmware e o seu

diagrama de estados.

9.1.1 Fluxograma

t Transmisso, c Converso, a Calibrao.

Figura 10 - Fluxograma do Firmware

31

9.1.2 Diagrama de Estados

Figura 11 - Diagrama de estados do Firmware

9.2 Software de Cadastro

O software de cadastro tem a funo principal de cadastrar usurios do

sistema e as informaes sobre os caracteres do alfabeto da LIBRAS. Para o cadastro

dos caracteres o software estabelece automaticamente a comunicao com o hardware

e mostra os dados dos sensores em tempo real usando a interface grfica. A letra que

dever ser repetida pelo usurio da luva durante o cadastro aparece em uma foto no

meio da tela do programa. Quando o usurio tiver feito o sinal correto daquela letra, os

dados dos sensores so armazenados no banco de dados.

9.3 Software de Anlise

O software de anlise executado em um computador e tem a funo de

estabelecer a comunicao com o hardware, comandar o funcionamento do

microcontrolador, analisar os dados recebidos com base em um banco de dados que

contm informaes sobre os caracteres da LIBRAS.

32

A conexo com o hardware feita de forma automtica. Quando receber

o comando do usurio para conectar-se ao hardware, o programa avaliar quais portas

seriais esto disponveis para uso e tentar estabelecer comunicao com todas para

descobrir em qual delas est conectada a luva. Quando a comunicao for

estabelecida, a anlise dos dados iniciada.

Nas prximas sees so mostrados os diagramas dos principais mdulos

do software.

9.3.1 Anlise Estatstica

A anlise dos sinais feita usando os dados individuais de cada usurio ou

os dados de todos os usurios do sistema.

No incio da execuo da anlise, os dados sero lidos do banco de dados e

transferidos para a memria do computador. Estes dados so compostos pela mdia

dos valores dos sensores para cada letra do alfabeto e seu desvio padro. Com as

informaes da mdia e desvio padro pode-se, com o teorema central do limite,

decidir se um dado sinal um caracter vlido da LIBRAS. O grfico apresentado na

figura 12 pode auxiliar no entendimento deste processo. Este grfico foi levantado com

valores reais do sistema e corresponde s medidas do dedo polegar para a letra a.

Pelo grfico, podemos perceber que os dados esto dispostos em uma

distribuio normal de probabilidade. O eixo Y mostra os valores lidos do sensor

instalado sobre o polegar e o eixo X contm estes mesmos valores porm,

padronizados para que fosse possvel usar as tabelas de clculo da rea sob a curva.

Foram usadas 30 amostras do sensor para que a disposio do grfico fosse

visivelmente normal [7].

A mdia dos valores de aproximadamente 1,64 e o desvio padro 0,0387.

Um intervalo de dois desvios padro foi criado para a rea de deciso. Este intervalo

delimitado pelas retas verticais de 0,9 e 0,9. Atravs destes valores padronizados e

das tabelas de clculo de rea, verifica-se que a rea sob este intervalo corresponde a

63% da rea total, ou seja, levando em considerao este conjunto de dados, podemos

afirmar que uma amostra selecionada aleatoriamente tem 63% de chance de estar

localizada dentro deste intervalo definido.

33

O algoritmo de reconhecimento usa este mesmo princpio para todas as

letras. Cada letra formada por sete sinais diferentes que possuem seus respectivos

valores de mdia e desvio padro. Para cada conjunto de dados (sete nmeros

correspondentes a cada sensor) lidos da luva, feita uma avaliao para verificar em

qual letra cada dedo se encaixa de acordo com sua posio.

Figura 12 - Grfico de Distribuio dos Valores do Polegar para a Letra A

34

9.4 Diagramas de Casos de Uso

Figura 13 - Diagrama de Casos de Uso do Software de Cadastro

Figura 14 - Diagrama de Casos de Uso do Software de Reconhecimento

35

9.5 Diagrama de Classes

Figura 15 - Diagrama de Classes do Software de Cadastro

36

Figura 16 - Diagrama de Classes do Software de Reconhecimento

37

9.6 Diagramas de Seqncia do Software de Cadastro

Figura 17 - Seqncia de Incio do Software de Cadastro

38

Figura 18 - Seqncia de Incluso Software de Cadastro

39

Figura 19 - Seqncia de Alterao Software de Cadastro

40

Figura 20 - Sequncia de Excluso Software de Cadastro

41

9.7 Diagramas de seqncia do Software de Reconhecimento

Figura 21 - Seqncia de Exibio dos Sensores Software de Reconhecimento

42

Figura 22 - Seqncia Anlise dos Dados Software de Reconhecimento

43

9.8 Modelo Entidade Relacionamento

Figura 23 - MER

9.9 Dicionrio de Dados

Tabela 5 - Dicionrio de Dados

Tabela Campo Tipo Descrio

Codigo Auto Incremento Chave Primria Usurio

Nome String Nome do usurio

Letra Caracter Chave Primria

M_Polegar Real Mdia da curvatura

do dedo polegar

Amostras

S_Polegar Real Desvio padro da

curvatura o polegar

44

9.10 Prottipos de Tela

Figura 24 Tela de Cadastro

Figura 25 - Tela Principal

45

10 RESULTADOS

A colocao dos sensores na luva foi feita de forma artesanal atravs de

velcros costurados na mesma e nos sensores. A luva apresentou um funcionamento

satisfatrio apesar de sua fragilidade e problemas com desprendimento dos sensores

que geralmente no so percebidos de imediato pelo usurio e conseqentemente

afetam o funcionamento do sistema.

Os sensores apresentaram um bom desempenho no tendo sido notados

qualquer alterao do funcionamento dos mesmos em relao ao uso e fadiga do

material.

O hardware se mostrou eficiente na leitura dos sensores e na transmisso

dos dados para o computador. O conversor analgico digital foi configurado para uma

taxa de amostragem de 200Hz e a transmisso serial ajustada para 115200 bps. Isto

possibilitou que fossem lidos oito vezes todos os sete sensores durante um segundo.

O software de reconhecimento usou como base a anlise estatstica, mais

especificamente os conceitos de mdia, desvio padro, distribuio normal e o teorema

central do limite. Durante os testes verificou-se empiricamente que o reconhecimento

apresentava melhor desempenho quando o intervalo de deciso era aumentado

somando-se uma constante ao desvio padro. Para os testes, todas as amostras de

letras presentes no banco de dados foram submetidas classe de reconhecimento. No

total foram analisados 780 registros, ou seja, 30 amostras para cada uma das 26 letras.

Durante o teste foram anotados todas as entradas de dados na classe de

reconhecimento e o resultado indicado pela classe. A partir da comparao destes

dados foi gerado um relatrio com os valores percentuais dos erros de reconhecimento.

Considerando o nmero total de erros para todo o banco de dados, obteve-se uma taxa

de acerto de 85%.

Os resultados total e de cada letra so mostrados na tabela 6.

46

Tabela 6 - Resultados do Reconhecimento

LETRA ERRO (%) LETRA ERRO (%) A 3 N 20 B 0 O 10 C 10 P 16 D 6 Q 10 E 6 R 13 F 10 S 13 G 3 T 40 H 6 U 50 I 10 V 86 J 16 W 10 K 0 X 16 L 13 Y 0 M 6 Z 26

47

11 CONCLUSO

De acordo com a proposta de funcionamento apresentada, o sistema de

reconhecimento mostrou um desempenho superior ao esperado. Apesar de a

colocao dos sensores na luva ter sido feita de forma artesanal, esta se mostrou

estvel a despeito da fadiga do material durante todo o desenvolvimento e teste do

projeto. Em relao ao conforto e grau de liberdade do usurio da luva verificou-se que

melhorias ainda devem ser feitas a fim aumentar o tempo de tolerncia de uso da luva,

j que, os velcros podem machucar a mo do usurio (principalmente as articulaes)

em um longo perodo de uso. Durante novos desenvolvimentos desse sistema

possvel que se chegue concluso que outras modificaes precisem ser feitas na

luva ou na colocao dos sensores, porm, s ser possvel afirmar isto com o

desenvolvimento de novas tcnicas de reconhecimento.

Analisando os erros do software, vemos que estes se concentram nas letras

mais semelhantes e principalmente nas letras que so diferenciadas apenas pela

abertura relativa dos dedos, sugerindo a melhoria do sistema de reconhecimento tanto

por hardware como por software.

Como novas tcnicas de reconhecimento provavelmente exigiro a aquisio

de um grande conjunto de dados, fica claro que a confeco da luva deve ser

melhorada com o objetivo de deix-la mais resistente ao esforo e conseqentemente

mais confivel durante todo este processo. Tambm podem ser feitas melhorias em

relao ao aumento do nmero de sensores (tanto de curvatura como de movimentos)

com o objetivo de refinar o reconhecimento da posio da mo do usurio em relao

ao espao e ao seu corpo.

O hardware de aquisio se mostrou eficaz tanto para converso dos dados

de natureza analgica para digital como para a transmisso desses dados para o

computador, sendo provavelmente o mdulo do sistema que menos sofrer alteraes

em possveis melhorias que venham a ser desenvolvidas. Uma das melhorias que

poder causar modificaes no hardware a adio de novos sensores na luva,

fazendo com que o microcontrolador tenha que ser trocado ou as entradas do seu

conversor analgico-digital multiplexadas devido ao fato de s existirem oito entradas

disponveis. Dependendo do nmero de sensores e componentes adicionados ser

tambm necessrio fazer novos testes para aferio da velocidade do sistema de

48

aquisio para verificar se a alterao no compromete o desempenho do sistema

como um todo.

Em relao ao reconhecimento estatstico implementado em software foi

visto que este oferece um bom desempenho comparado ao esforo computacional e a

relativa facilidade de implementao. Apesar disso, ainda um esquema muito simples

e pouco robusto para esta aplicao. Provavelmente, a estatstica possa ser aplicada

com uma eficincia muito maior quando usada em conjunto com outros algoritmos que

usem redes neurais ou lgica fuzzy, por exemplo.

Outro problema detectado durante os testes do sistema foi a impossibilidade

de reconhecimento do momento da troca entre dois sinais. A troca de sinais um

evento crtico para um reconhecimento mais refinado dos caracteres e tambm, devido

s variaes produzidas nos sensores durante esses momentos, uma fonte de erros

para o software de reconhecimento. Tentou-se corrigir este problema regulando a

temporizao de leitura dos sensores, porm o resultado foi insatisfatrio. Ainda na

tentativa de verificar este evento no sistema, foi feita uma anlise dos sinais dos

sensores no domnio da freqncia, o que tambm no gerou bons resultados devido

baixa freqncia de variao destes.

Tambm ser de grande ajuda a implementao de funes secundrias

para a continuao do desenvolvimento do software. Tais funes teriam a

responsabilidade de gerar relatrios, grficos e outras formas de auxlio anlise do

desenvolvedor devido a grande quantidade de dados que deve ser analisada e

interpretada.

Finalmente, em conversa com profissionais especializados no ensino da

LIBRAS a pessoas surdas, conclui-se que o sistema em questo pode auxiliar na

educao de deficientes auditivos se fizer reconhecimento de gestos mais complexos

como palavras e expresses completas e tambm atuar como um elemento motivador

no processo educacional dos surdos.

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14 GLOSSRIO

Dactilolgico Alfabeto em que as letras so representadas por sinais

manuais.

2005 libras gabardo

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