Фрагмент 3-го выпуска справочника "Кто есть кто в робототехнике"

Рынок высококачественных цветных видеокамер сильно недооценен. Это выражение - “сильно недооценен” - в последнее время употребляется экономическими аналитиками в случаях, когда они хотят вскрыть причины отставания той или иной отрасли. В случае же с инсталляциями видеокамер налицо даже не отставание, а кризис схемы, согласно которой они инсталлируются. Эта схема почти перестала приносить результат, чему много примеров.

В Москве и других городах фасады банков и прочих зданий усеяны тысячами камер видеонаблюдения (ВН). Но вот поблизости от видеокамеры происходит заказное убийство и по телевизору в этой связи выступает сотрудник пресс-службы, уверяя, что камера запечатлела преступника. Но слышал ли кто-нибудь о том, что благодаря видеозаписи с камеры наблюдения хоть один убийца был пойман? Далее: снова громкое убийство, преступники скрываются на автомобиле и объявляются планы “Перехват” и т. п. Однако, этот автомобиль остаётся незамеченным ни одной из видеокамер слежения за дорожной обстановкой. На платформе метро подростки недавно до смерти забили милиционера (не говорим уже о риске для простых пассажиров) - но ни одна из метрополитеновских видеокамер не в состоянии своевременно проинформировать об этом кого следует.

В Нью-Йорке стационарных уличных видеокамер, по всей вероятности, установлено не меньше, чем в Москве - однако, они не зафиксировали авианалёт 11 сентября, и если бы не любительская видеозапись, Бушу сложнее было бы мотивировать вторжение в Афганистан. Аналогично, не имело бы серьёзных последствий прошлогоднее футбольное побоище на Манежной площади, если бы не репортажи телевизионщиков, поскольку стационарные камеры ВН ничего существенного опять не увидели.

Возможно, впрочем, уличными камерами ВН какие-то нештатные ситуации и зафиксированы. Но здесь не тот случай, когда уместны догадки: 15.05.03 вступило в силу постановление Правительства РФ “Об обеспечении доступа к информации о деятельности Правительства Российской Федерации и федеральных органов исполнительной власти”, в рамках которого, например, Российское агентство по системам управления развернуло работы по активизации связей с общественностью и СМИ. Поэтому и другим соответствующим ведомствам и организациям ничто не мешало разослать в СМИ данные об эффективности работы систем видеонаблюдения. Иначе создаётся впечатление, что тендеры на инсталляцию дорогостоящей, но малоэффективной видеоаппаратуры были не вполне корректными.

Впрочем, насчет “дорогостоящей” тоже надо разобраться. Стационарные камеры камеры ВН устанавливаются по той или иной выбранной схеме (которую просчитывают преступники) и в силу этого эффективны для предотвращения тоже лишь схематических правонарушений. Чуть более нестандартная ситуация - и они становятся беспомощны, чем и пользуются, условно говоря, остальные 99,99% злоумышленников. С этой точки зрения инсталлируемые сегодня системы ВН, по-видимому, излишне дороги и сложны - поскольку не обеспечивают достаточной отдачи на единицу стоимости. Но в то же время, если рассуждать с позиций достаточной отдачи на единицу стоимости, эти же системы слишком дешевы и примитивны. Казалось бы, парадокс, но приведём пример из жизни: в месте, где ожидается сенсационное событие (выход знаменитого преступника из тюрьмы или олигарха из прокуратуры) часами ожидают десятки высокооплачиваемых журналистов, оснащенных дорогостоящей аудио- и видеоаппаратурой. Значит, эти финансовые затраты в подобных случаях себя окупают. Окупают, в частности, тем, что телевизионные съёмочные группы собирают как для эфира, так и для правоохранительных органов ту самую видеоинформацию, которую должны были бы, но не смогли, зафиксировать системы ВН.

Пусть останется существующая инфраструктура ВН - как профилактическая мера. Но её необходимо дополнить схемой, идентичной схеме работы телевизионных съёмочных групп - конечно, без участия людей-телеоператоров, а на основе робототехники. Заставить видеокамеру оказаться в нужное время в нужном месте - на это сегодня в значительной степени направлены усилия зарубежной робототехники, использующей, в данном случае, законы шоу-бизнеса. Электронный “папарацци” (мобильный или стационарный, воздушный или подводный), мгновенно реагирующий на критичное изменение обстановки, причем реагирующий независимо от времени и условий, в которых произошло событие. В этой связи актуальной становится тщательная ревизия всей номенклатуры выпускаемых видеокамер, поскольку в робототехнических системах зачастую применяются первые попавшиеся под руку, что снижает эффективность всего комплекса.

Из числа серийно выпускаемых видеокамер (для ТВ-вещания, Web и т. д.) по своим характеристикам камеры для CCTV наиболее близки к выполнению требований, предъявляемых к электронному зрению робототехнических устройств. Так, наружные CCTV-камеры примерно так же эксплуатируются в агрессивных средах (влага, химикаты, газы, пыль и другие микрочастицы) и различных климатических условиях (осадки, перепад температур, ветер). Правда, ВН, в отличие от многих видов электронного зрения осуществляется в стационарных, а не в подвижных, сопровождаемых тряской, условиях, но для интеллектуальных оптических механизмов (таких, как система наведения башенного орудия) характерно применение стабилизаторов.

Однако, специфика робототехники делает проблематичным применение CCTV-камер без оценки их пригодности к решению конкретных задач. Возьмём пример из опубликованной в этом AVR статьи “Структура российского рынка систем электронного зрения”: роботы-аграрии. Это применение ожидается как особенно массовое (судя по числу экспериментальных разработок) - в то же время похожие алгоритмы будут реализованы и для роботов других специальностей. Что благоприятно повлияет на рынок видеокамер.

В чем интрига? В фокусном расстоянии: если камеры ВН зачастую устанавливают на бесконечность, то сельхозробот должен удалять сорняки и вредителей манипулятором примерно полуметровой длины - соответственно, адекватным должно быть и фокусное расстояние объектива. При этом задача осложняется тем, что для распознавания, скажем, колорадского жука размер поля зрения по вертикали порядка 3 см, а для одновременного распознавания сорняка может понадобиться 20 см, плюс в это же время необходимо осуществлять поиск других объектов по гораздо большим углам обзора, характерным для купольных камер и объективов “рыбий глаз”.

Между тем, какой-либо из вышеназванных параметров очень редко встречается в описаниях роботов, имеющих зрительный тракт. Это может означать, что разработчики берут какие-то более-менее подходящие камеры, а к ним - какое-то усреднённое ПО (например, распознавания образов). В таком случае конструкция еще долго будет оставаться экспериментальной, поскольку для запуска в серийное производство её потребительские качества будут недостаточны.

Анализ ситуации показывает, что расчет робототехнической системы необходимо начинать с электронного зрения, поскольку именно оно определяет дальнейшее развитие конструкции. Аналогично, “конструкция” человека обусловлена расположением, строением и защитой его глаз - в частности, необходимостью стереоскопического зрения. Специальная литература иногда рекомендует в ВН не гнаться за универсальностью, применяя трансфокацию и широкоугольные объективы, а иметь две камеры - для “близи” и “дали”. Но у робота и так должно быть не менее двух камер: для стереоскопического зрения, работающего как дальномер, а также улучшающего обнаружение заслоняемых помехами объектов (и даже компенсирующего встречную засветку). Выходом может быть как непрерывная трансфокация на обоих камерах (объективы с переменным фокусным расстояние 10-240 мм промышленность выпускает), так и дополнительная вращающаяся камера для обнаружения объектов по радиусу.

На выставках посетители сейчас видят множество роботов, оснащенных видеокамерами. Конструкторы большое внимание уделяют трансмиссии, манипуляторам, герметике и т д. Однако, очень редко думают о том, что эффективный робот - это постоянный баланс между такими параметрами, как разрешение, светосила, фокусное расстояние, освещенность, угол поля зрения, чувствительность, цветопередача и другие характеристики камеры, объектива и визуальной обстановки. Конструкторов, правда, заботит цена видеокамеры, хотя это тупиковое направление рассуждений: вопрос цены - это вопрос платёжеспособности заказчика, которому нужен качественный агрегат. Мы же вопрос цены здесь не рассматриваем принципиально в свете приобретения олигархами футбольных клубов: денег в стране достаточно и их надо требовать для приобретения видеокамер необходимого качества.

Задача	Условия/проблемы	Технические решения
Одновременное опознавание нескольких объектов	Панорамный обзор. Создание визуальных шаблонов. Различимость объектов	Купольная камера. Объектив "рыбий глаз". Ёмкая память бортового компьютера. Спектральное светопропускание, равномерное для всех цветов. Повышенное разрешение камеры.
Опознавание движущихся объектов	Повышенная скорость съёмки	Скоростная/регулируемая передача данных. Гибкая компенсация засветки для подвижных целей
Опознавание объектов разных размеров	Изменение поля зрения. Изменение фокусного расстояния.	Макросъёмка. Трансфокация. Регулировка четкости и резкости контуров. Компенсация расфокусировки путём оконтуривания. Компенсация изменения угла поля зрения при фокусировке. Выносная ПЗС-головка.
Синхронизация зрения с манипуляциями в режиме "движение/остановка"	Стабилизация изображения. Сведение оптических и механических осей. Совпадение радиуса видеозахвата и длины манипуляторов.	Стабилизаторы несущей платформы. Автофокусировка при захвате цели. Системы сопровождения цели. Стереоскопия для определения расстояния до цели. Системы управления механизмами посредством видеосигнала.
Опознавание в условиях широкого диапазона освещенностей, включая встречную засветку.	Изменение цветовой температуры. Снижение контраста и рост шумов при пониженной освещенности. Снижение разрешения при закрытии диафрагмы. Неравномерность распределения контрастности. Изменение спектра светильников.	Повышение разборчивости неконтрастных деталей путём оконтуривания. Экраны-отражатели для равномерности освещения. Спот-фильтры. Гамма-коррекция. Автоматическое диафрагмирование. АРУ. Электронное экспонирование. Компрессия динамического диапазона яркостей сцены. Контражур. Сборки из белых светодиодов для плавного изменения подсветки. Автоматический баланс белого. ПЗС-матрицы большего формата. Компенсация встречной засветки в сюжетной части сцены. Многозональная фотометрия для тонкой компенсации засветки. Автоматический уровень черного.
Опознавание в различных погодных условиях.	Снижение контрастности при пониженной атмосферной видимости (мелкий дождь и т. п.).	Повышение разборчивости деталей путём оконтуривания. Избирательное повышение интенсивности основных цветов посредством цветоусиливающих фильтров. Самоочищающиеся от пыли, инея и т. п. стёкла.

В фильме “Терминатор-2: Судный день” (1991 г.) показано, как электронное зрение киборга (Арнольд Шварценеггер) осуществляет характерную для распознавания образов операцию - “оконтуривание”. Создатели фильма обыграли и еще одну сторону электронного зрения: киборг в исполнении Шварценеггера является менее совершенной моделью, чем его соперник - робот-убийца. Поэтому и зрение у киборга более примитивное - монохромное. Еще в фильме есть кадры, где киборг сначала обнаружил мотоцикл, а затем произвёл электронное увеличение центрального участка сцены, чтобы распознать лицо мотоциклиста.

На первый взгляд, перечисленный в таблице комплекс оптико-электронно-механических проблем не имеет непосредственного отношения к слову “кино” в названии нашего журнала. Но так могут думать только те псевдотворцы, которые наводнили российский экран ботвой на олигархо-криминальную тематику - лишь бы не утруждать себя осмысливанием новых явлений. Не так обстоит дело на Западе, где наиболее продвинутые режиссёры, сценаристы и операторы большое внимание уделяют аспектам “нечеловеческого” восприятия окружающей действительности, чтобы кинокамера и микрофон смогли донести до зрителя ощущения зверя, монстра, чудовища, киборга и т. п. Это можно видеть в таких безусловно кассовых фильмах, как “Легион”, “Хищник”, “Терминатор-2”, “Змеи-убийцы”. Зрителям просто интересно, а инженерам-электронщикам еще и полезно наблюдать за кинематографическими версиями того, как чудовище ищет жертву в инфракрасном диапазоне, а жертва - способы маскировки (как было, например, в “Хищнике”). Зрение чудовища стараются “загрубить” и получить имитацию видеокамеры слежения, единственная задача которой - обнаружить, настигнуть и “сожрать”. Но и инженеры-робототехники могли бы многое предложить кинематографистам в плане эффектных приёмов “нечеловеческого” зрения - которое, к тому же, есть значительный компонент окружающего животного мира. Наш (в смысле - советский) кинематограф был новатором в интерпретации машинного зрения и новация та была на редкость удачной: “Его звали Роберт”.

Подробности по содержимому таблицы - в путеводителе, опубликованном в предыдущем AVR. Добавим лишь несколько комментариев.

В основном, видеокамеры разрабатывались из расчета подражать универсальности человеческого глаза и отсюда компромиссы, закладывавшиеся в камеры за счет ухудшения каждого из параметров. Например, такое определяющее понятие в стабилизации изображения как “полезное действие” тоже выведено “под человека”: соотношение остроты зрения с оптическим прибором и без него. Поэтому доходит до такого парадокса, что при работе с рук 10-кратный бинокль бывает лучше 20-кратного, у которого получается меньшее результирующее полезное действие. Острота нашего зрения убывает по экспоненте относительно амплитуды угловой скорости изображения, поэтому назначение систем стабилизации трактуют как существенное снижение скорости наблюдаемого изображения. Очевидно, всё это надо учитывать при разработке робототехнических систем, где вместо глаза - система распознавания образов, ориентирование на выполнение не универсальных, а конкретных производственных задач.

То же и с выбором принципа стабилизации: одно дело - стабилизировать картинку в съёмочной камере, и другое - успокоить платформу механического агрегата, где в связке работают камеры, манипуляторы, подсветка. Распространены стабилизаторы оптические (в объектив встроена призма с переменным углом преломления, которым управляет гироскопический сенсор), электронные (работают за счет избыточного размера ПЗС-матрицы), собственно гироскопические и инерционные, имеющие такие преимущества, как отсутствие быстровращающихся деталей и энергозатрат (в их систему входят пружинный подвес, магнитный успокоитель и т. п.). Фирма Canon в своих камерах, например, использует платформу на карданном подвесе. Практиковались в профессиональных камерах и резиновые фиксаторы.

Система распознавания образов - как раз та часть видеотракта, которая оценивается не человеческим, а машинным восприятием. Тем не менее, в спецлитературе распознавание еще ассоциируется только с ВН. Так, эмпирическим путём выведено, что для более-менее успешного опознавания лица система ВН должна обеспечить разрешение 50 строк на лицо (это порядка 10% по вертикали кадра), а для автомобильного номера - вдвое меньше (5% размера кадра по вертикали). В принципе, при отсутствии других данных и это ориентир, но в нашем случае рассматривается не распознавание лиц (которое, ради упрощения схемы строится на сравнении геометрии расположения характерных элементов - бровей, рта, носа, центров глаз). Для распознавания же насекомых (а им могут понадобиться все 100% вертикали кадра) и растений могут оказаться более предпочтительными цветовые алгоритмы (“ТКТ” рассказывал о них), либо морфологические, разрабатывавшиеся еще И. Гёте и К. Линнеем (“ТКТ” № 3 за 2003 г.).

Создание визуальных многоракурсных шаблонов - вот на что нельзя жалеть средств. Когда по фотокарточке из милицейского паспортного стола пытаются распознать лицо в толпе, потом, конечно, жалуются, что аппаратура распознавания образов еще очень неэффективна. Но наша тема сейчас не люди, а более безобидные представители флоры и фауны - сорняки и саранча. Существует занимательное направление художественной фотосъёмки, наработавшее богатый опыт создания увеличенных изображений цветков, бабочек и т. п. Фотографы этого направления развили такие приёмы, как применение отражателей (из наклеенной на картон мятой фольги) для подсветки теней на солнечном свету, использование удлинительных колец для макросъёмки (приспособившись к падению освещенности при этом, вызывающей трудности при фокусировке), мехов, насадочных линз и макрообъективов для расстояний съёмки, соизмеримых с фокусом. Получается, что чем больше фокусное расстояние, тем низкочувствительнее объектив - чем больше диаметр которого, тем больше света попадает на ПЗС-сенсор. То есть, высокочувствительные объективы должны иметь более крупные размеры в условиях, когда угол обзора камеры меняется в пределах 1-50 град.

С другой стороны, мастера художественной съёмки, как правило, крайне негативно отзываются об автоматике камер, и спецлитература по телевидению часто идёт у них на поводу, лишь вскользь описывая автоматические функции, необходимые в робототехнике. Устраняя этот пробел, “ТКТ” в № 1 за 2003 г. рассказал об автофокусировке, как о средстве видеозахвата цели при распознавании образов. Видеотехнические фирмы также много внимания уделяют автоматизации, решая, например, задачи синхронизации фокусировки и настройки на резкость. Кроме того, разработана вспомогательная внутренняя фокусировка для более точного фокусирования и плавности изменения фокусного расстояния.

Ситуация с освещением для электронного зрения роботов не совсем такая, как в художественной видеосъёмке. Еще когда появилась цветная фотоплёнка было замечено, что она фиксирует цвета с большей разборчивостью, чем человеческий глаз. И тогда не только художники, но и остальные увидели, что снег в момент восхода солнца имеет холодный розоватый оттенок с контрастными тенями голубого цвета; в полдень цвет снега приближается к желто-золотому; вечером приобретает фиолетовый оттенок. Так, что, когда спецлитература идеализирует свойственный человеческому зрению “баланс белого”, это не вполне корректно по отношению к возможностям автоматики, работающей без участия человека-зрителя. Как показал опыт сквозного стандарта sRGB, электронные компоненты легко договариваются между собой на языке спектральных и прочих характеристик.

Поэтому теоретически подсветку, наверное, можно было бы осуществлять лампой любого цвета, но на практике основа распознавания - визуальный шаблоны, а их делает исключительно человек и преимущественно при естественном дневном свете. Но, как напоминает вышеприведённый пример со снегом, дневной свет - величина непостоянная и ему необходима компенсация от источника света с соответствующим спектром излучения. Стабилизировать ситуацию могли бы сборки из белых светодиодов, поэлементно включаемые/выключаемые автоматикой при изменении внешней освещенности. Более подробно о светодиодах, их параметрах, измерениях важнейших характеристик и конкретно о белых светодиодах см. “ТКТ” № 1 и 2 за 2001 г.

Автоматическое поддержание работоспособности в условиях широкого диапазона освещенностей (теоретически она может измениться на 10 порядков, а на практике чувствительность камер может понадобиться менять на 6 порядков) - вот в чем именно для камер ВН, устанавливаемых зачастую в труднодоступных для ручной корректировки местах, сделаны наибольшие усовершенствования и выведены четкие рекомендации, интересные конструкторам робототехники. Так, установлено, что ПЗС-сенсоры формата 1/2 дюйма лучше, чем сенсоры 1/3 и 1/4 дюйма воспроизводят контрастное изображение при больших перепадах освещенности (динамический диапазон по контрасту). Кроме того, размером светочувствительного элемента определяется запас по АРУ, от чего зависит отстройка от шумовой помехи. Спот-фильтр (нейтральный фильтр с переменной по диаметру плотностью, снижающий светопропускание в центре до нуля) предотвращает снижение разрешения объектива из-за увеличения дифракционного кружка рассеяния при чрезмерном закрытии диафрагмы. Управлять же диафрагмой надёжнее по видеосигналу, подаваемому на усилитель, находящийся в самом объективе. Определившись с соотношением с/ш выбирают мощность подсвета, находящуюся в обратной зависимости от чувствительности камеры, указанной в паспортных данных: она обычно на два порядка ниже границы, при которой начинает работать АРУ. Эту границу и рекомендуют принимать за критерий при подсчете параметров подсветки.

Практикующие многозональную фотометрию фотографы-натуралисты, о которых говорилось выше, обратили внимание, что при точечном светоизмерении снежно-белый цветок иногда может получиться серым. Это говорит о том, что если принимать за основу цветовые алгоритмы распознавания (предпочтительные, например, при быстродвижущихся или колеблющихся от ветра целях), то вопросам освещенности придётся уделить больше внимания. Как минимум, она должна быть равномерной, чтобы уменьшить проблемы с контрастностью. Не слишком должна “гулять” цветовая температура (как бывает с лампами накаливания, меняющими при регулировке спектр излучения). Возможно, помогут цветокорректирующие фильтры, отвечающие за изменение цветовой температуры и за коррекцию условий освещенности. Создаются камеры, в которых при переходе от натурального к искусственному освещению работает автоматический баланс белого с использованием нечеткой логики.

Формально к вопросам освещенности относится и проблема внешней засветки, с которой так же формально рекомендуют обходиться путём автоматической установки оптимальной экспозиции. Но в случае сильной засветки, когда изображение практически уничтожается, можно попробовать рассмотренный в “ТКТ” № 10 за 2002 г. способ восстановления изображения путём обсчета двух дефектных картинок, снятых под разными ракурсами путём стереоскопии. Вообще, в электронной стереоскопии кроются еще неизведанные перспективы если учесть вариативность разных камер по чувствительности, которая бывает как болометрической (суммарной по всему спектру), так и монохроматической, измеряемой в определённой части диапазона: важна спектральная чувствительность для разных цветов (в данном случае - в ботаническом смысле этого слова). Помимо же описанных в “ТКТ” разработок по дальномерным функциям стереоскопии упомянем разработку ГосНИИАС и НЦ “Модуль” для решения задачи автоматического управления транспортным средством: система обнаружения препятствий на расстоянии до 100 м в реальном времени путём анализа цифровых стереоизображений от двух видеокамер.

Но, конечно, самый наглядный пример отличия подходов к электронному зрению и к человеческому - объектив “рыбий глаз”, выручающий, когда недостаточно разрешающей способности человеческого глаза, составляющей порядка одной угловой минуты. Шутят, что через этот объектив оператор может увидеть собственные уши. Наверное, чисто технически это возможно сделать, однако, на практике “рыбий глаз”, например, при 16-мм фокусном расстоянии охватывает 180 град. по диагонали кадра и до 150 град. по длинной стороне кадра. При этом, однако, прямизна линий сохраняется до 100-120 град. Но если это имеет решающее значение для человеческого восприятия, то роботу без разницы: нужна лишь программа для обсчета искривлённой панорамы и распознавание по шаблону будет возможно - зато в пределах более обширного поля зрения, что важно при обнаружении и распознавании сразу нескольких объектов.

Подобную же задачу распознавания сразу нескольких целей может, в принципе, решать и вращающаяся купольная камера. Как и “рыбий глаз” она снимает противоречие между масштабом изображения и углом поля зрения. Помимо кругового обзора, купольные камеры способны видеть на 5 град к своему основанию и запоминать увиденное в предыдущие 15 минут. А. Барсуков, журнал "ТКТ", № 10, 2003 г. 

 

Что полезно знать о "Черном ящике" в автомобиле  - http://www.liveinternet.ru/users/albrs/post402370094/

 

Колхозница, еще не ликвидировавшая свою неграмотность, везла яйца. По дороге лошадь понесла, яйца вывалились и побились. Когда пострадавшую спросили, сколько у нее было яиц, она ответила, что яиц она не считала, но помнит следующее: когда она клала их в корзину по 2, или по 3, или по 4, или по 5, или по 6, то всегда оставалось 1 яйцо; когда же она клала их по 7, то остатка не было. Определить наименьшее количество яиц, которое колхозница везла на базар. Журнал «Наука и жизнь»  времён СССР

 

Астана, 25 февраля 2011. -- Сегодня депутаты сената парламента Казахстана на пленарном заседании приняли предложения согласительной комиссии по преодолению разногласий с мажилисом по проекту закона РК "О внесении изменений и дополнений в некоторые законодательные акты Республики Казахстан по вопросам деятельности крестьянских или фермерских хозяйств".

В соответствии с законопроектом вносятся поправки в Земельный кодекс и закон РК "О крестьянском /фермерском/ хозяйстве". Статья 10 Земельного кодекса дополнена новым пунктом 4 - 1. Его принятие позволит крестьянским или фермерским хозяйствам выкупать предоставленные им земельные участки под застроенными зданиями / строениями, сооружениями/, при этом включая земли, предназначенные для их обслуживания в соответствии с их назначением, по кадастровой /оценочной/ стоимости. Она определяется, исходя из размера базовых ставок платы за земельные участки при их предоставлении в частную собственность для сельскохозяйственных целей.

Кроме того, законопроектом сокращен перечень необходимых документов, предоставляемых для получения соответствующих прав на земельный участок.

Согласно регламенту закон считается принятым парламентом и передается на подпись главе государства. По материалу агентства Синьхуа