Комфортные автомобили со встроенными системами круиз-контроля уже сейчас выпускаются миллионами. Но это только начало. У нас есть шанс забыть о пробках, преждевременной седине и руле с педалями! Машинное зрение, или способность робота осознавать окружающую действительность — это ключ к созданию полноценных искусственных помощников: от роботов-автомобилей до предупредительных домработников.
Направить в мозг робота информацию об окружающем мире — полдела. Главное — научить железяку расшифровывать «увиденное». Современные роботы с горем пополам различают лица и знаки дорожного движения, а завтра — как минимум на порядок превзойдут возможности человека.
Ощущая мир вокруг
Для обнаружения объектов роботы применяют микроволновые радары, световые датчики, ультразвуковые локаторы и видеокамеры. Микроволновые датчики создают вокруг себя поле, в котором, благодаря эффекту Доплера, можно обнаруживать токопроводящие тела — людей, животных, железные предметы — и вычислять скорость их движения.
Лазерные дальномеры — совсем простая штука. Система посылает невидимый луч и регистрирует время, через которое он возвращается отраженным. Чтобы узнать расстояние до объекта, достаточно умножить скорость света на время и разделить полученное значение пополам (луч ведь идет туда-обратно).
Ультразвуковые локаторы работают по такому же принципу и где только не встречаются — и в рыболовных эхолотах, и в системах автофокуса фотоаппаратов. Отраженный звук улавливается микрофоном и преобразуется в ток, по характеристикам которого вычисляется расстояние до объекта.
Перечисленные датчики помогают роботам ориентироваться как на открытом пространстве, так и в закрытых помещениях. Например, все больший спрос получают телероботы, задача которых — исследовать с помощью машинного зрения канализационные и водопроводные трубы. Оператор опускает в трубу компактную машинку и доверяет ей поиск трещин и разрывов.
Вручную исследовать водопроводные трубы, естественно, нереально — всю конструкцию придется разрушать. Отрадно, что инновация существует не на бумаге и вовсе не в далекой Америке или Японии — прикупить трубопроводного инспектора можно и у отечественных производителей.
Как только робот вооружился электронными глазами, настало самое время подумать над тем, чтобы научить его основам навигации. Как вариант, можно загрузить в «голову» машины точную карту местности. Компьютер сначала определит свое местонахождение на карте, а затем смело начнет двигаться.
Робот может запросто потеряться, если карта слишком большая, и он не имеет сведений о том, откуда начинал путь. В особо серьезных случаях у робота может уйти несколько дней только на то, чтобы найти себя на карте. Куда практичнее заставить машину самостоятельно построить карту. Этот способ более универсальный, но требует мощного компьютера. Впрочем, роботы будущего объединят оба варианта — машины сначала построят карту, а затем сравнят ее с оригиналом.
Облегчить задачу может спутниковая система навигации — она подскажет роботу его координаты на карте, после чего останется лишь сравнить реальную обстановку с оригиналом. Сегодня наиболее популярна спутниковая система навигации GPS.
К запуску готовятся европейская Gallileo и российская ГЛОНАСС.
Такие вот спутники дают пользователям GPS-навигаторов возможность найти путь домой из любой точки земного шара.
Иногда стоит дать роботу возможность помечать предметы радиомаяками. Так машина сможет легче адаптироваться к окружающей среде. Естественно, появляется соблазн создать в городах нечто вроде метро, только для роботов-автомобилей. Машины будут двигаться по невидимым «рельсам», повинуясь дистанционным командам с базовых станций. Однако если хоть один из передатчиков откажет, мгновенно окажутся парализованными сотни средств передвижения. Во всех смыслах лучший вариант — полностью автономный робот-автомобиль, который на 100% слушается ваших приказаний.Зрение пассивное и активное
Машинное зрение делится на два типа: активное и пассивное. В первом случае робот сам как бы спрашивает у предметов — тут ли они? Радары, лазерные дальномеры и ультразвуковые датчики, которые посылают в пространство сигналы и регистрируют отраженные, относятся к активным системам машинного зрения.
Пассивные системы — это датчики, которые никак не выдают своего присутствия, а только поглощают излучаемые предметами волны или вибрации. Фотоматрицы регистрируют отраженный от предметов свет различных длин волн и делают выводы. В этом же ряду — сенсоры, чувствующие тепло и вибрации.
Учим машину думать
Схема простой нейросети. Зеленым обозначены входные элементы, желтым — единственный выходной.
Все, о чем мы писали выше, — не настоящее зрение, а так, прообраз. Робота необходимо заставить видеть, как видит человек. В противном случае толкового помощника из него не выйдет.
Чтобы обходиться без водителя, автомобилю требуется от одного до нескольких глаз — видеокамер, и мозга — алгоритма для обработки поступающей через окуляры информации. Робот способен за пару секунд, а то и быстрее, решить за вас зубодробительную задачу на экзамене по высшей математике или квантовой механике, но когда его попросят отличить живого человека от изображения президента США на долларе, он впадет в ступор.
Чтобы заставить робота «думать», можно использовать аналог биологического мозга, который состоит из миллионов крохотных процессоров — нервных клеток. Ничего фантастического здесь нет. Искусственные нейронные сети (ИНС) с начала 90-х годов прошлого века используют для составления финансовых прогнозов и различных отчетов. Физически ИНС — либо программа, которая запущена на обычном компьютере, либо набор специальных микросхем. Существующие прототипы роботов-андроидов имеют ИНС и прекрасно справляются с задачей нахождения нужного человека в толпе.
Один или два?
Человек, как мы знаем, смотрит на мир двумя глазами. Никогда не задумывались, почему не тремя? Все просто: три глаза заставят наш мозг работать с такой скоростью, что не останется времени даже на мобильнике поиграть.
Прототип робота-водопроводчика ИРИС-1, который создан учеными МГТУ. Монокулярное зрение в деле.
Наше зрение называется стереоскопическим, или бинокулярным. За счет того, что мозг знает, на каком расстоянии расположены глаза друг от друга и под какими углами, нам удается прикинуть дистанцию до объекта. Два глаза позволяют понять, что перед нами, — плоскость или объемный предмет. Одноглазому роботу непросто идентифицировать выкрашенный в один цвет куб, особенно если освещение будет равномерным.
Чтобы наверняка определить расстояние до объекта, одноглазый робот может менять фокусное расстояние, приближая или удаляя объект. Машина делает несколько снимков с разными приближениями, а затем выбирает из них тот, на котором главный предмет виден наиболее четко. При известном фокусном расстоянии вычислить дистанцию проще простого.
Два глаза хорошо, а если они еще и двигаются в трех измерениях — совсем замечательно.
Программисты достигли немалых успехов в «одноглазой» робототехнике. Случаи, когда один глаз предпочтительнее двух, нередки. В маленьких роботах уместить две камеры бывает невозможно. Кроме того, стереоскопия дает ощутимую нагрузку на систему питания и вычислительную часть.
Современная робототехника еще не перешагнула порог, отделяющий реальность от мира, описанного фантастами, но ногу занесла. Роботы-андроиды, которых активно демонстрируют на международных выставках, умеют запоминать и различать людей по внешности, понимают выражения лиц и читают рукописные тексты.
Победитель автогонки DARPA Urban Challenge получит финансовую инъекцию в миллион долларов.
Ну а в индустрии машинное зрение востребовано уже давно. Казалось бы, тривиальная задача — проверить поступающие по конвейеру куриные яйца на брак. Человека такая работа утомит через час, да и скорость выполнения оставит желать лучшего. А вот подключенный к компьютеру робот с десятком видеокамер готов осматривать яйца сутки напролет.
Таракан-пилот
Можно ли вместо микросхем и сложной электроники использовать подручные средства? Запросто! Сотрудник калифорнийского университета Гарнет Герц создал робота, которым управляет рядовой американский таракан, сидящий на шарике. Сложной начинки в машине нет, поскольку главная задача проекта — продемонстрировать работоспособность идеи. Агрегат представляет собой платформу с колесами и постоянно находится в движении. Датчик дистанции, в случае, если обнаруживает вблизи какое-нибудь препятствие, включает в кабине свет. Таракан, стремясь скрыться от раздражающего фактора, начинает убегать. Шарик крутится и поворачивает колеса машинки.
В подавляющем большинстве случаев тараканы неплохо справляются с работой. Проект был продемонстрирован на ряде выставок и, возможно, будет развиваться на новом витке.
Бесплатный таракан-пилот вместо дорогостоящей микросхемы. После выполнения боевой задачи отправляется домой: под холодильник или в аквариум.
Робот за рулем
Прогрессивные системы машинного зрения позволят создавать автомобили, которые никогда не собьются в пробки, не попадут в аварию и честно соблюдут все правила дорожного движения.
Развитие автомобильных роботов стимулируют автогонки, спонсируемые Пентагоном. Ближайшей осенью состоится четвертый такой турнир. Первые три прошли в пустыне Мохаве штата Невада, а теперь роботы выйдут на псевдогородскую трассу длиной 100 км. В задачи машин входит распознавание знаков дорожного движения, понимание ситуации на дороге и разрешение опасных моментов.
Обыватели, кстати, уже могут начать пользоваться техническими благами, которые дарит машинное зрение. Некоторые компании предлагают вполне полезные системы для помощи водителю. Обкатанные в реальных ситуациях разработки в будущем легко будет перенести на роботов-автомобилей.
Siemens pro.pilot выручит в любую непогоду. Сведения о ситуации на дороге ненавязчиво отображаются прямо на лобовом стекле.
Компания Siemens, к примеру, активно рекламирует комплекс pro.pilot, который предупреждает об опасных маневрах других водителей и помогает в дождь или туман, сообщая о скорости других авто на 250 метров впереди. Кроме того, система элегантно решает проблему так называемых «слепых мест» — если водитель собрался перестроиться на другую полосу и не заметил, как его обгоняют, pro.pilot предупредит аварию сильной вибрацией руля или громким звуком.
ИК-камера на рулевом колесе и вибромоторы под сиденьем не дадут водителю уснуть за рулем.
Еще одна важная задача — не дать водителю отвлечься или уснуть. Инфракрасная цифровая камера пристально следит за лицом водителя в любое время суток. Если человек увлечется разговором, заслушается песней по радио или, хуже того, уснет, pro.pilot примет меры. Сначала начнет трястись сиденье. Если этого окажется мало, и водитель не пожелает собраться с мыслями, электроника начнет издавать противные звуковые сигналы, от которых очнется и мертвый. Уже сегодня такую систему можно найти в некоторых авто класса люкс.
Задачи машинного зрения
Машинное зрение пригодится не только для того, чтобы ориентировать робота в пространстве. Большой спрос есть в дефектоскопии — проверке качества продукции в промышленности. Компьютер можно научить восстанавливать 3D-изображение по нескольким фотографиям, находить в толпе одного человека или же нескольких с определенным выражением лица. Для медиков компьютер может расшифровывать рентгеновские и томографические снимки.
Уже сейчас машинное зрение задействуется в охранных системах — для идентификации личности, распознавания автомобильных номеров, а также расшифровки рукописного и печатного текста.
Самое интересное применение — создание интерфейса человек-компьютер. Пользователь может заменить клавиатурный набор «смайликов» в ICQ реальной ухмылкой или же открывать и закрывать приложения щелчком пальцев. Все это вполне реально и ждет нас лет через 10 или даже раньше.
* * *
Машинное зрение имеет все шансы превзойти человеческое в ближайшие десять лет. Уже сейчас роботы видят сквозь стены и на километры вперед. Последний бастион — расшифровка видеоинформации — скоро падет. В строй встанут роботы-автомобили, роботы-поезда и роботы-самолеты. А еще — доктора, скальпель которых никогда не сорвется, а зоркий глаз вовремя заметит артерию.
Остается надеяться, что люди сумеют направить мощь машинного зрения в верное русло, а не станут в спешном порядке конструировать терминаторов.
Rtrtrsstrss. Топ Яндекса крайне негативно влияет на ваше желание призадуматься, стоит ли дальше учавствовать в жизни сообщества 
Alles_in_memories. Постарайтесь не высказываться слишком резко в дневнике 
