Systemy wizualne — jak działają i jak działają
Ponieważ roboty nie są żywymi organizmami jak ludzie, nie mają oczu ani mózgu, a aby otrzymywać informacje wizualne, potrzebują specjalnych technicznych urządzeń sensorycznych zwanych systemami wizualnymi.
Pozwalają na to systemy wizualne roboty odbierać obrazy obiektów i scen pracy, przetwarzać je, przetwarzać i interpretować za pomocą zestawu urządzeń cyfrowych, tak aby aktuator robota mógł następnie zgodnie z tymi danymi odpowiednio wykonać pracę.
W porównaniu z systemami bardzo czułymi, to właśnie systemy wizyjne są w stanie dostarczyć robotowi do 90% informacji wizualnych, aby mógł on normalnie funkcjonować. W ten sposób problem implementacji widzenia maszynowego rozwiązywany jest w kilku krokach: informacja jest odbierana, przetwarzana, następnie segmentowana i opisywana, następnie rozpoznawana i interpretowana.
Oryginalne informacje dostarczone w postaci obrazu cyfrowego są wstępnie przetwarzane, usuwane są z nich szumy, poprawiana jest jakość obrazu poszczególnych elementów sceny czy obiektu.Informacje są następnie segmentowane — scena jest warunkowo dzielona na części, które są rozpoznawane jako osobne elementy, z których każdy można rozpoznać, a następnie podświetlane są interesujące obiekty.
Wyselekcjonowane obiekty są badane za pomocą charakterystycznych parametrów, które są opisane tablicami informacji, dzięki czemu możliwe jest wybranie potrzebnych obiektów za pomocą parametrów. Wymagane obiekty są oznaczane i identyfikowane za pomocą programu. Wreszcie zidentyfikowane obiekty są interpretowane i oznaczane jako należące do jednej lub drugiej grupy rozpoznawalnych obiektów, po czym ustalane są ich obrazy wizualne.
W systemie wizyjnym informacje obrazowe, za pomocą przetworników optoelektronicznych i czujników wideo, prezentowane są w postaci sygnałów elektrycznych. Jest to zasadniczo transformacja pierwotna. Zwykle obraz jest odczytywany za pomocą kamery optycznej, elementu czułego, urządzenia skanującego, po czym sygnał jest wzmacniany.
Uzyskane w ten sposób informacje są przetwarzane hierarchicznie. Najpierw obraz jest przetwarzany przez procesory wideo. Tutaj kluczowym parametrem jest zarys obrazu, który jest ustalany przez współrzędne zbioru punktów, które go tworzą. Dodatkowo komputer będący częścią systemu generuje sygnały sterujące dla robota.
Czujniki wideo są połączone z innymi częściami systemu wizyjnego za pomocą specjalnych kabli, takich jak kable optyczne, przez które informacje są przesyłane z dużą częstotliwością i przy minimalnych stratach.
Same czujniki wideo mogą mieć punktowe, jednowymiarowe lub dwuwymiarowe elementy czujnikowe.Elementy punktowe są w stanie odbierać promieniowanie widzialne z małych fragmentów obiektu, a uzyskanie pełnego obrazu rastrowego wymaga skanowania wzdłuż płaszczyzny.
Czujniki jednowymiarowe są bardziej złożone, składają się z linii elementów punktowych, które poruszają się względem obiektu podczas skanowania. Elementy 2D są zasadniczo macierzą dyskretnych elementów punktowych.
Układ optyczny rzutuje obraz na czuły element, przy czym wielkość obszaru roboczego objętego czujnikiem jest z góry określona. Układ optyczny ma regulowaną przysłonę obiektywu, aby dostosować ilość wpadającego światła i ostrość ostrości, gdy zmienia się odległość od obiektywu do obiektu.
Różnorodne urządzenia optoelektroniczne mogą działać jako czujniki wideo, od przetworników półprzewodnikowych po kamery telewizyjne oparte na lampach próżniowych vidicon. Podstawą widzenia technicznego jest postrzeganie i wstępne przetwarzanie informacji z tych czujników, bez konieczności uciekania się do sztucznej inteligencji.
To najniższy poziom systemu. Dalej jest analiza, opis i rozpoznanie – tutaj wykorzystuje się nowoczesne komputery i złożone oprogramowanie algorytmiczne – poziom średni. Najwyższy poziom to już sztuczna inteligencja.
Praktycznie w robotach przemysłowych szeroko rozpowszechnione są systemy wizyjne pierwszej generacji, zapewniające odpowiednią jakość pracy z płaskimi obrazami i obiektami o prostych kształtach. Służą do rozpoznawania, sortowania i umieszczania części, sprawdzania wymiarów części, porównywania ich z rysunkiem itp.
Typowa implementacja systemu wizyjnego wygląda tak. Obszar roboczy robota, w którym znajdują się części, jest oświetlony lampami.Nad obszarem roboczym znajduje się mobilna kamera obserwacyjna TV, z której informacja wizyjna przekazywana jest drogą kablową do jednostki głównej technicznego systemu wizyjnego.
Z jednostki głównej informacje (w postaci przetworzonej) są podawane do jednostki sterującej robota. Urządzenie wykonuje sortowanie części, ich uporządkowane pakowanie do pojemników w ścisłej zgodności z informacjami otrzymanymi z oprogramowania technicznego systemu wizyjnego.
Inteligentne i adaptacyjne roboty, które są obecnie aktywnie rozwijane, oparte na systemach drugiej i trzeciej generacji, są w stanie pracować z trójwymiarowymi obrazami i bardziej złożonymi obiektami, dokonując dokładniejszych pomiarów oraz dokładniej i szybciej rozpoznając obiekty.
Głównym kierunkiem dzisiejszych badań naukowych i technicznych jest doskonalenie systemów wizyjnych i oprogramowania oraz ich wsparcie algorytmiczne, tworzenie specjalnych komputerów, a także zasadniczo nowych systemów wizyjnych, ponieważ wykorzystanie robotyki jest coraz bardziej poszukiwane, a dziedzina jej wdrożenia przemysłowe stale się rozwija.
Obecnie opracowywane są bardziej zaawansowane, czułe urządzenia dla robotów, zdolne do przekazywania robotowi jak największej ilości informacji zewnętrznych. Obecnie wiadomo już, że złożone czujniki mogą w zasadzie postrzegać sceny i obrazy jako całość, co oznacza, że w przyszłości roboty będą mogły samodzielnie kształtować celowe działania w przestrzeni obszaru roboczego bez dodatkowych bodźców zewnętrznych.