Современную робототехнику можно смело назвать воплощением в реальность самых смелых мечтаний фантастов. Роботы XXI века играют в футбол, ступают по подиуму, проводят операции. Но есть у них один серьезный недостаток: во всех своих действиях они опираются на плечо человека. Задачей-максимум на ближайшее будущее является снабдить робота хотя бы тремя чувствами из пяти - осязанием, слухом и зрением, - чтобы предоставить ему полную свободу действий. И если с осязанием и слухом определенные подвижки уже имеются - киборгов начиняют сенсорными датчиками, реагирующими даже на небольшой звук или давление, - то со зрением пока все обстоит гораздо сложнее. Инженеры и конструкторы по-прежнему являются "глазами" машины, когда управляют ею или же задают определенную программу. Впрочем, российские ученые готовы продемонстрировать собственный подход к так называемому техническому зрению, открывающему новые возможности не только для "железных созданий", но и для человека.
Угол обзора
Казалось бы, в этом направлении нет нужды изобретать велосипед. Гораздо проще позаимствовать идеи у природы, которая в плагиате не обвинит - копируют же специалисты суставы живых существ, создавая подвижных киборгов. Тем более что ученым знакомы по крайней мере десять систем зрения, подсмотренных у братьев наших меньших. И на фоне многих из них человеческий глаз отнюдь не кажется венцом творения. Например, американские специалисты считают, что роботов следует снабжать фасеточными глазами, как у каких-нибудь стрекоз: множество маленьких линз, через которые проходит свет, позволяют увеличить угол обзора.
Собственно, не в глазах даже дело: обеспечить робота самой навороченной оптикой при нынешних технологиях - сущий пустяк. Куда сложнее заставить его осмыслить картинку, научить самостоятельно распознавать форму объектов, их габариты, отдаленность. Роботы, которых, к примеру, применяют при разминировании, снабжены обыкновенными телевизионными системами, дающими довольно качественную картинку. Она поступает на монитор к оператору, от указаний которого и зависят дальнейшие действия механизма - в общем, никакой самодеятельности. Впрочем, самостоятельные механизмы тоже существуют - их используют, например, на производстве. Но их зрительные способности ограничиваются тем, что они определяют форму детали и решают, куда ее, эту самую деталь, вмонтировать. Но детали специально снабжены определенными метками, по которым аппарат их опознает.
Конечно, таких талантов недостаточно, чтобы свободно ориентироваться на открытой местности и без лишнего вреда своему железному телу миновать препятствия - роботу просто необходима подробная трехмерная картинка. Над этой задачей ученые и бьются уже не первый десяток лет, и к данному моменту накопилось множество способов ее решения. Большинство исследователей сходятся во мнении, что оптимальным вариантом было бы бинокулярное зрение, позволяющее фиксировать третье измерение, которое, собственно говоря, и дает представление об удаленности объекта. В принципе добиться этого эффекта можно с помощью и одного глаза: прогнать камеру по всему диапазону фокусных расстояний, меняя глубину резкости, и уже на полученной картинке определить дальность до каждой точки. Похожим методом, кстати, пользуется знаменитый робот - электронно-механическая собака Aibo с единственной камерой, вмонтированной в нос. Он с легкостью находит свои игрушки, определяет расстояние до них. Однако эта система не дает ему действовать на все сто процентов: необходимо, чтобы все окружающие его предметы имели относительно большую площадь и отличались пестрой раскраской. Любимый мячик робота-собаки, кстати, окрашен в ярко-розовый цвет - встретить такой в естественных условиях весьма проблематично. А значит, чтобы получить по-настоящему качественную объемную картинку, все же необходимо использовать бинокулярное зрение, а проще говоря, смотреть в оба.
Мир в полоску
Специалисты научно-учебного центра "Робототехника" МГТУ им. Баумана, вплотную занимающиеся этой проблемой, считают, что копировать бинокулярное зрение человека, чтобы потом примерить его на технических творениях, дело хлопотное и малоэффективное. Да, для человека не составляет особого труда оценить расстояние до ближайшего столба. Причем процесс преобразования квантов света в нервные сигналы с последующей передачей их в мозг, который и дает оценку ситуации, занимает мгновения. Пока сложно представить себе, чтобы подобные манипуляции проделал искусственный разум, даже с серьезной начинкой.
- На первый взгляд стереосистема проста: по двум картинкам, смещенным друг относительно друга, можно определить координаты третьей точки и измерить дальность, - говорит кандидат технических наук, доцент кафедры "Робототехнические системы" МГТУ им. Баумана Борис Михайлов, - однако это касается только простых предметов, таких, как куб. Если же мы берем более сложный объект, пусть даже цветок, то стереосистеме будет труднее найти, например, координату каждого лепестка. Определение третьей координаты займет у компьютера много времени.
Из этой ситуации пытаются найти выход - всегда можно снабдить киборга третьим глазом-подсказкой и в нагрузку к двум камерам установить еще и лазер. Он будет подсвечивать каждую точку, что позволит роботу быстрее сориентироваться со всеми координатами. Но представьте, что по стечению обстоятельств лазеру придется освещать какой-нибудь крупный и замысловатый по форме предмет - машина опять надолго задумается.
- Получить стереоизображение с помощью двух камер не представляет особой сложности, - рассказывает директор Центра открытых систем и высоких технологий Александр Хельвас. - Обработать же такой объем информации для современных компьютеров - серьезная проблема. Понадобится решить целый класс математических задач, прежде чем появится искусственный интеллект, способный справляться со столь сложными алгоритмами.
Впрочем, наши специалисты решили не ломать голову над созданием особой компьютерной программы, а упростить для нее задачу. Чтобы не маяться с определением третьей координаты по двум другим, они предложили использовать для роботов их собственную уникальную систему зрения. Им оставляют только один глаз-камеру, другой же заменяют излучающим устройством со структурированной подсветкой. "Такая система, - объясняет Борис Михайлов, - действует по следующему принципу: мы светим на поверхность не рассеянным светом, а полосками. На ровной плоскости все линии будут прямыми. При наличии же препятствий подсветка меняется, и эти изменения как раз характеризуют ситуацию на плоскости". По тому, как деформировались линии, робот сможет определить форму и габариты предмета. Он анализирует максимальные и минимальные координаты, чтобы определить размер препятствия и соответственно его тип.
Пока в арсенале программы заложено несколько объектов, которые она легко распознает: стена, дверь, коробка, ступеньки, пропасть. По числу ровных, недеформированных полосок аппарат определяет расстояние до препятствия. Информации, которую предстоит освоить искусственному интеллекту, при большой частоте излучателя накапливается меньше, а значит, ее проще анализировать. При этом от структурированной подсветки не ускользнут малейшие изъяны, она способна разглядеть даже узор паркета на полу. Правда, у аппарата сравнительно небольшой угол обзора - 40 градусов. Впрочем, уже этого достаточно, чтобы применять разработку, скажем, в больнице. Робот легко проделает путь из пункта А в пункт Б, минуя все препятствия, для того, чтобы, скажем, разнести обед по палатам. Более того, благодаря способности одновременно накапливать изображение на матрице, оцифровывать сигнал и передавать данные в компьютер, сканирование пространства может быть беспрерывным. Так что есть надежда, что за время пути суп не успеет остыть.
Робот с подобной системой зрения фиксирует только форму предмета и вряд ли сможет оценить по достоинству всю глубину палитры, например картин Леонардо да Винчи, - цвета он не различает. Впрочем, у этого недостатка есть и своя положительная сторона. Поскольку система технического зрения реагирует на отражение импульсов, посылаемых им самим, то для нее не составит труда обнаружить черную кошку в темной комнате. В некоторых ситуациях такому свойству позавидовал бы и сам человек.
Сами разработчики уверены, что их детище может оказаться незаменимым в поисково-спасательных работах, составлении ландшафта труднодоступной расщелины или пещеры, где недостаточно света. Правда, пока исключительно в роли стороннего наблюдателя. Если же к его зорким глазам добавить прекрасный слух, а заодно научить работать с хрупкими предметами, не исключено, что даже робот-сапер наконец справится с поставленной задачей без человеческой поддержки.
Настя Резниченко
