Робот, который видит все

Не будет преувеличением сказать, что около 90% всей информации об окружающем нас мире мы получаем благодаря зрению. Ни слух, ни обоняние не могут сравниться со зрением. Оно самое совершенное средство познания человеком мира. Недаром народная мудрость гласит: "Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать". Глазами человек узнает цвет, форму, величину предметов, их взаимное расположение и т. д. Недаром глаза называют "мозгом, вынесенным на периферию".

Хотя наш глаз и является совершенным прибором, все же идеальным его назвать нельзя. Это видно даже из сравнения его с глазами многих птиц и животных. У птиц, например, зрение острое. У многих ночных птиц и животных чувствительность глаза развита сильнее и механизм адаптации совершеннее. Особенно много выдумки и изобретательности природа проявила при создании органов зрения насекомых. И не случайно сегодня столько внимания уделяется изучению их зрительного анализатора.

Экспериментально установлено, например, что глаза насекомых воспринимают предмет не целиком, а подобно мозаике, в которую каждый элемент глаза вносит отдельное изображение. Поэтому насекомые распознают не столько детали объекта, сколько его движение. Глаза насекомых обладают особо высокой чувствительностью к контрастам. Они реагируют не только на интенсивность света, но и на изменение его спектрального состава - насекомым доступно и цветное зрение.

Одно из удивительных качеств зрения насекомых - способность видеть "быстрее", чем человек и многие животные. Там, где человек видит всего лишь промелькнувшую тень предмета, пчела отчетливо различает размеры и форму. Человек различает форму движущегося тела только тогда, когда изображение задерживается на сетчатке глаза в течение пяти сотых секунды. Если же время экспозиции меньше, то различить контуры отдельного изображения ему уже не удается, и одинаковые изображения для него сливаются в одно. А муха или оса различают форму движущегося тела при времени экспозиции даже в одну сотую секунды.

Почему сегодня интенсивно изучаются органы зрения птиц, животных и особенно насекомых? Потому, что это может помочь найти ключ к решению многих важнейших задач науки, техники и производства. Это особенно ценно при конструировании новых систем роботов и манипуляторов, которые необходимо снабдить техническими органами зрения. Это позволило бы им приспосабливаться к изменениям окружающей обстановки, "чувствовать" мир и совершать целесообразные поступки.

Интересно, например, действует автомат "жабий глаз". Зрительный аппарат жабы имеет очень любопытное устройство, заметно облегчающее ей жизнь. Он посылает своей хозяйке в мозг лишь такие сигналы, которые для нее важны. Скажем, пролетает муха на близком от жабы расстоянии - жаба мгновенно занимает боевую позицию. Если муха так далеко, что охотиться за ней бесполезно, то глаза жабы словно и не видят ее. Если глаза жабы зарегистрируют резкое движение тени, жаба тут же насторожится: уж не хочет ли кто ее поймать? Если же тень ползет медленно, двигаясь вместе с солнцем, жаба спокойна. Словом, не глаз у жабы, а разумный страж, не докучающий хозяйке пустяками.

В зрительном аппарате жабы ученые увидели образец оригинального устройства. Искусственный "жабий глаз" заставили работать в паре с аэродромным радиолокатором. Обязанность такой установки - предупреждать опасные ситуации над аэродромом. Множество взлетающих и садящихся самолетов постоянно в поле ее зрения. Если они летят установленными курсами и с положенными скоростями, "жабий глаз" их просто не замечает. Но вот скорости изменились, возможно столкновение - и прибор немедленно поднимает тревогу. Автомат "жабий глаз", как показала практика, работает несравненно лучше, чем самый внимательный оператор, потому что зрительный аппарат человека в отличие от жабьего охватывает всю картину, теряя отдельные, в некоторых случаях важные детали происходящего.

Ученые внимательно исследовали и глаза голубя. Они пришли к выводу, что глаз голубя обладает той же способностью, что и жабий глаз - он также осуществляет предварительную обработку получаемой информации. Зрительный аппарат голубя послужил моделью радиолокационного устройства для разведки и съемки местности - основного устройства для обзорной радиолокационной системы, обнаруживающей летящие самолеты. "Голубиное зрение" также широко используют сегодня на многих предприятиях для целей контроля промышленных изделий, в том числе шарикоподшипников.

А глаз мухи послужил прототипом прибора, способного измерять мгновенную скорость самолетов, попадающих в поле его зрения. Нашел большое применение в электронной промышленности и так называемый "мышиный глаз". На особых свойствах глаза мыши создана фотокамера для репродукции особо точных микросхем электронно-вычислительных машин.

Ученые проводят всесторонние исследования и по распознаванию зрительных образов человеком.

Обычно человек не может объяснить, как он распознает образ. Пока физиологам и психологам известны лишь отдельные качественные стороны этого процесса. Однако результаты многочисленных исследований последних лет приоткрыли очень многое и позволяют, хотя и с некоторыми оговорками, интерпретировать некоторые его особенности.

Установлено, например, что зрительная система переносит в наш мозг информацию не просто о распределении яркости на отдельных участках сетчатки глаза, а выделяет характерные элементы изображения, "не обращая внимания" на его малозначащие стороны. Мозг получает информацию и удерживает ее - человек запоминает образ.

В нашей памяти хранятся признаки многих образцов, накопленных в процессе "обучения", т. е. попросту за время нашей жизни. Мозг, воспринимающий какой-либо предмет, сравнивает его признаки с соответствующими признаками, хранящимися в памяти, и в случае их сходства узнает предмет. Для того, чтобы облегчить узнавание, мозг формирует образ. Он продолжает работу, начатую органами зрения: выделяет из всех признаков, о которых сообщает глаз, лишь наиболее существенные, характерные для данного образа.

До недавнего времени считалось, что способностью "распознавания" обладают только живые существа, но сейчас практически доказано, что и электронно-вычислительную машину можно научить распознавать предметы. Поставлены интересные опыты, в ходе которых машина успешно обучалась распознавать предметы.

Для проведения одного из опытов был построен специальный манипулятор - сложная механическая модель руки, управляемая вычислительной машиной. Манипулятор заставили собирать кубики, рассыпанные по столу, и укладывать их в стоящую здесь же на столе коробку. С этой задачей машина справилась весьма успешно. Манипулятор находил коробку и запоминал, где она стоит. Потом он отправлялся на поиски кубиков и, найдя первый, сначала определял его положение и размеры, чтобы поудобнее схватить его. Зажав в "пальцах" кубик, "рука" клала его в коробку и отправлялась за вторым кубиком. Была предпринята и попытка научить машину дорисовывать ту часть предмета, которая заслонена от него.

Электронные вычислительные машины научились различать предметы по их внешнему виду и качеству. Они практически способны рассматривать и чертежи, и технологические карты, и движущиеся на конвейере детали. Все это открывает огромные перспективы использования электронных комплексов в системе управления производственными процессами на промышленных предприятиях, сделать их всевидящими.

Одна из трудных задач, которую должны решить ученые - это научиться моделировать процесс опознавания. В чем состоят трудности такого моделирования? Дело в том, что хотя и существуют сегодня электронные машины с огромной емкостью памяти, которые могли бы запомнить большое количество признаков и сравнить с ними признаки опознаваемых предметов, однако для такой вычислительной машины нужно прежде всего составить программу опознавания. Это должен сделать программист. Но как он составит программу, если процесс опознавания все еще до конца не раскрыт? Поэтому пока не представляется возможным использовать в целях опознавания обычную серийную электронно-вычислительную машину.

Необходимо иметь специальную машину с огромной емкостью памяти, которая бы сама составляла для себя программу, подобно человеку, накапливала в процессе обучения опыт, в соответствии с ним самостоятельно выбирала "линию поведения" и сортировала получаемую информацию по степени ее важности. Такая машина, справляющаяся с весьма сложными обязанностями, будет близка к мозгу человека.

Хотя моделирование психической деятельности человека - чрезвычайно трудная задача, однако уже тех сведений о ней самого общего характера, которыми располагают специалисты, оказалось достаточно для создания первых, хотя и не очень совершенных, но тем не менее действующих "обучающихся" машин, которые могут опознавать образы.

Интересные разработки по созданию "зрячих" роботов ведутся в Институте кибернетики имени В. М. Глушкова Академии наук Украинской ССР. Ученые провели большие исследования по разработке принципов построения "зрячих" роботов. Завершив эту трудную работу, они интенсивно ведут разработку технического зрения манипуляторов, предназначенных для серийного выпуска. Они будут включаться в цепочку производственных операций, связанных с сортировкой изделий на конвейерах, автоматизацией сборки и контролем качества изделий.

Познакомимся с одним из образцов "всевидящего ока". Внешне он не представляет ничего фантастического: обыкновенная телевизионная камера, соединенная с устройством преобразования изображения и системой обработки информации на миниатюрной электронно-вычислительной машине "Электроника-60".

Включается питание, и камера начинает "смотреть" на ленту конвейера. В поле ее зрения - детали шасси телевизора. "Глаз" робота автоматически определяет их тип, положение и ориентацию относительно оси конвейера. Чтобы распознать каждую деталь, роботу выделяется не более секунды. Электронный "мозг" рассчитывает траекторию движения механической "руки", которая догоняет деталь на ленте конвейера. Ухватив опознанную деталь - пластину, рычаг или отливку, манипулятор ведет сборку изделия или перекладывает его в строго заданное место, например в ячейки кассеты. Саму же кассету затем может использовать и обычный робот-сборщик. Сборка с помощью "зрячих" роботов - весьма перспективное направление, которое проходит этап испытаний и совершенствований. Ученые института снабжают систему технического зрения устройствами для быстрого "переучивания", чтобы она умела определять детали различного класса.

Как показали испытания, на некоторых операциях, например на сборке шасси телевизоров, "зрячий" робот может вообще обходиться без человека. А это особенно важно при создании гибких автоматизированных цехов и заводов-автоматов.

Следующая профессия "зрячего" робота - это автоматизация контроля качества изделий.

Рассматривая ближайшие перспективы развития и применения "зрячих" роботов, мы можем сказать сегодня, что они совершат в технике революцию, по значению равноценную появлению самих электронных машин. Люди учат роботов не только видеть, но и слушать. Машине прививают все качества человека, даже интуицию.

Сделана попытка наделить роботы и другими качествами человека, например, умением передавать и воспринимать информацию в речевой форме.