Воротников С.А. - Информационные устройства робототехнических систем (960722), страница 48
Текст из файла (страница 48)
Для большей части СТЗ характерно отсутствие излучателя. Однако в некоторых случаях, например в рентгеновских телевизионных системах, излучатель используют. Функционируют СТЗ в широком диапазоне длин волн электромагнитного излучения — от 10 до 10 м, но наибольшее распространение получили СТЗ„работающие в видимом диапазоне длин волн (0,38...0,78 мкм). Сейчас в промышленности СТЗ применяют для контроля качества продукции, отслеживания контуров при механической обработке и дуговой сварке, а также в задачах сборки и монтажа деталей, конвейерной сортировкии, видеонаблюдения и др. Рынок СТЗ быстро растет. Так, если в 1994 г.
в США было выпущено около бО тыс. систем со средней стоимостью 20 тыс. долларов, то к началу ХХ1 в. их производство увеличилось в 3,4 раза. Доля США в мировом производстве СТЗ составляет около 40 %, Японии и Франции — по 15 %, Великобритании и Германии — по 8 %. Выпуском СТЗ занимаются более 200 .'::::.:крупных фирм. б.1. Общие сведении Существенной особенностью СТЗ является нсобходимость формирова! ния изобралсеция объекта, которое представляет собой распределение ам;:, плитуды его двумерной функции яркости У(х, у).
Все окружающие предметы поглощают и отражают разное количество ';;;:::: излучения в зависимости от его длины волны, поэтому спектральная отра'::- жательная способность каждого объскга распределяется в видимом диапа!,. зоне длин волн неравномерно, Это приводит к тому, что поверхность объек':., та воспринимается разноцветной. Неодинаковой будет и амплитуда ". отраженного от него сигнала, т. е.
его яркость. Разница в средней яркости :." соседних структур воспринимается как их контраст. Средняя яркость округ „',:-' жающей среды варьируется в широких пределах: от 10 кд/м пасмурной 243 6. Систпемы технического зрения 2 7 2 ночью и 10 кд/м в полнолуние до 10 кд/м в солнечный день на снежном поле. Человек способен достаточно уверенно ориентироваться в этом диапазоне значений яркости, однако для зрения свойственна адаптация к освсщснию, поэтому при постояшюм освещении воспринимаемые им значения яркости могут изменяться не более чем на два порядка.
Обработка визуальной информации об окружающей среде как в живых, так и в технических системах заключается в получении изображения рабочей сцены и формировании последующего ее описания. Описание должно, с одной стороны, содержать всю существенную информацию о рабочей сцене, а с другой — обеспечивать обработку ее изображения за необходимое время. Поэтому при описании сцены происходит частичное выделение существенной информации при некоторой потере общей. Баланс этих двух процедур является важнейшей задачей СТЗ, Под рислознавпнием образов будем понимать процесс, при котором на основании многочисленных характеристик 1признаков) некоторого объекта определяется одна или несколько наиболее существенных, но недоступных для непосредственного определения его характеристик, в частности принадлежность к определенному классу объектов.
Даннос определение используют в задачах искусственного интеллекта при анализе любого сложного изображения„ когда отсутствует ограничение по времени обработки данных. Робототехнические системы обычно функционируют в реальном масштабе времени. Это требует разрешения классического противоречия между быстродействием информационной системы и объемом ес памяти. В этом смысле:далеко не все задачи распознавания являются доступными. Например, распознавание сложных трехмерных образов требует очень высокой производительности системы (миллионы операций в секунду). Поэтому напрямую такие задачи в робототехнике не решают.
Традиционным путем здесь является коикрегизация начальных условий; позволяющая упростить алгоритмы распознавания. В частности, в большинстве случаев ограничиваются плоским изображением объекта. Если требуется восстановить его форму, используют несколько изображений, на которых видны все точки поверхности объекта и их взаимное положение. Однако и в этом случае форма объекта может оказаться недоступной для непосредственного рассмотрения, Поэтому различают два класса объектов: объекты, все точки которых можно увидеть под определенным углом зрения, и объекты, некоторые точки которых нельзя рассмотреть независимо от угла зрения.
Так, полное описание выпуклого объекта можно получить на основании двух его частичных изо- 1 бражений, например при использовании двух датчиков с правильно выбранным направлением съемки. Способ расположения дазчика в СТЗ зависит от того, необходима ли информация о рсльефе объектов. Один двумерный неподвижный датчик такую информацию дать не может, поэтому в состав СТЗ вводят либо не- Под выпуклым понимается объект. для которого касательная плоскость в любой точке его поверхности не разрезает зту поверхность. 244 сколько двумерных датчиков, либо сканер — подвижный двумерный датчик. (Двумерное изображение от одномерного датчика получают сканированием рабочей сцены.) В общем случае поверхность реального объекта сложная и содержит как выпуклые участки, так и вогнутые.
При анализе подобных объектов необходимо выбирать бесконечное множество направлений съемки, покрывающих телесный угол 4п. Однако и в этом случае возможны области, недоступные для наблюдения. Таким образом, даже максимально полное трехмерное описание объекта может оказаться недостаточным для его адекватного распознавания. Поэтому распознавание образов в СТЗ, как и у человека, основывается на признаках, полученных при анализе частичных изображений.
По назначению СТЗ условно можно разделить на два класса: прикладиыс, прсдназначенныс для обработки простых изображений с заданным быстродействием; универсальные, позволяющие анализировать сложные изображения с использованием принципов искусственного интеллекта . 1 Современные СТЗ подразделяют по трем основным признакам: 1) по сложности решаемых задач — мощные, средние, малые и персональные; 2) по структуре вычислительного процесса — однопроцессорные, многопроцессорные, системы на базе матричного процессора, системы поточной обработки; 3) ио типу первичного преобразователя — одномерные 10, двумерные 20, подвижные двумерные К20 и трехмерные ЗО.
И настоящее время в зависимости от технической задачи и типа датчиков наибольшее распространение получили 5 вариантов построения СТЗ (табл. б. 1 ). Варианты построении СТЗ Тип изображения Тип вычислительной структуры Тип датчика вар р апта ~ плоское ~ объемное ~ послсдо- парал- ~ смешан- цветной ~ черно- ! вателькая лельная 1 ная белый 1 +, — '~ + + 2 + З + МК + П р и м е ч а н н е . Буквами «М», «К», «Т» и «МК» соответственно обозначены ',,::,::: архитектуры на базе матричного н конвейсрного процессоров, транспьютсра, а так- ~~'':-:...же использующие смешанный матрично-конвейерный способ обработки данных.
ь'-:': . ' Исрвыс универсальные СТЗ начали применять в робототехнике в конце 60-х годов Г!. ХХ в. В стенфордском проекте 1963 г. «глаз — рука» СТЗ содержала телекамеру на основе ;,:;-: .видикона, устройство полуквдрового ввода изображения и ЭВМ типа РОР-6. В 1972 г. в Мас",.; сачусегсском технологическом институте была разработана опытная СТЗ для обработки ::,'трехмерных сцен, Родоначальником промышленных СТЗ явилась фирма БК1 1п1егпайопа1 !:„' (СЦ1А)„которая в 1975 г.
выпустила систему %я1оп Мос1ц1е, обрабатывающую бинарные ";.;:::. йзображсния и ставшую прототипом большинства современных СТЗ. На основе тех жс аппа-,. ратно-программных принципов в 1978 г. была построена классичсская система ЧБ-!00 фнр- 1г:мы Мас111пс 1псе11сдспсе Согр. сСША), 6. Системы технического зрения Наиболее распространенной является однопроцессорная структура СТЗ, построенная на базе персонального компьютера. Системы такого рода иногда называют персональными или одношинными (рис.
б.1). Более ЗО % эксплуатируемых СТЗ относятся к однопроцессорным. В ряде случаев предварительная обработка изображения осуществляется в них аппаратно, с помощью специализированных устройств ввода — фрвйиграбберов. Так были организованы, в частности, отечественные системы «Видеоскан» и «Мегапиксел». Однопроцессорная структура имеет существенный недостаток— невозможность обработки сложного (в том числе цветного) изображения в реальном масштабе времени. Относительно низкое быстродействие этих систем обусловлено невозможностью распараллеливания вычислений и отсутствием специальной шины для передачи изображений. Наиболее распространенным путем повышения производительности СТЗ явилась концепция фирмы 1 !а~а Тгапя1айоп !США), предполагающая не только аппаратную фильтрацию изображения, но и использование в устройстве ввода программируемых логических матриц, позволяющих изменять алгоритм обработки в зависимости от типа и характера изображения.
В болыпинстве случаев СТЗ на базе персонального компьютера включают в состав системы управления, а ее обучение осуществляет оператор в ручном или полуавтоматическом режиме. ! ! ! Псрсональный компьютер ! 3 Рис. 6.1. Структура СТЗ на базе персонального компьютер» 6.1. Общие введения В целях уменьшения времени на пересылочные операции из памяти в процессор и обратно потоки информации разделяют, т. с. создают многошинные структуры. Примером является модель РТ-100 фирмы Ра!а Тгль1а!юп, Большинство таких систем имеют две шины (рис. 6.2, и), по одной из которых передается видеоинформация (шина изображения), по другой — управляющие сигналы (шина ущивления), Это позволяет совмещать во времени процесс управления системой и передачу данных, Для повышения эффективности вы- числений СТЗ содержит несколько блоков обработки данных (например, однокристальных) БО!, ..., БОу.
Каждый блок специализирован на определенный круг задач, которые решаются параллельно. Общее управление работой системы осуществляет персональный компьютср (процессор управления). Эта структура также не лишена недостатков, которые связаны с возможностью возникновения конфликтов на шинах. Их разрешение требует либо организации жесткой приоритетной дисциплины обращения к шинам, либо использования шинного арбитра и диспетчера заданий.
Первый способ дает болыной выигрыш по быстродействию, но возможен только для определенного класса задач, второй позволяет анализировать любые изображения, но его реализация ведет к временным потерям на их анализ, определение процедур обмена и выдачу текущих заданий блокам обработки данных. Одно из условий эффективной реализации процесса параллельной обработки — наличие у задачи внутреннего параллелизма, благодаря которому она может быль разбита на отдельные слабозависимые части.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
