CC BY
163
УДК 004.93'1
СИСТЕМЫ ИСКУССТВЕННОГО ЗРЕНИЯ
Иванько Михаил Александрович
доцент кафедры информатики и информационных технологий, кандидат технических наук, доцент Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова 127550 Россия, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 2А а1ек/её@таИ. ги
Клепикова Анастасия Владимировна
студентка Института принтмедиа и информационных технологий Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова 127550 Россия, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 2А к1ер1коуапа&1уа@таИ- ги
Аннотация. В данной работе рассматриваются определение и основные принципы построения систем искусственного зрения, актуальность их применения в современном мире, а также новейшие тенденции развития технологий создания подобных систем.
Ключевые слова: системы искусственного зрения, техническое зрение, компьютерное зрение, распознавание образов, сегментация.
Большую часть информации в нашей жизни мы воспринимаем зрительным путем. Но что делать тем людям, которые вследствие травм или врожденных заболеваний были лишены этой возможности? Последние научные достижения показали, что частично решить эту проблему могут системы искусственного зрения, активно развивающиеся на данный момент.
Впервые упоминание об этой технологии было замечено в предсказаниях Бенджамина Франклина в XVШ в. В 1751 г. он установил влияние электричества на зрение, а в середине прошлого века его предположения подтвердились. Тогда было установлено, что электростимуляция кортекса действительно помогает слепым воспринимать фосфены, или точки света.
На сегодняшний день под системами искусственного зрения понимают программно-аппаратные системы, способные извлекать информацию из изображений, полученных со зрительных сенсоров. Так как зрительный аппарат человека до конца не изучен, при создании систем искусственного зрения возникает ряд проблем:
• сложность предварительной обработки изображений;
• к сожалению, алгоритмы анализа изображений зачастую слишком сложны в программной реализации. Выделение контуров объектов требует больших вычислительных мощностей и длительного времени. Кроме того, не исключены ошибки в понимании объектов;
• чаще всего в таких системах используется монокулярное видение, что приводит к плоскому отображению проекции объекта, а следовательно, к потере информации о его пространственно-временных характеристиках;
• существующие системы искусственного зрения не способны в полной мере оценить свойства и пространственно-временные характеристики активных объектов.
В целом принцип действия систем искусственного зрения одинаков. Технически они состоят из камеры, захватывающей изображения, платы ввода изображения, отвечающей за оцифровку, и платы управления движением, отвечающей за перемещения камеры в пространстве.
Работа устройства строится на базовых процессах технического или машинного зрения, которое реализует выделение, идентификацию и преобразование видеоинформации. Она основана на прохождении шести этапов:
• получение информации — за получение или восприятие информации в таких устройствах чаще всего отвечает небольшая камера. Она может быть встроена, например в дужку очков;
• предварительная обработка информации — процесс необходим для улучшения отображения некоторых элементов, а также устранения шумов и помех, что в значительной мере повышает вероятность верного распознавания объектов сцены;
• сегментация — заключается в разделении сцены на составные части для выделения интересующих объектов;
• описание — после того, как на этапе сегментации был получен массив информации, следует определить характерные параметры, необходимые для выделения интересующих объектов сцены для дальнейшего распознавания;
• распознавание — осуществляется посредством идентификации объектов в соответствии с программным набором информации;
• интерпретация — заключительный этап в работе устройств искусственного зрения, на котором происходит установка принадлежности объекта к конкретной группе, определяется его зрительный образ.
После того как визуальная информация была получена, она отправляется на компьютер и преобразуется в электронные сигналы посредством ресивера. В зависимости от того, как и где используется система, в роли компьютера могут выступать как небольшое карманное устройство, которое человек может всегда носить с собой, так и промышленные компьютеры, построенные на базе стандартных шин PCI и PCIe.
В случае систем для слабовидящих людей дальнейшая передача осуществляется на чип, вживленный в сетчатку глаза. Ранее сигналы передавались через кабель, соединяющий компьютер с камерой, но с развитием технологий системы модифицировались и перешли к беспроводной передаче данных. Такой способ, конечно, имеет свои недостатки, но значительно повышает уровень удобства использования для человека.
На уровне чипа происходит расшифровка полученных данных и перевод их в слабые электрические сигналы. Через решетку из электродов они стимулируют сетчатку и передают импульсы на глазной нерв, после чего изображение может восприниматься мозгом как образ объекта. Несмотря на то, что об искусственном зрении говорили только писатели-фантасты, сегодня уже создан ряд продуктов, нашедших свое применение в самых различных областях, таких как медицина, робототехника и военная промышленность.
Так, компания Intelligent Medical Implants GmbH разработала систему ретинального импланта, состоящую из трех частей: сам имплант из 50 электродов, очки со встроенной мини-камерой, компоненты для беспроводной передачи радиосигнала и процессор для восстановления функций обработки изображений здоровой сетчатки. Данный аппарат помогает пациентам до 6 месяцев различать отдельные предметы, рисунки, распознавать свет. Более подробные испытания проводятся в нескольких европейских центрах.
Аналогом этого аппарата можно считать устройство OrCam — разработку американских ученых. Оно представляет собой небольшую камеру, закрепленную на дужке очков, которая отвечает за сканирование окружающего пространства. После передачи данных в базовый модуль изображение анализируется и преобразовывается в звуковое сообщение, которое поступает в наушник с костной проводимостью. Данный аппарат помогает даже полностью слепым людям не только читать вывески и указатели, книги и газеты, но и идентифицировать продукты в магазинах. Пока OrCam способна различать только английский печатный текст, но, как сообщают разработчики, в скором времени система научится распознавать различные языки, рукописный текст и даже лица. Важным преимуществом аппарата является независимость от качества связи, что обеспечивает стабильную работу при любых условиях.
Однако единственным на сегодняшний день продающимся продуктом является «искусственный глаз» Argus II от компании Second Sight. Он использует электроды, вживленные в глаз, что позволяет восстановить зрение людям даже с неработающей сетчаткой. Но и данное изобретение имеет некоторые недостатки. Так как в основе устройства лежит
беспроводная передача энергии радиоволнами, с увеличением длины электромагнитной волны становится проблематичным снабдить глаз необходимым количеством энергии. Этот факт на данный момент мешает повысить разрешение систем.
Искусственное зрение также нашло применение и в авиации. Недавно аэрокосмическое агентство NASA представило систему для гражданских самолетов, способную ясно передавать пилоту местность в любых погодных условиях. Компьютер на борту по данным со спутников точно определяет местоположение самолета, после чего координаты сопоставляются с трехмерной картой, и цветное изображение выводится на экраны, расположенные в кабине. Таким образом, пилот всегда видит точную картину вне зависимости от погодных условий, а о состоянии взлетной полосы его предупреждает система уведомлений. Как сообщает пресс-служба NASA, испытания данной системы прошли довольно успешно, и в скором времени системой искусственного зрения будут снабжены все пассажирские самолеты, что позволит значительно уменьшить процент авиакатастроф.
Стоит отметить, что в настоящее время как в России, так и за рубежом активно ведутся разработки систем искусственного зрения. Специалисты пытаются улучшить характеристики остроты воспроизведения изображений, ведь используемые на данный момент микросхемы с трудом достигают уровня зрения 20/1260, что позволяет различать только силуэты, но не печатный текст. Также ведется поиск новых конструкторских решений, что позволит системам в полной мере отвечать всем требованиям производительности, надежности и гибкости.
Однако, несмотря ни на что интерес к подобным системам растет с каждым днем, и на это есть ряд причин. Во-первых, подобные технологии являются прорывом в области медицины. Если ранее шансы на выздоровление у пациентов с нарушениями сетчатки были малы, то теперь возможность восстановления зрения вполне реальна.
Кроме того, искусственный глаз открывает возможности и перед здоровыми людьми. Ведь повышение остроты зрения пригодилось бы, например пилотам, военным или автомобилистам. Поэтому смело можно сказать, что в скором времени системы искусственного зрения откроют перед человечеством огромные перспективы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Theguardian: Bionic eye promises vision for the blind. June 2013. [Электронный ресурс]. — URL: http://www.theguardian.com/world/2013/jun/07/bio nic-eye-vision-for-blind (дата обращения 5.09.15).
2. Основы робототехники / H.B. Василенко, К.Д. Никитин [и др.]Томск:РАСКО, 1993 — С. 388392.
3. Бионический глаз научился читать верхнюю строчку офтальмологической таблицы [Электронный ресурс]. — URL: https://nplus1.ru/
news/2015/04/30/httpsnplus 1 гшиЬпйесЬпо1о^Ьюп юеуе (дата обращения 10.09.15)
4. Иванько А.Ф., Иванько М.А. Информационные технологии в издательском деле: учеб. пособие. — М.: Изд-во МГУП, 2013. — 136 с.
5. Винокур А.И., Иванько А.Ф., Иванько М.А. Информационные системы в издательском деле: учеб. пособие. — М.: Изд-во МГУП, 2015, — 232с.
6. Немцова Т.И., Назарова Ю.В. Практикум по информатике: учеб. пособие. — М.: ИНФРА-М, 2011. — 320 с.
7. Гаврилов В. Электронный глаз // Ежедневная деловая газета РБК № 47 от 16 марта 2007 г.
8. Ибрагимов В.В., Арсентьев Д.А. Алгоритмы и методы распознавания личности в условиях современных информационных технологий // Вестник МГУП имени Ивана Федорова. — 2015. — № 1. — С. 67-69.
SYSTEM OF ARTIFICIAL VISION
Mihail Alexandrovich Ivanko
Moscow State University of Printing Arts 127550Russia, Moscow, Pryanishnikova st., 2А
Anastasia Vladimirovna Klepikova
Moscow State University of Printing Arts 127550 Russia, Moscow, Pryanishnikova st., 2А
Annotation. In this paper discusses the definition and basic principles of artificial vision systems, the urgency of their application in the modern world, as well as the latest technology trends of creating such systems.
Keywords: artificial vision systems, machine vision, computer vision, pattern recognition, segmentation.
