РОБОТОТЕХНИКА

ВОСПРИЯТИЕ ДВИЖЕНИЯ

13.1. ДВИЖЕНИЕ ГЛАЗА

В большинстве работ, в ходе которых делались попытки моде­лирования функций глаза животного и его сетчатки, неизменно предполагалось, что рассматриваемое изображение должно проек­тироваться на неподвижную сетчатку. Позиционирование почти всегда осуществлялось за счет перемещения рассматриваемого объекта в определенную позицию перед неподвижной сетчаткой [23]. Однако можно получить ряд потенциальных преимуществ, придав искусственной сетчатке подвижность, которой обладают сетчатки живых существ. Недостаток этого подхода состоит в том, что быстродействие такого устройства не будет значительно пре­вышать быстродействие глаза животного, поэтому неподвижной сетчатке, вероятно, следует отдать предпочтение в тех случаях, когда требуется значительное быстродействие. Однако глаз любого человекоподобного робота, по-видимому, должен быть наделен подвижной сетчаткой.

Глаз человека приводится в движение шестью мышцами. С технической точки зрения для управления движением глазного яблока их требуется как минимум три. Управление существенно упрощается, если четыре мышцы используются попарно — по горизонтали и вертикали. Еще большего упрощения можно до­стичь, если в проектируемом роботе использовать возвратные пружины в сочетании с двумя, горизонтальным и вертикальным, мускульными устройствами. Однако в этом случае для удержания сетчатки в среднем положении необходимо обеспечивать непрерыв­ное возбуждение.

Многое относительно позиционирования искусственной сетчатки можно почерпнуть из инженерного опыта, полученного при по­строении двухкоординатных самописцев, в которых перо пере­мещается в двух направлениях, вычерчивая на бумаге графическую зависимость. Здесь делались попытки увеличить скорость реакции пера, а также точность воспроизведения на диаграмме управля­ющих входных напряжений. Учитывая опыт, полученный при выполнении этой работы, можно констатировать, что достижение уровня функционирования подвижного глаза человека и живот­ного — задача крайне трудная. Дополнительной трудностью, как и в случае всех других движений робота, является шум, про­изводимый при движении.

Интересно отметить, что в работах по самописцам и им подоб­ным устройствам было обнаружено, что при движении очень полезно вводить небольшой тремор. Хорошо известно, что статическое трение намного превосходит кинетическое. При

перемещении трение уменьшается. Автор данной книги исполь - зовал это в электромеханических сервосистемах, где требовалось линейное перемещение, используя вращение стержня, который следовало перемещать; вращение осуществлялось под прямым уг­лом к направлению перемещения. У глаза животного всегда име­ется подобный небольшой тремор, необходимый для преодоления статического трения [22]. Можно, однако, показать, что тремор глаза — весьма существенная часть процесса видения.

13.2. ТРЕМОР ГЛАЗА [30]

Несколько удивительным кажется то обстоятельство, что в большинстве работ, проведенных во всем мире по созданию ма­шин, предназначенных для распознавания зрительных образов, одна очень простая особенность зрения животного оказалась - полностью забытой.

Эта особенность — постоянный тремор, или легкое «подраги­вание», которое происходит непрерывно [1]. У простейшего ми­кроскопического живого существа copilia передвижение простой сетчатки из стороны в сторону, по-видимому, используется для экономии числа требуемых элементов сетчатки. Действительно, это существо обладает системой зрения, работа которого очень напоминает сканирование телевизионного изображения.

У более совершенных живых существ и человека непрерывная вибрация глаза оказывается столь же важной для зрения, как и у простейшей copilia. Различными способами, как правило, до­вольно болезненными, удается предотвратить вибрацию оптиче­ского изображения, падающего на сетчатку. Один из способов включает в себя прочное связывание рассматриваемой картины с глазным яблоком при помощи палочки и подходящего клея. Если это сделано, картина будет рассматриваться по фрагментам, в более элементарных образцах, таких, как прямые линии, углы, кривые и т. д. Очень может быть, что функция сканирующих перемещений состоит в связывании этих элементов в единое целое для получения цельного представления. Эванс полагает, что такая фрагментация производится в тех случаях, когда объем информации, попадающий в глаз, уменьшается, например при изменении освещенности [17].

Важной функцией оптической вибрации является уменьшение или подавление оптических шумов, что было использовано в обо­рудовании с волоконной оптикой в качестве световодов [2].

Множество тонких стеклянных волокон может быть собрано в пучок и использовано для переноса света из одного места в другое.

Изображение, проектируемое на один конец пучка, наблю­дается на другом конце при условии, что порядок расположения волокон на обоих концах одинаков. Однако из-за конечного раз­мера сечения отдельных волокон получаемая картина видится

как набор отдельных участков, а не как единое целое. Разбиение картины на отдельные точки в этом случае может рассматриваться как вид оптического шума. Установлено, что этот видимый шум можно значительно уменьшить посредством вибрации всего пучка, с тем чтобы каждое волокно сканировало один небольшой участок картины.

Можно привести еще одну иллюстрацию подавления оптиче­ского шума, обеспечиваемого введением движения. Простой зри­тельный образ, например контур лица, выполняется черными чернилами на прозрачном материале. На другом идентичном про­зрачном материале изображаются случайные линии. Этот «опти­ческий шум» помещается перед рисунком лица. Хотя глаз чело­века в состоянии видеть все линии, составляющие рисунок лица, изображение не воспринимается как целое, поскольку оно сме­шивается с отдельными линиями, образующими случайный опти­ческий шум. Однако, если рисунок лица или изображение шума движется, лицо немедленно становится видимым. Если перемеще­ние прекращается и наблюдатель смотрит в течение нескольких секунд в сторону, а затем вновь видит сочетание изображе­ние — шум, лицо опять становится невидимым, хотя теперь наблюдатель знает, что оно должно быть. Демонстрация эффекта взаимосвязанного перемещения изображения и шума весьма впечатляет.

Хорошо известная оптическая иллюзия, изученная Маккеем, состоит в появлении ясно видимых, хотя и не существующих, линий под прямыми углами к пучку радиально расходящихся линий.

И опять предполагается, что иллюзия исчезает, если исклю­чить взаимное перемещение глаза и картины. Таким образом, вполне возможно, что этот эффект представляет собой один из вариантов «муарового эффекта» между изображением, наблюдае­мым в данный момент, и изображением, которое мы наблюдали на мгновение раньше.

Из изложенного следует, что явление глазного тремора, по-видимому, имеет важное значение в кибернетической технике. Тот факт, что уменьшение освещенности дает тот же эффект, что и снятие относительного вибрирующего движения, а именно фраг­ментацию изображения, позволяет считать, что искусственная сетчатка должна обладать каким-то видом вибрации для более качественного распознавания образов, особенно в условиях оптических шумов.

Вибрация сетчатки глаза робота может осуществляться меха­нически. Очевидно, однако, что электронный метод осуществления эффективного вибрационного сканирования, где отсутствуют дви­жущиеся части, более предпочтителен.

Интересно отметить, что метод дрожания изображения, или модуляции яркости, был использован для уменьшения погрешно­сти цифрового кодирования видеосигналов [14 —16 j.

Несмотря на то что в настоящее время удается получить фото­элементы очень малых размеров, использовать их в искусственных сетчатках трудно из-за наличия большого числа соединительных проводов, необходимых для подключения отдельных элементов искусственной сетчатки. И хотя вполне возможно, что с развитием наших знаний о зрительных процессах соединение каждого от­дельного элемента с центральным вычислительным устройством не будет обязательным, число требуемых соединений будет оста­ваться, по-видимому, весьма большим.

Некоторый прогресс в этом вопросе достигается благодаря применению интегральных микросхем, но в данном случае он сводится к использованию отдельных линеек элементов, а не полных двумерных матриц.

Исходя из этого в настоящее время следует ожидать приме­нения в искусственной сетчатке фотоэлементов достаточно боль­ших размеров. Изображение будет необходимо увеличить опти­чески, с помощью линз, до размеров, достаточных для приложения к полю сетчатки. Однако как значительные физические размеры оптической системы, так и механическая прочность, необходимая здесь, создают определенные трудности для применения системы в аппаратуре подвижного робота.

Другим решением вопроса является применение гибких свето­проводящих волокон, передающих свет на определенное расстоя­ние от малой «сетчатки» до сравнительно большой матрицы фото­элементов, расположенной в более удобном месте. При таком под­ходе появляется дополнительная возможность осуществления рекомендуемой поперечной вибрации световода.

Барид предложил использовать стеклянные стержни в каче­стве светопроводящих волокон еще в 1926 г., хотя очень сомни­тельно, что их практическое применение началось ранее 50-х годов. Волоконная оптика использует внутреннее отражение для светопередачи без существенных потерь. Этот способ требует при­менения оптических светопередающих волокон, материал кото­рых имеет показатель преломления выше 1,4.

Внутренняя отражающая поверхность обычно предохраняется от загрязнения стеклянным или пластиковым покрытием, име­ющим меньший показатель преломления, чем само волокно. Для уменьшения потерь это покрытие должно обладать толщиной, рав­ной минимум половине длины волны передаваемого света.

Для устранения оптического взаимодействия соседних воло­кон иногда применяется дополнительное черное покрытие каж­дого волокна. Получить приемлемое оптическое изображение с по­мощью волокон очень малого поперечного сечения, как правило, довольно трудно.

Передающее волокно будет воспринимать свет в угловом диа­пазоне, определяющим предельное значение угла отклонения луча 235

от оси волокна. Это явление иногда описывают величиной, назы­ваемой числовой апертурой, которая зависит от синуса максималь­ного угла отклонения от оси волокна:

числовая апертура = /ех4 sin 0 = (If — I'l)!

где /ехt — показатель преломления внешней среды (/ext = 1 для воздуха); 0 — максимальный угол относительно оси, при котором свет воспринимается волокном; /f — показатель пре­ломления волокна; 1С — показатель преломления материала по­крытии волокна. Максимальный угол 0 обычно составляет 33°, что соответствует значению числовой апертуры, равному 0,54. Расширение углового диапазона достигается при большем зна­чении показателя преломления материала волокна и большем по­глощении света последним.

Во всех случаях любые изгибы волокна должны иметь мини­мальный радиус, в 10 раз превосходящий его диаметр, во избежа­ние чрезмерных утечек света. Следовательно, если необходимо применять крутые изгибы, стеклянные волокна или стержни должны иметь малый диаметр. Можно получить волокна, име­ющие диаметр 0,01 м.

В световодах имеются различные источники потерь света, поэтому количество передаваемого света уменьшается с увеличе­нием длины световода. Например, если короткий световод пере­дает до 60% света, то световод длиной 2,5 м —лишь 10% света. Волоконные стержни могут быть выполнены с уменьшенным диа­метром на одном конце, что позволяет получить эффективное уве­личение или уменьшение размеров изображения.