НОВОЕ ЗРЕНИЕ

(КИП и автоматика. март 2004 с. 51-53)

Ю.С. Павленко pav_yura@mail.ru, г. Полтава, Украина

Зрение - самое информативное из чувств. По некоторым оценкам две трети информации об окружающей среде человек получает глазами. Не даром говорят о чем-то очень важном: «Беречь как зеницу ока». А значит, разработка новых способов восстановления зрения человека и создания зрения для роботов очень востребована.

Для человека

Наша способность видеть - это результат процесса, очень похожего на фотосъемку. В камере лучи света проходят сквозь линзу и фокусируются на фотопленке. Глаз выполняет аналогичную функцию: лучи света проходят сквозь роговицу и хрусталик, которые фокусируют изображение на сетчатке — светочувствительном слое на задней стенке глаза. Наиболее чувствительная область сетчатки, которая получает и обрабатывает тонкие детали, называется «пятно». Когда человек хочет обратить свое внимание на что-либо или рассмотреть подробнее, он направляет свой взгляд так, чтобы изображение интересующего объекта попадало на «пятно». Именно «пятно» обеспечивает высокую четкость видимого человеком мира.

Но богатство красок и четкость линий мира доступна не всем. Около 30 миллионов человек страдают от двух наиболее распространенных повреждений сетчатки - пигментирование сетчатки и возрастное разрушение «пятна». Первое заболевание приводит к сокращению области четкого зрения, человек видит окружающий мир как через тонкую длинную трубку. Если «трубка» станет очень узкой, может наступить слепота. Второе заболевание не приводит к сокращению области четкого зрения, но само зрение теряет четкость. Все части сетчатки становятся одинаково чувствительными, у человека остается только периферийное зрение. Попробуйте прочитать или рассмотреть что-либо, глядя «в сторону», и вы получите представление о том, как видят такие люди.

Существуют различные методы лечения данных заболеваний, однако один из самых прогрессивных и современных разработан фирмой Optobionic (www.optobionics.com). Основатели фирмы Винсент и Алан Чоу (Vincent Chow and Dr. Alan Chow) разработали искусственную кремниевую сетчатку (Optobionics' Artificial Silicon Retina^TM, ASR^tm). Она представляет собой микрочип, который стимулирует поврежденные части сетчатки, позволяя им посылать визуальные сигналы в мозг снова.

Рис. 1

 — кремниевый чип диаметром 2 мм и толщиной 25 микрон, менее толщины человеческого волоса (см. рис. 1). Он содержит приблизительно 5,000 микроскопических солнечных батареек, называемых «микрофотодиодами» («microphotodiodes»), каждая со своим собственным стимулирующим электродом. Эти микрофотодиоды преобразовывают энергию света в электрохимические импульсы, которые стимулируют клетки сетчатки.

Микрочип ASR питается исключительно окружающим светом и не требует внешних источников питания. Малые размеры и отсутствие необходимости в проводах и внешних источниках питания позволяют разместить ASR между слоями сетчатки глаза (см. рис. 2). Операция по сложности соответствует обычным офтальмологическим операциям и длится всего 2 часа.

Рис.2

Клинические испытания, начатые 28 июня 2000 года, подходят к концу. За это время проведено несколько операций по имплантации чипа, за каждым пациентом проводилось наблюдение в течение полутора лет. Результаты хорошие, а значит, людям, потерявшим зрение, можно будет вернуть радость видеть окружающий мир.

...и для машины

Создать «глаз», подобный человеческому, уже возможно. Но что это, несомненно, нужное, сложное и высокотехнологичное устройство для развития робототехники? Практически ничего... Ведь глаз человека это всего лишь природой сконструированный фотоаппарат, с автоматическим фокусом и коррекцией яркости изображения, фиксируемого на пленке-сетчатке. Пользы от него было бы не больше, чем от непроявленной пленки, если бы не наш чудесный фотоцентр — мозг. Именно он «сфотографированное» изображение превращает в понятную, имеющую смысл окружающую среду. Научить машину понимать окружающую обстановку — одна из составляющих сложнейшей задачи по созданию искусственного интеллекта. И первейшая задача на этом пути — способность отделять подвижные объекты окружающей среды от «фона».

Оптические потоки

С явлением, называемым «оптический поток», мы сталкиваемся каждый день. По существу, оптическим потоком является визуальное движение мира, которое вы получаете при движении или когда что-либо движется мимо вас. Представьте, что вы сидите за рулем движущегося автомобиля. Вы видите как деревья, земля, строения, и т. п., движутся к вам. Это движение является оптическим потоком Оптический поток сообщает вам, как близко вы находитесь от других объектов, которые вы видите. Отдаленные объекты, например, облака и горы, движутся так медленно, что это практически незаметно. Близкие объекты, например, здания и деревья, перемещаются намного быстрее. Таким образом, существует математическая связь между величиной оптического потока и положением объекта относительно вас. Если вы удваиваете скорость движения, оптический поток, который вы видите, также удвоится. Если объект станет в два раза ближе к вам, оптический поток снова удвоится. Также оптический поток изменится в зависимости от угла между направлением вашего движения и направлением на рассматриваемый объект.

Вот как бы выглядел оптический поток для пилота самолета (рис. 3). Он видит, как к нему приближается высокая скала, а также видит расстояние до земли (чем ближе, тем больше оптический поток).

Рис. 3

На основании оценки оптического потока получаются такие сложные понятия как «комфортное расстояние» и «комфортная скорость»  (редкому человеку доставит удовольствие езда на машине по узкому тоннелю на огромной скорости), «большой-маленький», «далеко-близко».

Механические насекомые

Читателю может показаться, что реализация данных алгоритмов крайне сложна и требовательна к вычислительным ресурсам. Однако это не так.

Компания CENTEYE (www.centeye.com) при поддержке DARPA и U.S. Naval Research Laboratory разработали оптическую систему Ladybug™ весом всего 4.5 грамма (см. рис. 4).

Ladybug™ содержит приемную оптику, обрабатывающий процессор и интерфейс взаимодействия с другими компонентами. При более чем скромных размерах и весе данный сенсор работает со скоростью 3000 кадров в секунду! Огромная скорость позволяет как стабильно распознавать быстродвижущиеся объекты, так и быстро реагировать на окружающую обстановку при высоких собственных скоростях.

Рис. 4