Robotica Y Vision Artificial

Carlos A. Rivera P., Nelson G. Quira M.
Ingeniería Electrónica, Facultad de Ingeniería, Corporación Universitaria Autónoma del Cauca
ROBOTICA Y VISION ARTIFICIAL

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Resumen—la robótica y la visión artificial son dos electos fundamentales para el desarrollo de la inteligencia artificial. La robótica es un componente esencial de la automatización y de la fabricación y con la mano de la visión artificial complementaran, y perfeccionaran las capacidades autónomas de un robot.

Palabras Clave:
• Visión artificial.
• Robótica.
• Robot.
• Imágenes.
• Autómata.
• Sensores.
• Tercera dimensión.
• Visión biológica.

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Keywords: En caso de que el artículo esté en inglés debe entonces escribirse las palabras claves (máximo 8) en esta misma lengua.

INTRODUCCIÓN

Se puede considerar que la robótica y la visión artificial o por computador son de las tecnologías con más auge en la actualidad y con mayor impacto en la nueva sociedad tecnológica. En la actualidad el desarrollo de estas disciplinas se encuentran en un desarrollo muy lento. Sin embargo, hoy día en entornos industriales sí que se puede afirmar que desarrollan una tarea muy importante, llegando incluso a considerarse imprescindible en determinados ámbitos. De hecho el desarrollo de estas tecnologías es motivo de recientes investigaciones y presenta un crecimiento continuado.

¿QUÉ ES ROBÓTICA?
Término general que se refiere al estudio de la tecnología del robot.
Robot: Manipulador controlado por computadora diseñada para mover materiales, piezas, herramientas u otros dispositivos especializados a través de una serie de pasos programados.
La robótica se define como:
El conjunto de conocimientos teóricos y prácticos que permiten concebir, realizar y automatizar sistemas basados en estructuras mecánicas poliarticuladas, dotados de un determinado grado de "inteligencia" y destinados a la producción industrial o al sustitución del hombre en muy diversas tareas. Un sistema robótico puede describirse, como "Aquel que es capaz de recibir información, de comprender su entorno a través del empleo de modelos, de formular y de ejecutar planes, y de controlar o supervisar su operación". La robótica es esencialmente pluridisciplinaria y se apoya en gran medida en los progresos de la microelectrónica y de la informática, así como en los de nuevas disciplinas tales como el reconocimiento de patrones y de inteligencia artificial.
La robótica es un componente esencial de la automatización de la fabricación, que afectará; a la mano de obra humana a todos niveles, desde los trabajadores más especializados hasta los técnicos profesionales y directores de producción. Los futuros robot pueden encontrar aplicaciones fuera de la fabrica en bancos, restaurantes e incluso en sus propios hogares. Es posible, y quizá; probable, que la robótica llegue a ser un campo como el de la tecnología informática actual, que invada nuestra sociedad.
En las historias de robots de Isaac Asimov, éste prevé un mundo futuro en que existían reglas de seguridad para que los robots no puedan ser dañinos para los seres humanos, por tal razón Isaac Asimov propuso tres leyes de la robótica
En el campo de la robótica tiene sus orígenes en la ciencia ficción. El término robot proviene del checo robota que significa trabajo y lo usó por primera vez el escritor Karel Capek en 1917 para referirse en sus obras a máquinas con forma humanoide.
LEYES DE LA ROBÓTICA
1. Un robot no puede dañar a un ser humano o, a través de la inacción, permitir que se dañe a un ser humano.
2. Un robot debe obedecer las órdenes dadas por los seres humanos, excepto cuando tales órdenes estén en contra de la primera ley.
3. Un robot debe proteger su propia existencia siempre y cuando esta protección no entre en conflicto con la primera y segunda ley.
El concepto popular de un robot es que tiene apariencia humana y que actúa como un ser humano. Este concepto humanoide ha sido inspirado y estimulado por varias narraciones de ciencia ficción .

VISION ARTIFICIAL

La visión de máquina también denominada visión de computadora y visión artificial, es una importante tecnología de sensores con aplicaciones potenciales en muchas industrias.

La visión de máquina se refiere a la detección de datos de visión y su interpretación por una computadora. El sistema de visión típico está constituido por la cámara y equipo de digitalización, una computadora digital y los elementos de Hardware y Software necesarios para su interconexión.

El funcionamiento del sistema de visión está constituido por tres funciones:

1.- Detección y digitalización de datos de imagen.
2.- Análisis y procesamiento de imágenes.
3.- Aplicación.

DETECCIÓN Y DIGITALIZACIÓN DE DATOS DE IMAGEN.

Para la entrada de datos de visión se realiza por medio de una cámara enfocada en la escena de interés. La imagen visionada por la cámara se suele digitalizar y almacenar en memoria de computadora. La imagen digital se denomina un campo de datos de visión y se suele capturar mediante un dispositivo de Hardware denominado un captador de trama. Estos dispositivos son capaces de digitalizar imágenes a una velocidad de treinta cuadros por segundo. Los cuadros están constituidos por una matriz de proyecciones de representación de datos de la escena detectada por la cámara. Los elementos de la matriz se denominan elementos de la imagen o píxeles. Un píxel individual es la proyección de una pequeña parte de la escena, que reduce esa parte a un valor único. El valor es una medida de la intensidad de la luz de ese elemento de la escena.



ANÁLISIS Y PROCESAMIENTO DE IMÁGENES.

Para realizar el procesamiento de imágenes y su análisis, el sistema de visión debe capacitarse con frecuencia. En este proceso se obtiene información sobre los objetos prototipos y se almacenan como modelos de computadora. La información recogida durante la capacitación está constituida por características tales como el área del proyecto, su longitud perimétrico, diámetros mayor y menor, y otras características similares.

APLICACIÓN.

Las aplicaciones actuales de la visión de máquina en la robótica incluyen la inspección, identificación de piezas, la localización y la orientación.

Los sistemas de visión se pueden clasificar de varias formas. Una clasificación obvia es si el sistema trata un modelo bidimensional o tridimensional de la escena.

Avances en visión robótica: los robots podrán ver.
Gracias a los últimos avances en la robótica, y según una nota de prensa publicada por la National Science Foundation de los Estados Unidos, un equipo de científicos está desarrollando nuevas tecnologías que podrán dar a los robots la capacidad de visión en el mundo real. En un futuro, estos robots capaces de “ver”, podrían controlar aeropuertos, pilotear aviones en condiciones meteorológicas difíciles y conducir vehículos militares.

Un equipo de investigación dirigido por el experto en visión robótica Vladimir Brajovic, pretende crear un chip de imágenes que supere los efectos dañinos de iluminación arbitraria y permita que la visión robótica salga de la iluminación controlada de un laboratorio y entre en la iluminación errática del mundo natural. Los científicos ya han logrado el primer paso hacia su objetivo final: un programa que simula el circuito del chip y puede descubrir detalles escondidos en imágenes existentes. Este nuevo objeto óptico funcionará más como una retina que un sensor de imágenes tradicional.

De la misma forma en que las neuronas en el ojo procesan los datos antes de enviar señales al cerebro, los píxeles de este nuevo aparato podrán intercambiar información entre ellos sobre qué están viendo. Los píxeles utilizarán esta información para modificar su comportamiento y adaptarse a la luz para recoger información visual incluso en las condiciones más adversas.

En una demostración en línea, el plug in del simulador de programa, llamado Shadow Illuminator (Iluminador de Sombras) ha procesado más de 80.000 imágenes de todo el mundo. Al equilibrar la exposición sobre imágenes, eliminar “ruido” y mejorar el contraste, el programa reveló texturas que faltaban, mostró individuos escondidos e incluso descubrió características ocultas en imágenes de radiografías médicas.


Resultados
MODELOS EXPERIMENTALES


En nuestra vida diaria tenemos aplicaciones de visión artificial casi en todos lados, cuándo el código de barras es leído por la computadora del supermercado, en los partidos de fútbol al ver una escena virtual y al observar al comentarista adentrándose de una manera un tanto mágica dentro de la escena. En cada uno de estos momentos, estamos siendo participes de la visión artificial y de la generación de entornos visuales. Lo mismo sucede, cuando se calcula la distancia de un tiro a la portería o en momento en el cual jugamos una guerra simulada en la computadora.
Los avances en el campo de la computación, han permitido el desarrollo de herramientas para el modelado de objetos bidimensionales y esto da origen a la visión artificial, rama de la inteligencia artificial que tiene como objetivo, analizar y proponer herramientas para intentar reproducir o imitar lo que hasta hoy hace el ojo humano (visión biológica). Entre los problemas que intenta resolver, se encuentra el interpretar de manera automática una o varias partes de un objeto.

Cabe señalar, que el inicio de la visión artificial, desde el punto de vista práctico, fue marcado por Larry Roberts, considerado el creador de ARPAnet, la red de computadoras surgida de un proyecto creado inicialmente con propósitos militares a fines de los años sesenta y que luego se transformaría en el antecedente de la Internet. Asimismo, en 1961 creó un programa que podía "ver" una estructura de bloques, analizar su contenido y reproducirla desde otra perspectiva, demostrando así a los espectadores que esa información visual que había sido mandada al ordenador por una cámara, había sido procesada adecuadamente por él.
Sus herramientas están agrupadas por el procesamiento digital de imágenes y por el reconocimiento de patrones. Además, sus áreas de aplicación son muy amplias agrupadas en pacíficas o militares.
En el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico ( CeNIDeT), localizado en Morelos, el Dr. Raúl Pinto Elías, director del proyecto de visión artificial en coordinación con su equipo, está trabajando en el desarrollo de herramientas para el modelado y reconocimiento de objetos utilizando visión artificial. Recientemente, han incursionado en el campo de la generación automática de modelos, a través de la visión artificial y su representación en entornos virtuales. Sus primeros trabajos, se iniciaron en 1998; actualmente cuenta con 22 de éstos, en donde se ha irrumpido en el reconocimiento de personas, la inspección de botellas para verificar su correcto llenado y que la tapa sea colocada adecuadamente, reconocimiento visual del habla y seguimientos de objetos, entre otros.
Este tipo de proyectos de investigación, realizados en nuestra entidad, permitirán a corto plazo abordar otros problemas como el relacionado con la generación automática de casos de prueba, para la navegación con robots móviles, en la reconstrucción de escenas 3D (tercera dimensión) a partir de imágenes 2D (segunda dimensión), restablecimiento y visualización de volumen partiendo de imágenes médicas, estudios endoscópicos no invasivos del corazón, arterias e intestinos.
Imagínate gracias a esta tecnología, si llegamos a tener algún problema relacionado con la salud, ya no tendrán que introducirnos ningún objeto para ser analizados, bastará con colocar una cámara cerca de nuestro estómago para ser examinado.
También, en el área criminalística, gracias a esta avanzada tecnología, se podrán recuperar escenas para ser estudiadas, aplicando leyes de la física al movimiento de los cuerpos para determinar trayectorias y posibles escenarios alternos de manera automática a partir de la información visual de una escena, por mencionar algunos.
Como vez, esta área de las ciencias computacionales son sumamente interesante y cada día nos sorprende con nuevos avances tecnológicos.
“Una vez que el entorno virtual se ha construido, se puede manipular este mundo y observar características y/o comportamientos que difícilmente se obtendrían de las imágenes originales”.




CONCLUSIONES

• A medida de las investigaciones y conocimientos adquiridos a través de estas podemos en un futuro no muy lejano implementar robots que a demás de prestarnos un servicio sea capaz de analizar y tomar sus propias decisiones a partir de imágenes.
• La visión robótica contribuye también al conocimiento científico de la medicina sin necesidad de operaciones quirúrgicas.
• Lo anterior sin violar las tres leyes fundamentales de la robótica.

Referencias
1. Davies, E. Roy “Machine Vision: Theory, Algorithms, Practicalities” Ed. Elsevier-Morgan-Kaufmann. 3a Edición (2005) ISBN 0122060938
2. Snyder, Wesley E.; Qi, Hairong “Machine Vision” Cambridge University Press (2004) ISBN 052183046X
3. Faugeras, Olivier “Three dimensional computer vision: A geometric viewpoint” The MIT Press (1993) ISBN 0262061589
4. Trucco, Emanuele; Verri, Alessandro “Introductory techniques for 3D computer vision” Ed. Prentice Hall (1998) New Jersey ISBN 0132611082
5. Gonzalez, Rafael C.; Woods, Richard E. “Digital Image Processing” Ed. Prentice Hall (2002) 2ª Edición (International Edition). New Jersey ISBN 0201180758