機(jī)器人視覺方面?zhèn)鞲衅鞴偌夹g(shù)的應(yīng)用

摘要：在人類的發(fā)展過程中，離不開科學(xué)技術(shù)。在科學(xué)技術(shù)的帶領(lǐng)下，我們才能夠獲得今天美好的生活。現(xiàn)階段，機(jī)器人的研究得到了廣大科研人員的關(guān)注，為了使機(jī)器人更形象更逼真，科研人員提出將傳感器應(yīng)用到機(jī)器人中，充當(dāng)人類的器官，這一做法得到了全世界各國(guó)科研人員的贊同。本文系統(tǒng)地闡述了傳感器在機(jī)器人視覺方面的應(yīng)用，旨在為機(jī)器人研究領(lǐng)域的發(fā)展提供一些理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：傳感器技術(shù) 機(jī)器人 視覺研究

中圖分類號(hào)：TP242.62 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）10-0079-01

目前機(jī)器人已經(jīng)走進(jìn)了人們的生活，不再是科幻電影中的人物。不僅工廠車間，人們?nèi)粘５纳钌a(chǎn)領(lǐng)域也開始利用機(jī)器人，由此可見，機(jī)器人在各領(lǐng)域的應(yīng)用正在逐步擴(kuò)大。但我們也應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，機(jī)器人的普及還存在一些問題，這些問題阻礙機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展。其中最重要的也是決定性的問題就是大多數(shù)機(jī)器人都是瞎子，他們沒有辦法對(duì)外界事物進(jìn)行感覺，甚至不能自動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的工作，經(jīng)常會(huì)被路上的障礙物所絆倒。在這種情況下，我們必須采取有效措施，將傳感器技術(shù)應(yīng)用到機(jī)器人中，從而賦予機(jī)器人以看的能力，開啟視覺應(yīng)用的大門。

1 傳感器技術(shù)原理

機(jī)器人作為一個(gè)特殊的機(jī)械，從誕生之日起就已經(jīng)存在了大約半個(gè)世紀(jì)，作為人類科技的產(chǎn)物，它早已進(jìn)入并影響著人們的生活。通常情況下，機(jī)器人是一種可以代替人類自發(fā)執(zhí)行某些工作的特殊機(jī)械設(shè)備，平時(shí)只要我們把預(yù)先設(shè)定好的程序輸入到機(jī)器人的中樞控制系統(tǒng)中，它就可以絕對(duì)的服從人類的命令，圓滿的完成各種工作。[1]另外，人類也可以給機(jī)器人制定準(zhǔn)確的行為準(zhǔn)則，也就是說以智能技術(shù)為基礎(chǔ)，促使機(jī)器人在人類限定的范圍內(nèi)進(jìn)行某些行為。近些年來，隨著人們對(duì)機(jī)器人研究的不斷完善，機(jī)器人的智能化程度也越來越高，人們逐漸讓機(jī)器人有了自己的“思想”，同時(shí)機(jī)器人被人們應(yīng)用到各種領(lǐng)域中，在航天工業(yè)、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、海洋工程乃至工作環(huán)境極其惡劣的特殊領(lǐng)域都起到了巨大的作用，大大提高了社會(huì)生產(chǎn)力。不僅如此，與機(jī)器人有關(guān)的其他領(lǐng)域技術(shù)的不斷成熟，為機(jī)器人的快速發(fā)展提供了極大地便利，那么機(jī)器人到底會(huì)朝著哪些方向發(fā)展呢？

現(xiàn)階段，傳感器技術(shù)已經(jīng)成為科學(xué)的最前沿，在應(yīng)用過程中，我們發(fā)現(xiàn)很多類型的傳感器都可以準(zhǔn)確的獲得信息，并代替人類的五官，這在一定程度上推動(dòng)了機(jī)器人研究技術(shù)的發(fā)展。[2]傳感器的工作原理主要是將某種需要被測(cè)試的信息感知出來，并對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)，在此過程中實(shí)現(xiàn)按規(guī)律轉(zhuǎn)換和輸出。具體來說，機(jī)器人視覺是一套特殊的感知系統(tǒng)。它可以通過這一高科技系統(tǒng)感知外界的物體，如機(jī)器人視覺可以獲取環(huán)境的一維、二維和三維圖像，并通過視覺傳感器，對(duì)周圍的信息進(jìn)行感知。在這個(gè)過程中，最為主要的因素就是視覺處理器，它可以對(duì)感知到的信息進(jìn)行分析、解釋，并將其轉(zhuǎn)化為自身能夠識(shí)別的語言符號(hào)。[3]另外，機(jī)器人還能夠精確的定位和分析各種情況下物體的狀態(tài)。目前，我們對(duì)于機(jī)器人的視覺研究主要是為了在日后的專門功能視覺系統(tǒng)中對(duì)執(zhí)行的有關(guān)人物、景物進(jìn)行說明。圖像獲取和視覺處理是機(jī)器人最主要的、視覺方面的硬件，它由照明系統(tǒng)和視覺傳感器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和和幀存儲(chǔ)器等組成。根據(jù)功能不同，機(jī)器人視覺可分為視覺檢驗(yàn)和視覺引導(dǎo)兩種，廣泛應(yīng)用于汽車、電子、軍事領(lǐng)域。

目前能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)信息輸出的傳感器技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了進(jìn)一步發(fā)展的階段。早在上世紀(jì)八十年代，相關(guān)研究者就已經(jīng)意識(shí)到了傳感器技術(shù)的重要性，大多數(shù)國(guó)家都開始了傳感器技術(shù)的研發(fā)工作。我國(guó)也不例外，自上世紀(jì)六十年代開始，我國(guó)就逐步將傳感器應(yīng)用到了制造行業(yè)，但值得注意的是，由于受到條件和技術(shù)的制約，此時(shí)我國(guó)的傳感儀器技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在較大差距，一些技術(shù)水平較高的內(nèi)容都要從國(guó)外引進(jìn)，這不得不說是一種遺憾。但隨著時(shí)間的推移，我國(guó)研究人員經(jīng)過不懈的努力，進(jìn)一步提高了我國(guó)傳感器技術(shù)水平，促使我國(guó)傳感器技術(shù)向世界領(lǐng)先水平的方向邁進(jìn)。[4]

2 機(jī)器人視覺技術(shù)

如同人類視覺系統(tǒng)的作用一樣，機(jī)器人視覺系統(tǒng)將賦予機(jī)器人一種高級(jí)感覺機(jī)構(gòu)，使得機(jī)器人能以智能和靈活的方式對(duì)其身邊的環(huán)境作出反應(yīng)。由于對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域提出的要求越來越高，機(jī)器人視覺將越來越復(fù)雜?，F(xiàn)階段我們可以將機(jī)器人視覺看作從三維環(huán)境的圖像中抽取、描述和解釋信息的過程，它可以劃分為六個(gè)主要部分，這六部分分別是感覺、預(yù)處理、分割；推述、識(shí)別以及解釋，再根據(jù)實(shí)現(xiàn)上述各種過程所涉及的方法和技術(shù)的復(fù)雜性將它們歸類，可分為三個(gè)處理層次：層次一為低層視覺處理；層次二為中層視覺處理；層次三為高層視覺處理。 感覺是機(jī)器人獲取圖像的過程；圖像生成的兩種方式以及圖像模型系統(tǒng)、簡(jiǎn)要地介紹了圖像從光學(xué)變成電信號(hào)的原理和方法，視頻圖像的數(shù)字化技術(shù)以及表示方法與普通圖像預(yù)處理相比，方法更多，在機(jī)器人視覺系統(tǒng)中使用大量的預(yù)處理方法，必須著重考慮計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。具體來說，主要采用兩種預(yù)處理方法：一種是基于空域技術(shù)的方法；另一種是基于頻域技術(shù)的方法。分割是將圖像劃分成若干個(gè)有一定含義物體的過程.它是機(jī)器人視覺技術(shù)中重要的一步，是視覺技術(shù)領(lǐng)域中既古老而又年輕的課題，近些年來研究該領(lǐng)域的文章逐步增多起來。

3 傳感器技術(shù)在機(jī)器人視覺上的應(yīng)用

在傳感器技術(shù)的研究領(lǐng)域當(dāng)中，與其他技術(shù)發(fā)展相比，視覺上的技術(shù)發(fā)展相對(duì)比較成熟，得到了一定的完善。隨著研究的不斷深入，視覺傳感器技術(shù)已經(jīng)與機(jī)器人緊密聯(lián)系在一起，并成為機(jī)器人運(yùn)行的重要組成部分之一。[5]視覺傳感器技術(shù)的應(yīng)用有其自身獨(dú)特的要求，如果在應(yīng)用過程中沒有達(dá)到這一要求，會(huì)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)行帶來一定的負(fù)面影響，甚至?xí)?dǎo)致機(jī)器人性能不高。 為了更好地保障傳感器的質(zhì)量，提高機(jī)器人的能力，研究人員創(chuàng)新了視覺傳感器系統(tǒng)的組成，將激光器同濾光片的內(nèi)容應(yīng)用到了視覺傳感系統(tǒng)，這樣重新打造出來的視覺傳感系統(tǒng)體積相對(duì)較小，結(jié)構(gòu)比較緊湊，具有較高水平的性價(jià)比。不僅如此，科研人員還將并行處理的架構(gòu)方法應(yīng)用到了機(jī)器人視覺處理系統(tǒng)當(dāng)中，這一做法有效解決了機(jī)器人難以存儲(chǔ)較大圖像的問題，進(jìn)一步提高了機(jī)器人的視覺功能，實(shí)現(xiàn)了圖像處理速度的提高。除此之外，為了進(jìn)一步加快機(jī)器人的圖像和信息處理速度，相關(guān)科研人員還將光學(xué)小波算法應(yīng)用到了機(jī)器人視覺系統(tǒng)當(dāng)中，極大的促進(jìn)了機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域的發(fā)展。[6]之所以將視覺傳感器應(yīng)用到機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域當(dāng)中，主要目的是為了確保機(jī)器人在使用過程中，能夠做到有效的躲避障礙，準(zhǔn)確的到達(dá)目標(biāo)位置。不僅如此，筆者認(rèn)為視覺傳感器還可以應(yīng)用到水下機(jī)器人當(dāng)中，這樣做可以實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人與目標(biāo)之間位置的科學(xué)測(cè)定，通過這一技術(shù)，機(jī)器人可以完成對(duì)位置的控制以及路程的測(cè)量工作。相關(guān)研究者認(rèn)為，可以進(jìn)一步提高傳感器對(duì)光頻的適應(yīng)能力，并將雙視覺傳感器應(yīng)用到機(jī)器人研發(fā)過程當(dāng)中，進(jìn)一步提高機(jī)器人目標(biāo)和其跟蹤的準(zhǔn)確性。除此之外，利用結(jié)構(gòu)改進(jìn)，還可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人多視角的數(shù)據(jù)采集，與雙視覺傳感器相比，三維視覺效果在具體的工作中，能夠更加明確目標(biāo)，不僅如此，其計(jì)算方法也相對(duì)簡(jiǎn)單。

從本質(zhì)上來說，將傳感器技術(shù)應(yīng)用到機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域當(dāng)中，是為了促使機(jī)器人更好地在實(shí)際的生產(chǎn)生活領(lǐng)域中為人類服務(wù)。一旦傳感器技術(shù)同機(jī)器人研發(fā)工作實(shí)現(xiàn)了有機(jī)結(jié)合，我們就可以將機(jī)器人應(yīng)用到工業(yè)和農(nóng)業(yè)等其他領(lǐng)域當(dāng)中，被人們所利用。相關(guān)科研人員可以采用疊加式的結(jié)構(gòu)，在機(jī)器人中安裝視覺傳感器，這樣機(jī)器人就可以完成很多工作。在服務(wù)行業(yè)，科研人員可以將全局視覺系統(tǒng)應(yīng)用到機(jī)器人中，進(jìn)一步提高服務(wù)行業(yè)機(jī)器人信息的準(zhǔn)確定位，為患者提供多種復(fù)雜的輔助操作。以湖南大學(xué)為例，即利用多種傳感器，并將機(jī)器人與傳感器有機(jī)結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)出了可以為人們提供娛樂和家務(wù)服務(wù)的機(jī)器人，一方面解決了人類無法解決的問題，另一方面也取得了一定的效果，為機(jī)器人操作水平的進(jìn)一步提高奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

目前傳感器技術(shù)已經(jīng)逐步應(yīng)用到機(jī)器人視覺領(lǐng)域上，然而我們也應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，傳感器技術(shù)與機(jī)器人視覺領(lǐng)域的有機(jī)結(jié)合并不是簡(jiǎn)單的，它需要根據(jù)不同領(lǐng)域以及不同環(huán)境的要求來實(shí)現(xiàn)。這就需要相關(guān)工作人員意識(shí)到傳感器的作用，并將多種傳感器技術(shù)與智能技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的改進(jìn)。由于現(xiàn)階段受技術(shù)及經(jīng)濟(jì)水平的限制，在傳感器以及機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域上，我們還有很多問題沒有得到解決，機(jī)器人還沒有實(shí)現(xiàn)全方位的智能化，也就是說，我們?cè)诮窈蟮墓ぷ髦校獙⒏嗟木ν度脒M(jìn)去，這是所有科研人員共同努力的方向。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2016-09-12

作者簡(jiǎn)介：郭福洲（1972—），男，湖北黃岡人，本科，副教授，從事計(jì)算機(jī)嵌入式技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教學(xué)與研究。