عنوان مقاله: نگاهى به دستاوردهاى صنعت كامپيوتر در چشم پزشكى
تاريخ افزودن: 08/12/1384

بينايى انسان (HV) هميشه مهمترين نوع مشاهده در صنعت بوده است. بينايى چندبعدى است، انسان قادر است تغييرات ظريف و دقيق شكل، بافت، ساخت، سايه و رنگ را تشخيص دهد. چشم انسان مى تواند مناظر بسيار پيچيده و مبهم را تجزيه و تحليل كند و همچنين هميشه مى تواند در موقعيت هايى كه قبلاً مشاهده نكرده است تصميمات مناسبى را بگيرد. در حالى كه HV در صنعت توليد همچنان حاكم است، كوشش وسيعى انجام مى شود تا در كارهاى خودكارى مانند بازبينى، مونتاژ، توليد و ساير كارهايى كه از ماشين ها استفاده مى شود، بتوان با چشم مصنوعى محيط اطراف را مشاهده كرد.
بينايى ماشينى (MV) توسط مهندسى سيستم هاى نرم افزارى الكترونيكى اپتيكال مكانيكى يكپارچه مورد توجه قرارگرفته است تا مواد و اشياى طبيعى، توليدات صنعتى و مراحل توليد را آزمايش كند، نقص ها و عيب ها را تشخيص بدهد و كيفيت، راندمان عمليات و ايمنى محصولات و فرآيندها را افزايش دهد. همچنين براى بازديد و كنترل ماشين هاى استفاده شده در توليد استفاده مى شود. اين يكى از مهمترين حقايق درباره MV است كه MVs آن طور كه گاهى تصور مى شود، واقعاً يك كامپيوتر استاندارد با يك بورد ذخيره تصاوير يا يك دوربين تصويرى نيست، بلكه بسيار فراتر از اين است.
بينايى ماشينى مى تواند وظايف گوناگونى را در صنعت توليد انجام دهد، مانند بازبينى، شمارش، درجه بندى، طبقه بندى، تنظيم كردن، شناسايى، وارسى كردن، اندازه گيرى، كنترل و نظارت. سيستم هاى بينايى ماشينى (MVs) مى توانند براى آزمايش مواد اوليه، ابزارها، مراحل توليد، برچسب ها، بسته بندى، سيستم هاى انتقال و مواد زائد استفاده شوند.
• چشم ماشينى بيليون ها سال از چشم انسان عقب تر است
MV به درك يا تقليد سيستم هاى بينايى طبيعى حيوانات يا انسان مربوط نمى شود. در حقيقت تفاوت هاى بين بينايى طبيعى و ماشينى آن قدر زياد است كه ما بايد آنها را در ذهنمان كاملاً از هم جدا كنيم. ما نبايد انتظار داشته باشيم كه بينايى انسانى بتواند كليد و راهنمايى براى چگونگى طراحى يك MVs فراهم كند. ما نمى توانيم از اين نظريه كه چگونه فكر مى كنيم و دنيا را مى بينيم به عنوان پايه اى براى طراحى الگوريتم هاى پردازش تصوير براى كاربردهاى صنعتى استفاده كنيم. آزمايشات روانشناسى به طور آشكار نشان مى دهد كه مردم، دنيا را آن طورى كه فكر مى كنند آن را مى بينند، نمى بينند. در نتيجه، الگوهاى سيستم بينايى انسان، بر اساس تجزيه و تحليل شخصى درون نگرانه، قابل اعتماد نيستند و نمى توان دقيقاً پيش بينى كرد كه چگونه يك فرد به يك محرك بينايى معين واكنش نشان خواهد داد.
مطالعات علمى سيستم بينايى انسان هنوز اطلاعاتى را فراهم نياورده است تا به ما كمك كند تا پيشرفت قابل توجهى در طراحى سيستم هاى بازبينى كارخانه به دست آوريم. بينايى انسان بسيار دقيق و ظريف است و هنوز نمى تواند توسط يك ماشين تقليد شود. براى درك اين مطلب، كار آسانى مانند شناسايى يك فرد زيبا و جذاب را در نظر بگيريد. براى انسانى با بينايى خوب، اين كار بسيار آسان و ناچيز است، اما تاكنون اين كار براى يك ماشين غيرممكن است. ما حتى هنوز نمى دانيم چگونه ماشينى بسازيم كه بتواند جنسيت فردى كه كامل لباس پوشيده است را تشخيص بدهد.
سيستم بينايى انسان در طول دوره طولانى بيشتر از 4.109 سال تكامل يافته است و داراى سيستم فوق العاده كارآمد و موثرى است كه شامل بيليون ها سلول عصبى است (تقريباً ۱۰۱۳ براى هر فرد جوان بالغ). هيچ ماشينى كه در آينده قابل پيش بينى ساخته شود، نمى تواند با اين تعداد اتصالات انبوهى كه بين نورون ها در سيستم عصبى مركزى يك انسان وجود دارد، مطابقت كند و تا زمانى كه اين اتفاق رخ ندهد، بعيد است كه توانايى ماشين ها بتواند با انسان رقابت كند. حتى كامپيوترهاى مدرن نيرومند با چندين پردازشگر قدرت پردازش شبيه سازى سيستم عصبى يك حشره را ندارند! نتيجه اى كه مى گيريم اين است كه طراحى يك MVs بايد بر اساس اصول مهندسى باشد، نه با تقليد كوركورانه نمونه هايى كه در سيستم هاى زيست شناختى يافت مى شود.
مهمترين مشكلى كه طراحان MVs با آن مواجه هستند، فراهم كردن ارتباطى ميان ديدن و درك كردن است. در حقيقت اين مسئله تا حدودى حل شده است، با تكيه به اين حقيقت ساده كه: در يك كارخانه ما مى دانيم كه منتظر چه هستيم. اگر در يك خط توليد كه به خوبى كنترل مى شود، منظره اى كه با دوربين مشاهده مى شود، ناگهان به مقدار قابل توجهى تغيير كند، پس خطا و اشتباهى رخ داده است.
ما مى توانيم از روش مشاهده نور استفاده كنيم تا بهترين تصاوير ممكن را دريافت كنيم. ما بايد مطمئن شويم كه هيچ نور انحرافى از محيط كارخانه بر روى چشم انداز نمونه آزمايش شده نمى افتد. نور خورشيد ممكن است به طور متناوب بر روى يك نقطه معين از خط توليد بيفتد، در حالى كه ممكن است در زمان ديگرى اين قسمت بسيار تاريك باشد. پيش بينى مى شود كه هيچ سيستم بينايى ماشينى نمى تواند از عهده اين قبيل تغييرات وسيع در نور برآيد. نور پردازى مصنوعى هم بسيار متغير است، حتى جابه جايى يك لامپ برق هم مى تواند سطح نور را تا ۵۰ درصد تغييردهد. علاوه بر اين نورى كه عملاً بر روى نمونه ها مى افتد، در اثر قرار گرفتن گردوغبار يا بخار بر روى سطح لامپ تغيير مى كند. اين موضوع بسيار مهم است كه نورهاى غيرقابل كنترل اطراف در تصوير گرفته شده توسط سيستم تداخل نكند. اگر اين تداخل اتفاق بيفتد، محصولات خطرناك ممكن است بدون اينكه شناسايى شوند عبور كنند و محصولات خوب ممكن است اشتباهاً پذيرفته نشوند. معمولاً كنترل نورهاى اطراف با قرار دادن يك صفحه مات، بسيار آسان تر از تلاش براى ساختن ماشين هاى پيچيده غيرضرورى است.
در بعضى موقعيت ها، ما حتى مى توانيم بعضى چيزها را طورى تغيير بدهيم تا مراحل بازبينى را آسان تر كند. به عنوان مثال، مى توانيم يك رنگ را به يك قالب پلاستيكى اضافه كنيم تا كنتراست تصوير را افزايش دهد.
• كاربردهاى صنعتى بينايى ماشينى
اصلى ترين كاربردهاى صنعتى MV بازبينى، هدايت روبات و نظارت و كنترل فرآيند هستند.
بازبينى
تشخيص خطا و نقص در بخش هاى مختلف و موادى كه پيوسته توليد مى شوند، از بخش هاى اصلى است كه سيستم هاىMV در آن به كار مى رود. نقص ممكن است انواع گوناگونى داشته باشد: نوع، شكل، اندازه، رنگ، خراش ها، شكاف ها، ناخالصى شيميايى، زنگ زدن، اكسيده شدن، مونتاژ نادرست، بدنه نامناسب، نقص مواد و غيره.
چشم روبات
در اينجا لغت روبات براى هر ماشينى كه توانايى حركت اندام هاى انتهايى خود را، تحت كنترل كامپيوتر و در فضاى دو بعدى يا سه بعدى دارد، مى تواند به كار برود. طبق اين تعريف ماشين هاى فرزكارى، ماشين تراش، رسم كننده گراف، روبات جرثقيل، بازوى روباتيك مارپيچ و غيره مى توانند به عنوان روبات شناخته شوند.
نخستين روبات هاى صنعتى «برده هاى كور» بودند و در كارهاى تكرارى، كه فرم و وضعيت قسمت هاى مختلف كار قابل پيش بينى هستند، مفيد بودند. هرچند آنها شديداً ناتوان بودند تا بتوانند با موقعيت هاى غيرقابل انتظار و جديد تطبيق كنند. گاهى اوقات انتظار مى رود كه روبات ها در محيطى كار كنند كه بتوانند بخش هايى را كه در موقعيت و وضعيت ناشناخته اى هستند يا شكل و اندازه متغيرى دارند كنترل كنند. ديدن براى تعيين مكان و قرار دادن اشيا لازم است. بدون درك مناسب از محيط خود، يك روبات مى تواند خطرناك باشد. يك روبات با قدرت بينايى مى تواند به جلو حركت كرده و تعيين كند كه آيا براى ادامه مسير و حركت در امان است. يك روبات هوشمند كه توانايى ديدن را دارد مى تواند، به عنوان مثال، شى اى را كه به طور تصادفى روى ميز افتاده است، بردارد.
نظارت بر فرآيند و كنترل
بينايى مصنوعى فرصتى براى كنترل پروسه فراهم مى كند كه با استفاده از ساير تكنولوژى هاى حسى ممكن نيست. مى توان دوربين را طورى قرار داد كه هم محصول، هم مراحل توليد و حتى محصولات زائد را نشان دهد.
• عناصر يك سيستم بينايى
يك MVs از بخش هاى زير تشكيل شده است:
جابه جايى مكانيكى، نورپردازى، اپتيك، حسگر تصوير (دوربين يا اسكنر)، كامپيوتر (براى كاربردهايى با سرعت بالا، ممكن است سخت افزار پردازش تصوير الكترونيكى اختصاص يافته به جاى كامپيوتر و نرم افزار استفاده شود). - نرم افزار، الگوريتم هاى اجرايى و روش هاى ذهنى كه براى هر كاربرد به طور خاص اختصاص يافته است و محرك. يكپارچه كردن اين بخش ها به طورى كه آنها با يكديگر به شكل هماهنگ عمل كنند، يكى از مسئوليت هاى اصلى يك مهندس بينايى ماشينى است.
• به دست آوردن تصوير
يك تصوير ديجيتالى از تاثير فعل و انفعالات هشت بخش مجزاى فيزيكى شكل مى گيرد:
تامين توان براى منبع نور، هر روكش يا ناخالصى بر روى سطح، منبع نور (لامپ هاى رشته اى، فلورسنت يا تخليه، LEDs، ليزر و غيره)، اپتيك (شامل صفحه تصوير دوربين، دريچه حفاظت محيطى و لنز دوربين اصلى)، اتمسفر (فضاى بين دوربين و ساير چيزهاى اطراف بخش جدايى ناپذير مسير اپتيكال است)، آشكارساز تصوير (آنتن)، پردازش آنالوگ سيگنال تصوير، مدارات ديجيتالى كننده.
تمامى اين بخش ها بايد به شكل مناسبى با يكديگر عمل كنند تا بتوانيم تصاويرى با بهترين كيفيت را توليد كنيم.
• چشم انداز آينده
سيستم هاى بينايى ماشينى در صنعت توليد، در موقعيت هاى فراوانى استفاده مى شوند. تا امروز صنعت الكترونيك بيشترين تمايل را براى استفاده از ديد مصنوعى داشته است، البته همچنين توسط صنعت اتومبيل، هواپيمايى، دارويى، پلاستيك، شيشه، توليدات پزشكى و غيره هم مورد توجه قرار گرفته است. نشان داده شده است كه اين تكنولوژى در محدوده وسيعى از كاربردها مى تواند شركت كند، اما با مشكلات بسيارى مواجه است. تلاش بسيارى لازم است تا علم مهندسى تخصصى و كارآمد بتواند يك ماشين را طورى سازماندهى كند تا براى هر كاربرد خاص قابل تطبيق باشد. طراحى پيشرفته اى براى غلبه بر اين مشكلات لازم است.تلاش بى وقفه اى براى ارتقاى سيستم هاى پردازش تصوير انجام مى شود و برخى پيشرفت هاى اخير ما را به آينده اميدوار مى كند. توسعه وب كم (webcam) و سيستم هاى ساخت نمونه بى سيم نويد دهنده هستند كه در آينده شاهد پيشرفت مهندسى بينايى ماشينى خواهيم بود.