چشم انسان و دوربین ccd

[mohamad.nasr]

چشم انسان
چشم انسان كه در شكل 2 نشان داده شده است، تقريباً يك عدسي كروي با قطر 5/2 سانتي‌متر مي‌باشد كه از چندين لايه مختلف كه دروني‌ترين آن‌ها شبكيه نام دارد تشكيل شده است. ماهيچه‌هاي اطراف چشم اندازه لنز را تنظيم مي‌كنند كه اين‌كار چشم را قادر به زوم (zoom) كردن روي اشياء مي‌كند.

وظيفه عدسي چشم، فرم و شكل دادن به تصويري است كه توسط ميليون‌ها سلول گيرنده مخروطي (Cone) و ميله‌اي (rod) گرفته شده و برروي پرده شبكيه افتاده است، مي‌باشد. سلول‌هاي ميله‌اي به يك عصب معمولي كه از انتها به شبكيه ختم مي‌شود و فقط در سطح نور پايين فعال است متصلند و سلول‌هاي مخروطي هر كدام به يك عصب اتصال دارند. آن‌ها در نورهاي شديدتر، بيشتر فعالند و ميزان درك ما از رنگ‌ها را نوع فعاليت اين‌ مخروط‌ها مشخص مي‌كند.

در ميان شبكيه ناحيه‌اي به‌نام نقطه كور وجود دارد كه در آن هيچ‌ گيرنده‌اي موجود نيست. در اين ناحيه اعصاب به‌صورت جداگانه به عصب بينايي كه سيگنال‌هاي دريافت شده را به قشر بينايي مخ انتقال مي‌دهند، وصل مي‌شود.

دوربين CCD
CCD از جهت عملكرد تقريباً مانند چشم انسان كار مي‌كند. نور از طريق يك عدسي وارد دوربين و برروي يك پرده مخصوص تصوير مي‌شود كه تحت عنوان تراشه CCD شناخته مي‌شود. تراشه Charge Coupled Device) CCD) كه تصاوير با استفاده از آن گرفته مي‌شوند از تعداد زيادي سلول تشكيل شده كه همگي در يك تراشه با الگوي خاصي مرتب شده‌اند و تحت عنوان پيكسل (pixels) شناخته مي‌شوند.


زماني كه تراشه CCD اين اطلاعات را دريافت مي‌كند، آن‌ها را به شكل سيگنال‌هاي ديجيتالي از طريق كابل‌هايي به سيستم دريافت‌كننده مي‌فرستد و بعد تصاوير در اين سيستم به صورت مجموعه‌اي از اعداد ذخيره مي‌شوند. همان‌طور كه در شكل 3 مي‌بينيد هر عدد نماينده يك پيكسل است.

درك تصوير
با هر تصوير، چه با دوربين گرفته شود و چه با چشم انسان، مقداري تحريف و تغيير شكل و
به عبارتي "نويز (noise) " وجود دارد. البته در مورد مثال ما در سيستم خط توليد اين مسأله چندان اهميت ندارد اما در موقعيت‌هايي كه نياز به دقت بالا وجود دارد بايد از نورپردازي خاصي براي تصويربرداري استفاده شود.

انسان‌ براي درك تصاويري كه مي‌بيند نيازي ندارد هيچ كاري در مورد فیلتركردن و از بين بردن نويزهاي يك تصوير انجام دهد. مثلاً در يك روز ابري كه مه همه جا را فرا گرفته، ديد ما به شدت ضعيف و دچار مشكل مي‌شود. اما هر آنچه را كه قادر به ديدنش باشيم درك مي‌كنيم. يعني براي درك اشياء نيازي به حذف نويزهاي تصوير نيست. مثلاً اگر در اين روز در حال رانندگي در يك جاده باشيد و تصوير مبهمي از يك ماشين را مقابل خود ببينيد، بالطبع عكس‌العمل نشان مي‌دهيد و به عبارتي سرعت خود را كم مي‌كنيد.

و اين يعني ما هنوز تصوير ماشين را عليرغم وجود مه مي‌توانيم تشخيص دهيم و در مقابل آن عكس‌العمل نشان‌دهيم. و يا مثلاً زماني كه دچار سرگيجه مي‌شويد، عليرغم اين‌كه تصاوير اطراف خود را تار و مبهم مي‌بينيد اما قادر به درك و تشخيص وسايل و تصاوير اطراف خود هستيد. يعني ابتدا صبر نمي‌كنيد تا سرگيجه‌تان به پايان برسد و بعد تصاوير را تشخيص دهيد و اين يعني با قدرت بينايي انسان، عليرغم خراب شدن تصاوير اطراف، مي‌توانيم متوجه فضاي اطراف خود بشويم. اما براي بينايي ماشين ابتدا بايد اين نويزها طي فرآيندي كه تصفيه كردن يا فیلترينگ ناميده مي‌شود، از بين برود و بعد هر آنچه براي پردازش عكس لازم است انجام شود.


خوشبختانه در حال حاضر تكنيك‌هايي براي انجام اين كار وجود دارد. از بين بردن نويزها به‌صورت نرمال توسط تعدادي از توابع رياضي يا الگوريتم‌هايي كه تحت عنوان 'treshholding' يا 'quantizing' ناميده مي‌شود انجام مي‌گردد. اين فرآيند بسيار حرفه‌اي و پيچيده‌اي است و نياز به دانش و پشتوانه بالاي رياضي دارد. زماني كه خرابي‌ها از بين رفت، مي‌توانيم پردازش عكس‌ها را ادامه دهيم كه اين كار با استخراج صورت‌ها و حالت‌ها از يك تصوير انجام مي‌شود. يك شيوه معمول كه غالباً مورد استفاده قرار مي‌گيرد استخراج لبه‌ها مي‌باشد.

در مورد مثال ما در سيستم خط توليد، وظيفه اصلي يك اپراتور كنترل كيفيت اين است كه به سرتاسر محصول توليد شده نگاه كرده و با مقايسه آن با استانداردهاي مورد قبول، براي محصول توليد‌شده جواز عبور يا عدم عبور صادر كنند.

اگر اين كار با استفاده از بينايي ماشين صورت گيرد بايد عكس گرفته شده از محصول توليد شده با عكسي كه از يك محصول استاندارد وجود دارد مقايسه ‌شود. يكي از روش‌هاي انجام اين كار به اين صورت است:

براي انجام اين‌كار، يك تصوير از محصول استاندارد در كامپيوتر ذخيره مي‌شود و سپس از محصولا‌تي كه از خط توليد عبور مي‌كنند. تصوير گرفته مي‌شود و به عنوان نقشه لبه ذخيره مي‌شود. و بعد سيستم، تصوير گرفته شده را از چپ به راست و از بالا به پايين به‌گونه‌اي كه در هر زمان فقط يك رقم عبور كند، مي‌لغزاند و عدد ظاهر شده در هر موقعيت را با عدد همان موقعيت در تصوير اصلي مقايسه مي‌كند و در صورت تفاوت آن را اعلا‌م مي‌نمايد.

لذا عمليات بينايي كامپيوتر در حقيقت مقايسه دو مجموعه عدد است كه اگر تفاوت اين دو مجموعه از يك محدوده خاص فرارتر برود، از پذيرفتن محصول امتناع شده و در غير اين‌صورت محصول‌ پذيرفته مي‌شود.

يك مثال پيچيده‌تر
در مثال قبل سيستم مورد مطالعه بسيار محدود بود و فقط يك تصوير دو بعدي از يك محصول را با تصوير اصلي و ايده‌آل مقايسه مي‌كرد و احتياجي به بررسي مقادير اندازه و زاويه نبود.

در اين مثال مي‌خواهيم به سيستم بينايي كه براي يك ربات خانگي كه قادر به تميز كردن خانه، پختن غذا و ... طراحي شده نگاهي بياندازيم. اين مثال بسيار پيچيده‌تر از مثال قبلي است و نياز به آگاهي از تغييرات محيط دارد. به عبارت بهتر نياز به يك سيستم هوشمندتر داريم. قبلاً ديديم كه تصاوير چگونه ذخيره و تفسير مي‌شوند. غالب تكنيك‌هاي گذشته دوباره در اين مثال به‌كار گرفته مي‌شوند. تفاوت اصلي در تفسير تصاوير گرفته شده است. در مثال قبلي فضاي سيستم بينايي فقط متشكل از يك سري محصول بود، اما در اين مثال ربات بايد از همه آنچه در اطرافش مي‌گذرد باخبر بوده و اين يعني با دنياي وسيع‌تر و بزرگ‌تري روبروست. بدين‌منظور نياز به تكنيك‌هاي تشخيص پيچيده‌تري وجود دارد.

يعني در اين مثال، يك صحنه فرضي شامل ده‌ها يا حتي صدها شي مختلف در معرض ديد است. اين اشياء در اندازه‌ها و تحت زواياي مختلف كه متأثر از نوع نورپردازي هم هستند به نمايش درمي‌آيند و به همين دليل براي تشخيص اين اشياء نياز به تكنيك‌هاي هوش‌مصنوعي (Ai) مي‌باشد.
موفق باشید