客观日本

捕捉1毫秒动作的机械眼,革新智能系统(下)

2020年01月17日 机械/机器人

上接本站报道:捕捉1毫秒动作的机械眼,革新智能系统(上)

支撑高速化的基础技术 价格和耗电量也大幅降低

关于支撑着蕴藏各种可能性的高速视觉的基础技术,石川教授介绍道:“重要的是智能系统所涉及的传感、处理以及运动控制和显示控制,全部都要实现高速化。这称为动态匹配,缺少其中任何一项都无法实现1000fps”(图6)。岸则政接着说:“如果只是提高了处理速度,但传感器的能力较差,或者机器人的控制周期时间很长,那么作为整个系统的速度也会变慢。如果是马达等周边技术造成系统速度缓慢时,就需要通过开发新的马达来提高速度”。

捕捉1毫秒动作的机械眼,革新智能系统(下)

■图6上:实现高速视觉的动态匹配。配合检测对象物的动态变化进行高速检测,并对其进行高速处理,高速驱动运动执行器或者是显示器。下:在这个循环中,通过使各个系统具备能充分跟上对象物体移动的速度和稳定性,实现了没有延迟的系统。

例如,追踪动态对象的高速追踪技术是通过驱动多个反射镜来追踪对象的动作的,但如果反射镜的驱动发生偏移就会失败。要想尽量快速、精确地驱动反射镜,就需要改善反射镜的尺寸等细节。

另外,为实现在水之类的流体或者高速移动的物体上显示影像的动态投影,必须瞬间计算出被投影面的三维形状及其变化,并以此为基础高速控制用投影仪投射的影像。不仅是计算速度,传输数据的延迟也会导致问题。以高速作为着重点推进研究开发,磨练所需要的基础技术,而后确立起来的才是基于高速视觉的智能系统。

支撑系统的基础技术中已经有实现了产业化的技术。其中之一就是与索尼共同研究开发出来的视觉芯片。像素单元和从所取得的图像中提取特征量等的计算单元被收纳在了不到1平方厘米的芯片中。石川信心十足地表示:“我刚开始研究时,为实现1000fps高速图像处理,需要1平方米大小的系统。现在,在保证1000fps速度的同时直接将面积缩小至了万分之一以下(面积比)。由此变成了能在社会中实际得以应用的技术”。

岸则政也对普及充满信心,他表示:“价格由1000万日元降至10万日元,耗电量由100瓦特降至0.3瓦特。无需空冷和水冷,可用于以前无法使用的应用当中。这是巨大的进步,甚至可以说是整个世界的转折点”。

不过,两人并没有满足于此,而是瞄准于更加长远的目标。石川教授说:“现在,系统中最慢的环节--运动控制系统的上限是整个系统的极限。如果能使运动控制系统的速度高于1毫秒,就可以进一步提高性能。希望能达到机械的极限”。

从了解科学到创造科学 利用视频吸引企业

项目组开发的技术有很多都制作了演示视频,在研究室的官方主页和视频网站“YouTube”上公开。关于其理由,石川教授热情地表示:“如果说以往的科学是为了了解事物是什么样的‘了解科学’,那么我们的目标就是创造出新价值的‘创造科学’。用于什么用途以及创造什么价值都取决于大家的想法。为了让大家思考这些,我们以一种易于理解的方式去介绍使用我们的技术可以做什么”。

在介绍的视频中,点击量最高的是石头剪刀布机器人(图7)。由于可以瞬间解析人伸出的手的形状,并向机器人手发出指令,因此尽管是同时出拳,但机器人绝对不会输。用这个视频希望能传达出的信息是,通过介绍我们究竟能以多快的速度处理图像和控制机器人,继而让观众联想到“可用于机器人与人类一起工作的工厂设备等,得以大幅提高生产效率”等用途。视频点击量达到500多万次,还被美国的三大网络及英国和加拿大的电视台报道。对此岸则政表示:“看到这些视频和展会上的演示后表示出兴趣的企业在逐渐增加。正所谓百闻不如一见”。

捕捉1毫秒动作的机械眼,革新智能系统(下)

■图7:高速视觉反馈。左:通过瞬间捕捉和分析对方的动作,并控制机器人的出手形状,可实现绝对不会输的石头剪刀布机器人。右:以30fps(右图)拍摄时,由于手的移动,图像模糊不清,而以1000fps(左图)拍摄时,可以清楚看到人出了“剪刀”。

但另一方面,相比海外企业,日本国内企业的反响小也是事实。为向产业领域进一步普及,二人在新能源产业技术综合开发机构(NEDO)的支援下建立了“WINDS网络(Network for World Initiative of Novel Devices and Systems)”。石川教授说:“只要看到视频和演示,高速视觉所能带来的好处就能一目了然,但问题是如何让大家知道有这些视频和演示。因此我们成立了联盟,建立了传播信息和接收反馈的体制”。现在有来自182个法人的200个组织参加,大家的兴趣各不相同(图8)。二人的目标是把在研究阶段仅限于特定用途的高速图像处理技术拓展到不同领域的应用当中去,以促进产业的活性化和开拓新产业。

捕捉1毫秒动作的机械眼,革新智能系统(下)

■图8:加入WINDS网络的会员所设想的应用领域非常广泛。
https://www.winds-network.org/about.php

在学术领域方面,该研究在日本虚拟现实学会、计测自动控制学会、日本机器人学会、映像情报媒体学会、日本印刷学会、应用物理学会、日本机械学会、电子情报通信学会等广泛领域的多个协会都得到高度评价,还获得了论文奖等。石川教授笑着说:“这是我们没有封闭在一个领域内,而是不断走出去的结果。所接触领域都取得了成果,这为我们带来了信心”。高速视觉技术的应用范围还在逐渐向医疗和生物学等领域扩大,比如,利用高速视觉可简化传统因眼球的微细动作而需要强力照明的眼底检查,还开发了能在显微镜下自动追踪活动细胞的技术。

创造未来事实的科学 灵活畅想开拓新领域

石川教授反复表示,用来创造新价值的高速视觉平台并不是为了解决特定课题而开发的技术。他解释说:“学习教科书中所写内容的基础能力虽然很重要,但这些内容是到目前为止的事实。今后,寻找没有发现的问题也没有答案的未来事实的创造科学,应该会变得更加重要。因此,研究人员需要具备灵活的想象力”,石川认为,这是日本与欧美各国及中国等竞争中所不可或缺的条件。

岸则政也充满信心地表示:“我相信我们拥有的高速视觉技术是世界上最高水平的技术之一。要想进一步普及,需要摆脱固有观念的束缚,开拓以前从未想过的用途和领域。不仅要响应时代的要求,还要珍惜自己发现新事物的态度”。

岸则政与石川正俊

岸则政与石川正俊

高速视觉技术蕴藏着巨大的可能性。这个不是为了解决既有课题而开展的研究,因此没有目标,能发展到什么程度取决于想法与创意。石川教授强调:“高速视觉平台正在逐渐成型,未来的时代不仅是速度,应该还需要提高分辨率等。不仅要考虑现在所需,还要始终思考将来需要什么,同时,作为创造新价值的平台,我们希望提升到另一个新的水平”。(全文完)

日文原文

日文:JSTnews 2019年11月号
翻译编辑:JST客观日本编辑部

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