Noticio

En este artículo se revisan las características del sistema de visión humana y las comparamos con instrumentos de uso actual para visión robótica.

El sistema de visión humana. De nuestros cinco sentidos, la visión es el más importante, nos permite orientarnos en el medio ambiente, y planear nuestras respuestas y acciones a los estímulos externos para sobrevivir. La visión nos permite construir herramientas y leer instructivos. El sistema visual humano incluye dos glóbulos oculares, donde se forma y se detecta la imagen. Por el nervio óptico se transmiten las señales al celebro, y la corteza cerebral es donde se toman decisiones sobre los acciones a realizar. La Figura 1 muestra el sistema de visión humana y como construimos los instrumentos para expandir las capacidades de nuestra visión.

Fig. 1. Los instrumentos ópticos de imágenes imitan el globo ocular. Cuando se utiliza la potencia de cálculo de la computadora y se accede a los datos en los bancos de memoria, un instrumento inteligente realiza decisiones igual como el cerebro humano: reconocimiento de un objeto (y la cara) y planeación de un camino a través de la construcción de los mapas.

Telescopio para ver de lejos, si no podemos ir. Un telescopio es un ojo enorme sin elementos detectores. En algunos casos, incorporamos película fotográfica o una cámara de carga acoplada (CCD) para grabar o registrar la imagen. Desde tiempos antiguos los humanos deseaban saber más sobre objetos distantes.

Fig. 2. El telescopio abrumadoramente grande tiene la base del mismo tamaño que la torre Eiffel. Este telescopio incorporará 2000 segmentos esféricos de 2.3 metros de diámetro. Las aberturas principales del Hubble; Keck, con 36 segmentos; y el telescopio extremadamente grande, con 127 segmentos se muestran también.

Navegación Autónoma por Estrellas. En el siglo XV los europeos buscaron un camino más eficiente hacia el Este para incrementar el comercio. Aprendieron a interpretar las configuraciones de las estrellas y a usarlas para guiarse en alta mar. La Figura 3 muestra un ejemplo de la imaginación y creatividad del sistema de visión humana. De una distribución de puntos con diferentes intensidades, los humanos somos capaces visualizar personajes de la mitología griega.

Fig. 3. Solamente la imaginación y creatividad del sistema de visión humana permite ver personajes de la mitología griega en la distribución de puntos con diferentes intensidades. La figura en la izquierda muestra como una maquina “ve” la distribución de las estrellas. En la derecha vemos partes del cerebro que manipulan la información visual.

Nuestro Planeta Azul dentro del Sistema Solar. Los humanos vivimos en el planeta azul, la Tierra, el tercer planeta en nuestro sistema solar, como se muestra en la Figura 4. Los cuerpos celestes en nuestro sistema solar incluyen el sol, los planetas, sus lunas, asteroides y cometas. Debido a (nuestra) (la) necesidad humana de siempre seguir aprendiendo estamos explorando las condiciones de otros planetas usando vehículos robóticos y la visión artificial.

Fig. 4. Nosotros vivimos en el planeta azul, la Tierra, el tercer planeta en nuestro sistema solar

Las Sondas Espaciales también Imitan al Ser Humano. Una sonda espacial incluye subsistemas de locomoción, como el sistema de propulsión, el sistema para emitir y enviar la información para la comunicación, y los sentidos para recibir la información del entorno. El satélite y los subsistemas propuestos para estudiar la superficie del planeta Marte desde la orbita para poder aterrizar un Rover en un valle amigable, se muestran en la Figura 5. Un telescopio enorme domina la sonda espacial para generar el mapa de valle.

Se necesita de una buena visión para poder evitar los posibles peligros a los que se puede enfrentar un laboratorio sobre ruedas. Con esta finalidad, se incorpora más de una cámara, de tal forma que se pueda obtener una imagen de alta resolución dentro de una imagen de baja resolución. El ojo humano igualmente tiene dos campos de vista: el de alta resolución nos permite ver detalles y leer, mientras que el de la resolución baja nos permite ubicarnos dentro del entorno extendido.

Fig. 5. La sonda inter-espacial tiene ojos, oídos, memoria, procesadores de información y generadores de energía. La imagen del Valle Mangala se forma durante aproximadamente 15 minutos, y después, la sonda lo pierde de su campo de vista. Con dos vistas del mismo terreno se puede reconstruir un mapa de elevación en 3D. Fotos: archivos NASA.

Navegación Autónoma de un Rover. De una manera similar, el Rover es un sistema cuasi autónomo que se puede mover por su propia cuenta, aunque en la práctica los controladores le mandan las órdenes desde la Tierra debido a la mayor experiencia de los humanos y de sus capacidades superiores para planear. En la Figura 6 mostramos como la navegación del Rover podría implementarse con un alto grado de autonomía, desarrollando filtros para fungir como características únicas para seguir un camino predeterminado. Un cerro podría fungir como un punto de referencia.

Fig. 6. Durante la década de los ochenta, un concepto de Rover fue concebido con inteligencia a bordo para navegar y explorar la superficie marciana con autonomía e independencia de los controladores de la Tierra. Se propuso el procesamiento óptico de la información para implementar la navegación autónoma. Fotos: archivos NASA.

Colores para Dar Gusto e Impacto. El sistema visual humano es un conjunto complejo de órganos versátiles y multifuncionales que no requiere voluntad o conciencia. Detecta y procesa la luz visible (colores del arcoíris desde el azul hasta al rojo). La selección de colores es de gran importancia psicológica y emocional para el ser humano. Así que los expertos sobre el impacto de los colores en los humanos desarrollaron el diagrama CIE, para describir y clasificar los colores. Ver la Figura 7. El diagrama despliega todos los colores que se ven en el arco iris y sus combinaciones.

Fig. 7. En el diagrama CIE se despliegan todos los colores que del ojo humano pueda detectar. Desde el azul oscuro en la esquina inferior izquierda, luego, a lo largo de la curva hasta el verde en la parte superior, y hasta la parte inferior derecha, el rojo; encontramos todos los colores del arco iris. Viendo los colores dentro del diagrama, notamos que hacia el centro, los colores se aclaran hasta llegar al punto central, que es totalmente blanco. El mismo diagrama se muestra en la parte derecha en 3D. En la parte central vemos la nueva línea del tren ligero con el doble arcoíris en Guadalajara (2017).

Longitudes de Onda más Allá del Visible. Con el tiempo, el hombre descubrió otras longitudes de onda, otros colores, y decidió utilizarlos, por ejemplo, los rayos X que se utilizan para diagnóstico médico, las microondas para comunicación y el infrarrojo para predicciones meteorológicas y astronómicas ente otras. Fuentes como el sol y los focos incandescentes emiten más radiación infrarroja que visible, lo que detectamos en forma de calor. En el último siglo los científicos han descubierto muchos materiales que permiten detectar la radiación infrarroja y convertirla en una señal eléctrica. Esto permitió la construcción de cámaras infrarrojas lo que nos permite tener información ya sea en condiciones luz u oscuridad. La Figura 8 nos muestra fotografías de personas y objetos cotidianos en la radiación infrarroja. La visión robótica en el IR se usa mucho en los puntos de seguridad de lugares públicos, como aeropuertos, entradas a edificios donde laboran servidores públicos de alta responsabilidad, y plantas eléctricas o nucleares. En la Figura 9 observamos imágenes de la Tierra en visible y en infrarrojo.

Fig. 8. La temperatura del sol se estima a 6000 K, la de nuestro cuerpo está alrededor de 300 K (23 C), y la de la lámpara incandescente 3000 K. Así el sol emite blanco-amarillo, la lámpara amarillo muy intenso, y nuestros cuerpos sólo la radiación infrarroja. Nos vestimos para impedir la pérdida de calor, y complacer a quienes nos ven.

Más allá de Nuestro Sistema Solar. Un tema fascinante para el ser humano es ver más allá de nuestro sistema solar. Nos acecha el sueño de detectar planetas extrasolares. Se ha propuesto construir un observatorio mediante un telescopio con múltiples espejos en el lado lejano de la Luna. El concepto se muestra en la Figura 10. Por medio de la teoría de resolución mínima, el tamaño de telescopios hoy en la fase de construcción no es suficiente para detectar planetas de luz débil ni en estrellas cercanas.

Fig. 9a. Dos imágenes de la Tierra en visible desde un satélite y una de la Luna. Fotos: archivos NASA.
Fig. 9b. Imagen en pseudocolor de la Tierra capturada a una longitud de onda de 10 micras. (Archivo ESA.)

Fig. 10. Podemos construir un observatorio para la detección de los planetas en el lado lejano de la Luna.

Conclusiones

El mas importante sentido de un humano es la visión. Tratamos de expandir su rango de operación usando los instrumentos ópticos, implementando la detección en intervalos afuera del intervalo visible e implementando sistemas inteligentes para hacer decisiones in-situ. La visión robótica es útil también en la línea de producción y en sistemas autónomos en la Tierra, además de en sistemas para la exploración del espacio.