ЛЕТАЮЩИЙ РОБОТ

Выбор конструкции летающего робота для видеосъёмки подчинён очень жесткой логике. А поскольку наиболее жесткая логика на войне, обратимся снова для примера к военным разработкам.

Презентацией войны с применением элементов робототехники современного поколения был самый экзотический конфликт ХХ века – схватка Англии и Аргентины за Фолклендские острова. Это было словно экранизацией повести О’Генри «Короли и капуста»: торговая империя ударом подлодки королевских ВМФ по наводке американской разведки топит гигантский крейсер «Генерал Бельграно» – единственную надежду маленькой банановой республики. Так казалось из СССР в 1982 году. Английские десантники в битве за Пуэрто-Архентино были оснащены стрелковым оружием с инфракрасными прицелами и имели по четыре лёгкие ракеты, самонаводящиеся на источник тепла. Против ИК-техники аргентинцы смогли противопоставить разве что костры в качестве тепловой ловушки. Аргентина была слабее и наши люди за неё переживали. Один из коллег принёс на работу справочник по военно-морским силам стран НАТО, и все с огорчением констатировали перевес британской армады. Поэтому объяснимо чувство, с которым наш трудовой коллектив жирным крестом перечеркнул в этом справочнике британский эсминец «Шеффилд».

Это было «показательное выступление» летающих роботов с элементами искусственного интеллекта. «Шеффилд» потопила французская авиационная противокорабельная ракета Exocet (рис. 1), выпущенная со штурмовика крохотных аргентинских ВВС. На высоте 7 метров над уровнем моря у этой ракеты, имеющей длину 4,7 м и размах крыла 1,1 м, включилась активная радиолокационная импульсная головка самонаведения с горизонтальной стабилизацией диаграммы направленности, весящая 30 кг. Захватив цель, ракета снизилась до 2 м и поразила «Шеффилд», отправив его на дно. 

Самонаведение и вообще самостоятельность – приоритетное направление разработок зарубежных летающих роботов. Даже в «Краткой энциклопедии робототехники», о которой мы рассказывали в предыдущей части, высокому качеству видеосъёмки с борта летающего робота отводится первостепенная роль именно в связи с необходимостью автономности авиароботов. Речь идёт о т. н. «эпиполярной навигации», идея которой ясна из рис.2.

Эпиполярная навигация – совокупность средств, благодаря которым машина может определять местонахождение объектов в трехмерном пространстве. Посредством эпиполярной навигации можно управлять машиной, вычислять её положение и траекторию. Эпиполярная навигация работает, оценивая, как изменяется изображение пути, рассматривая его с перемещающейся точки обзора. Чтобы проиллюстрировать эпиполярную навигацию, вообразим автоматизированный беспилотный самолет, летящий над океаном. Единственная земля под авиароботом - маленький остров. Управляющая система авиаробота снабжена электронной картой с высокой степенью детализации, которая показывает местоположение, размер, и точную форму этого острова. Из аппаратуры авиароботу достаточно иметь только компьютер, хорошую видеокамеру, и специализированное программное обеспечение. Авиаробот может проложить свой путь, обозревая остров и тщательно исследуя форму и угловой размер изображения острова.

Во время, когда авиаробот совершает последовательное движение вперёд, остров выглядит движущимся под ним. Камера фиксирует остров. Система управления "видит" изображение, которое постоянно изменяет форму и угловой размер. Контроллер запрограммирован на истинные размер, форму, ориентацию, и географическое местоположение острова. Он сравнивает форму/размер изображения, которое "видит" из точки нахождения самолета, с фактической формой/размером острова, который он "знает" по данным карты. Благодаря этому авиаробот может самостоятельно определять: высоту, скорость перемещения относительно поверхности, направление этого перемещения, географические широту и долготу.

Эпиполярная навигация, в теории, может работать в любом масштабе, и при любой скорости – даже близкой к скорости света. Это - метод, которым роботы могут находить свой путь без триангуляции, наведения на цель, маяков, звуковых сигналов, или радара. Для этого, однако, необходимо, чтобы робот имел детальную и точную компьютерную карту окружающей его среды.

Разумеется, у этой системы есть свои недостатки, причем настолько серьёзные, что они отступают на второй план лишь если, например, поставлена задача соблюдать полное радиомолчание. "Радиомолчание" – термин военный. К сожалению, силовое применение авиароботов доминирует и в произведениях искусства: например, рассказ Шекли, "Страж-птица". А на рис. 3 – кадр из компьютерной игры "Half-Life 2", где изображены авиасмотрители с камерой и вспышкой (она в верхней части конструкции). Они высматривают, кто не так что делает, а затем прилетает такой же, но без оптики, а с циркулярной пилой и карает. Технически это скоро станет возможно, и тогда станут современной реальностью слова приписываемые автору «Властелина колец» Дж. Толкину, сказанные им о II Мировой войне: «Если есть в этой войне злодей, это не фашисты и не коммунисты. Это - самолёт». 

Полная автономность робота на практике поддаётся реализации пока с большим трудом. Как и в произведениях искусства, в жизни, как правило, опыты по созданию полностью автономных авиароботов проводятся в военных целях. Например, помимо шаблона "острова" контроллер авиаробота может быть запрограммирован на целеуказание по силуэтам военной техники, определяя её как до вида (бронетанковая, морская, авиационная), так и до класса ( танк, истребитель, бронемашина) и даже до типа (танк М60, БТР М113). У такого робота есть преимущества: он не зависит от канала телеуправления и связанных с ним ограничений по дальности и помехозащищенности, он труднее поддаётся радиопеленгации. Может прилететь неизвестно откуда и уничтожить то, что помечено на его "компьютерной карте". 

Нам, как радиолюбителям, всё это вряд ли подходит хотя бы потому, что трудно придумать легальный вид малого бизнеса, где такого авиаробота можно использовать. А именно о бизнесе надо говорить, вкладывая деньги в конструирование. Причем для бизнеса для бизнеса видеосъёмка должна быть сделана профессионально, поскольку её результатом должен стать видеодокумент.

В предыдущий раз мы согласились: особенность терминологии роботов в том, что первостепенное значение имеет работа исполнительного элемента и всё описывается в терминах этого исполнительного элемента. Если задача беспилотного летательного аппарата – снимать, то тогда он, со всей его хитроумной электроникой, – просто механизм для перемещения ТВ-камеры в пространстве, только более просторном, чем съёмочный павильон. И это даёт полную ясность с конструкцией, выбором видеокамеры и стандарта радиоканала

Что бы ни снимал самолёт, получится фильм - хотя бы потому, что трансляция должна обязательно записываться. Любое изображение вместе с командами надо записывать – в случае аварии (а частота аварий, например, беспилотного самолёта Global Hawk, по данным печати, в 50 раз выше, чем у пилотируемого истребителя F-16) это аналог «черного ящика»: документ о том, что вы не специально направили свою авиамодель на свинарник соседа. 

Архивирование видеоданных закладывается в комплексы беспилотных летательных аппаратов (см. статью в «РЛ» о форуме «Технологии безопасности») и это же видно из рис. 4. На рис. 4 – схема компонентов воздушной системы видеонаблюдения для использования с беспилотным летательным аппаратом, приведённая представителями Санкт-Петербургского НИИ Телевидения в докладе, сделанном на XI Всероссийской научно-технической конференции «Современное телевидение». Именно для этой системы, как сказано в докладе, целесообразно осуществлять разработку методики пространственно-временного анализа видеоизображений. Дело в том, что решение задачи получения видеоинформации с беспилотных средств космической и авиааппаратуры в реальном масштабе времени при обнаружении и определении местоположения движущихся объектов (если априорно координаты этих объектов неизвестны) требует особой методики (при пространственном сканировании местности с беспилотных средств) пространственно-временного анализа изображений, учитывающей как статические, так и динамические характеристики регистрируемого объекта и окружающего его фона. При разработке данной методики необходимо решить следующие вопросы:

- обнаружение и отслеживание движущихся объектов на фоне трёхмерной местности и сопутствующих помех;

- реализация потенциальной чувствительности и предельно возможного разрешения малогабаритными телевизионными камерами; привязка координат видеоизображений и отслеживаемых объектов к эталонному изображению трёхмерной модели местности;

- масштабирование, в увеличенных размерах, видеоизображения и его наложение на эталонное изображение и карту местности;

- передача и приём информации по радиоканалу в условиях помех и переотражений.

Далее в докладе констатируется, что наукой и промышленностью еще не в полной мере

решена проблема малогабаритных ТВ-средств регистрации объектов для низкоорбитальных беспилотных аппаратов в связи с проблемами создания малогабаритных безаберрационных оптических систем и прецизионных ПЗС-матриц с минимально возможными размерами чувствительных элементов при максимально возможных габаритах матрицы. В какой-то степени это отвечает на вопрос, задаваемый авиамоделистами на своих форумах о выборе видеокамеры для лёгких авиамоделей: проблема еще не решена и у военных. Однако, в целях бизнеса техническое решение найти легче.

Чтобы понять, как надо рассматривать здесь слово «бизнес», возьмём пример из реальной жизни – точнее из реальной смерти. Этот пример важен тем, что он исчерпывающе отвечает на вопрос: для чего появилась рубрика «Конструируем робота»? 

Прогноз по леднику Колка на основании аэрофотосъёмки, производившейся в 1958, 1972, 1981 и 1987 годах гласил, что накопление критической массы, в результате которого произойдёт сход этого ледника, состоится в 30-х годах XXI века – при условии, что не будет аномальных природных явлений. Их-то и надо было отслеживать дальнейшей аэрофотосъёмкой, на которую, естественно, не было денег. Предыдущие же съёмки показывали, что скорость накопления критической массы пока совпадает с прогнозной. Но то, что в природе происходят странные процессы понимали все. И в теле ледника тоже возникла аномалия: скопилось много талой воды, плюс усилившиеся обвалы увеличили его массу. Дальнейшее известно: ледник сошел, похоронив, в числе других людей, съёмочную группу Сергея Бодрова-младшего. Парадокс в том, что и кинематографистов и всех остальных спасли бы, соблюдай администрация этой съёмочной группы положения об охране труда. 

В Руководстве для начинающих режиссёров «Как снимать малобюджетное кино» (а по формальным признакам эта ситуация подходит и для видеосъёмки с беспилотных летательных аппаратов) есть раздел «Охрана труда», в котором сказано:

«Один из ключевых принципов судебной системы заключается в том, что обвиняемый считается невиновным до тех пор, пока его вина не доказана. Но это не относится к охране труда, и на то есть достаточные основания. Ответчик обязан доказать, что он принял необходимые меры предосторожности для обеспечения здоровья и безопасности рабочих, участников и зрителей происходящего; следовательно, вы уже являетесь виновным еще до того, как вам удалось доказать свою невиновность».

То есть, соответствующее должностное лицо из упомянутой съёмочной группы, которое должно было организовать работу в районе ледника Колка, обязано было выяснить факты, о которых выше говорилось. Горы - это иной мир: еще солдаты, сражавшиеся против дивизии «Эдельвейс», говорили, что бой в горах ведётся в трёхмерном пространстве. Поэтому ледовую обстановку нужно была предварительно разведать, и лучше всего - с беспилотного вертолёта, такого, как изображенный на рис. 5 дистанционно-управляемый вертолёт С-327 фирмы Canadair с высотой подъёма 5500 м и достаточно мощный (он способен пролететь 100 км за 6,25 час), чтобы нести съёмочную технику высокого качества. Произведя видеосъёмку ледника (профессионально, как это умеют киношники) и увидев внешние признаки подвижки ледника, сравнив с данными предыдущих аэрофотосъёмок (с помощью специалистов), измерив параметры движения ледника, можно было спасти и Бодрова, и десятки других, попавших потом под лавину. Откуда администратору было знать о подобных вещах? Но ведь профессиональный журнал «ТКТ» в последние годы вопросам аэрофотосъёмки и беспилотной авиации уделял пристальное внимание. Однако, наши кинематографисты мало интересовались чем-либо, кроме съёмок рекламы и криминальных сериалов – в отличие от своих западных коллег, внимательно следящих за техническим прогрессом. Точно так же будут деградировать и все остальные отрасли, где пренебрегают робототехникой.

Кстати. ПЗС-видеокамеры больше, чем наши глаза чувствительны к ультрафиолетовому излучению. Это может проявиться как синева в изображении, что наиболее заметно на кадрах, сделанных в горах и с большого расстояния, особенно, над водой. Фирмой Tiffen для объективов разработан фильтр HAZE-1, уменьшающий избыток синего, поглощая почти на 3/4 УФ-излучения. Фильтр уменьшает проблемы в ситуациях, когда засветка, возникающая из-за УФ-излучения, ухудшает четкость картинки и качество цветопередачи.

Почему нужен был беспилотный летательный аппарат, а не пилотируемый? Чтобы точно определить состояние давно не обследовавшегося ледника, подлететь надо близко. Шум винтов многотонной машины или, тем более, её авария могли вызвать обвал, унеся и в этом случае множество жизней. И без того после трагедии кое-кто пытался возложить вину на злополучную съёмочную группу – дескать, киношники что-то там взрывали. Так что в этом мире лучше перестраховаться. А главное – маневрирование при съёмке. Ведь если снимать точно те участки, которые указали бы специалисты по ледникам, надо было писать сценарий, а он характеризуется таким понятием, как формат. То есть, мы переходим конкретно к приоритету съёмочных терминов перед пилотажными. Воспользуемся еще раз вышеупомянутым Руководством. Сценарий – это средство, чтобы структурно представить замысел автора. Форматирование сценария - это построение его схемы, где описываются действие и место события, даётся раскадровка - очерёдность и характер кадров: средний план, укороченные общий и средний план и т. д. Например, в случае с ледником Колка обнаружить подтаивание ледника можно было, сняв его сверхкрупным планом. Есть еще общий план – это всё тело ледника. Крупный план означает у человека лицо, а у ледника, видимо, наиболее выразительную часть. В кино, в среднем, одна страница форматированного сценария соответствует примерно минуте экранного времени – отсюда можно сделать привязку к времени полёта. После раскадровки составляется монтажный лист, с которым и идёт работа в реальном времени на «съёмочной площадке» – какое освещение, сколько кадров для каждого типа освещения, другая рабочая информация. Есть еще ряд терминов, которые можно сравнить с профессиональной лексикой из других областей: панорамирование (вращение камеры, находящейся на подставке, вправо или влево), наклон (наклон камеры вперёд или назад таким образом, чтобы она смотрела вверх или вниз), сопровождение (track – физическое перемещение камеры назад или вперёд), наезд камерой, или масштабирование (zoom – использование вариообъектива для приближения или удаления от объекта)

Как пример: на упоминавшейся выше конференции в докладе ФГУП 3 ЦНИИ Минобороны России было отмечено, что один из основных показателей эффективности оптико-электронной аппаратуры, в том числе телевизионной – вероятность распознавания типовых целей на заданном эшелоне высот. Среди способов формализации процесса распознавания наиболее адекватным и в то же время относительно несложным является подход с использованием критерия Джонсона. Сущность подхода в том, что реальный объект заменяется эквивалентной штриховой мирой, где число тёмных и светлых штрихов, укладывающихся на минимальный размер объекта, выбирается в соответствии с критерием Джонсона. Яркостный контраст между тёмными и светлыми штрихами эквивалентной миры выбирается равным контрасту «объект/фон» в плоскости цели. По киношной терминологии это похоже на сверхдальний план, когда объект съёмки мал и характеризуется большим количеством свободного пространства вокруг себя

Пример с ледником показывает еще одну проблему метода эпиполярной навигации: остров, как и ледник, может изменить свою форму – под воздействием цунами, как недавно выяснилось. Однако, всё не так безнадёжно, чтобы оказаться не по плечу радиолюбителям. Еще в 2002 г. на конференции «Цифровая обработка сигналов и её применение» представителями Российского университета дружбы народов был сделан доклад о применении алгоритма ISODATA для вторичной классификации в системе распознавания образов. В частности, в ходе распознавания самолётов на снимке аэродрома автоматическая обработка изображения в реальном времени с адаптивной сегментацией не даёт хороших результатов, поскольку рулёжные дорожки, имея высокие яркость и контрастность, не позволяют выделить контуры самолётов. К контуру самолёта может «приклеиться» кусок другого объекта и совпадение с эталоном станет проблематичным. На рис. 6 показана работа алгоритма по сборке объекта из трёх кластеров (контуров) при удалении «лишнего» кластера. В перспективе, с усовершенствованием программного и аппаратного обеспечения, решение подобных задач может стать посильным и для бортовой аппаратуры авиамоделей.

Каковы же эти перспективы? В соответствии с Положением о признании новых видов спорта и спортивных дисциплин в Российской Федерации, на основании решения комиссии Госкомспорта России о признании новых видов спорта и спортивных дисциплин от 13.11.03 г. председатель Госкомитета РФ по физической культуре и спорту 12.03.04 г. издал приказ о признании нового вида спорта – компьютерный спорт. А уже через два месяца после этого состоялся финал Первого Кубка России по компьютерному спорту. Соревнования финалистов прошли по четырём кибер-дисциплинам, в том числе была дуэльная игра «ИЛ-2: Асы в небе». А отсюда уже один шаг до соревнований реальных авиамоделей, оснащенных сложной электроникой. И если эти соревнования окажутся достаточно зрелищными, будут и спонсоры, и призы и всё такое. Ведь что есть спорт, как не бизнес, о котором мы здесь всё время говорили?

В этой связи обратимся еще раз к тонкостям терминологии. В описаниях игр-авиасимуляторов бывают фразы типа: «при создании локации для этого авиасимулятора использовались данные аэрофотосъёмки». Это может показаться неточностью перевода – ведь термин «локация» в общеупотребительном смысле означает «определение местоположения объекта по испущенному этим объектом сигналу или сигналу, отразившемуся от объекта». Однако, на языке кинематографистов слово «location» имеет значение «натура, натурная съёмка», и отсюда «локация» - это ландшафт или какой-то участок в пространстве. Кстати, это еще одно бизнес-применение видеосъёмки с высоты. А. П. Барсуков, журнал "Радиолюбитель", № 3, 2005 г. 

Еще больше информации на данную тему содержит телеграм-канал «Человекоподобные роботы: технологии и рынки».