Visión e inteligencia artificial 11-oct-2007

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Fundamentos y aplicaciones de la visión e inteligencia artificiales

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  • 1. VISIÓN E INTELIGENCIA ARTIFICIAL Dr. Hugo A. Banda Departamento de Informática y Ciencias de Computación Escuela Politécnica Nacional I Seminario de Inteligencia Artificial Rama Estudiantil IEEE-ESPOCH Escuela Superior Politécnica del Chimborazo Riobamba, 20 de Noviembre2007
  • 2. Contenido Visión por Computadora  Análisis y Procesamiento de imágenes Digitales Automatización Industrial  Manufactura Integrada por Computador (CIM) Fundamentos de la Robótica  Robótica Industrial Conclusión Quito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 2/48
  • 3. Visión por ComputadoraSe puede definir como la ciencia y la tecnología de las máquinas que pueden “ver”.Estudia y describe los sistemas de visión artificial que se implementan en SW y HW.La interacción y el intercambio entre la visión biológica y la visión por computadora ha sido muy fructífera para los dos campos.Quito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 3/48
  • 4. VC como Disciplina CientíficaLa visión por computadora está relacionada con la teoría y tecnología para desarrollar sistemas artificiales que contienen información de imágenes. Los datos de imágenes, pueden tomar diferentes formas:  Secuencias de video,  Vistas de múltiples cámaras, o  Datos multi-dimensionales de un scanner médico.Quito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 4/48
  • 5. VC como Disciplina Tecnológica Aplica la teoría y modelos a la construcción de sistemas de visión artificial para:  Control de procesos (robots industriales o vehículos autónomos).  Detección de eventos (vigilancia visual)  Organización de información (Indexación de bases de datos de imágenes y secuencias de imágenes),  Modelación de objetos o entornos (Inspección industrial, análisis de imágenes médicas o modelación topográfica),  Interacción (Como dispositivo de entrada para interacción humano-computador).Quito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 5/48
  • 6. Subdominios de la Visión por Computadora Reconstrucción de escenas Detección de Eventos Localización Reconocimiento de Objetos Aprendizaje Indexado Ego-motion y Restauración de imágenes.Quito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 6/48
  • 7. Campos Relacionados con la Visión por ComputadoraQuito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 7/48
  • 8. Visión de Máquina Es la aplicación de la visión por computadora a la industria y procesos de manufactura. La Visión de Máquina, además del análisis y procesamiento computarizado de las imágenes, requiere de dispositivos digitales de entrada/salida y redes de computadoras, para controlar equipos de manufactura automática y robots industriales. Es un subcampo de la ingeniería que comprende:  Ciencias de Computación  Óptica,  Ingeniería Mecánica, y  Automatización industrialQuito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 8/48
  • 9. ANÁLISIS Y PROCESAMIENTO DE IMÁGENES DIGITALESQuito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 9/48
  • 10. Análisis de Imágenes DigitalesEl análisis de imágenes juega un papel importante en las aplicaciones relacionadas con la visión por computadora.Los problemas comúnmente asociados con las imágenes digitales son:  Creación  Procesamiento (Análisis de Bajo Nivel)  Extracción de rasgos (Análisis de Nivel Intermedio)  Reconocimiento (Análisis de Alto Nivel)  Almacenamiento, Recuperación y Transmisión Quito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 10/48
  • 11. Procesamiento de Imágenes (Análisis de Bajo Nivel) Transformaciones: Filtraje, extracción de rasgos, mejora, compresión. Método de Máxima Entropía: Deconvolución, super resolución, reconstrucción. Proyección sobre Conjuntos Convexos: Reconstrucción, deconvolución, diseño de filtros. Fractales: Compresión, emparejamiento de objetos.Quito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 11/48
  • 12. Extracción de Rasgos (Análisis de Nivel Intermedio) Thresholding: Separación de objetos y fondo. Detección de bordes: Identificación de fronteras. Adelgazamiento: Esqueletización. Operaciones Morfológicas: Eliminación de ruido, extracción de objetos. Snakes: Detección de bordes, delimitación de objetos. Mapas Auto-organizativos: segmentación, agrupamiento. Algoritmos Difusos: Agrupamiento. Morphing: Animación a través de deformaciones. Quito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 12/48
  • 13. Reconocimiento (Análisis de Alto Nivel) Teoría de Bayes: Clasificación. Clasificadores Neuronales: Reconocimiento de objetos, segmentación. Clasificadores Difusos: Reconocimiento de objetos, sistemas basados en lógica difusa. Modelos Ocultos de Markov: Reconocimiento de texto manuscrito. Emparejamiento Gráfico: Emparejamiento estructural. Transformada de Hough: Detección de formas conocidas. Formas a partir de Sombreado: Identificación de formas 3D utilizando imágenes 2D. Etiquetado por Relajación: Emparejamiento de objetos. Quito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 13/48
  • 14. AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIALQuito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 14/48
  • 15. Producción y Automatización La producción en masa, estandarizada, de grandes lotes exigía la producción de pocos modelos en una fabricación en serie o en cadena. La orientación al mercado está llevando al paradigma de la diversidad de productos, en pequeños lotes. Una producción que tiene a "la medida del cliente". Lo cual ha contribuido a que sea una producción flexible, celular, para lotes unitarios. Los Sistemas de Manufactura Flexible son una buena respuesta a esa orientación hacia el mercado. Quito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 15/48
  • 16. Automatización IndustrialTécnica industrial que incorpora las siguientes funciones básicas:  Control automático de la máquina  Sistema de autoregulación  Manejo coordinado de material  Sistema de aseguramiento de calidadQuito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 16/48
  • 17. Clases de Automatización Industrial Automatización fija:  Se utiliza cuando el volumen de producción es muy alto. Se justifica económicamente el alto costo del diseño de equipo especializado para procesar el producto, con un rendimiento alto y tasas de producción elevadas. Automatización programable:  Se utiliza cuando el volumen de producción es de medio a bajo y existe una diversidad de productos a obtener. En este caso el equipo es diseñado para adaptarse a las variaciones de configuración del producto, la cual se realiza a través de un programa (software). Automatización flexible:  Es la más adecuada en la utilización de un rango de producción medio. Estos poseen características de los dos anteriores. Quito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 17/48
  • 18. Máquinas con Control NuméricoSon máquinas herramientas programables para producir partes complicadas pequeñas o medianas.  Aplicando una secuencia programada perforan, tornean, horadan o fresan partes diferentes, de distintas formas y tamaños.Quito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 18/48
  • 19. Clasificación de los Sistemas de Control NuméricoSe dividen fundamentalmente en:  Equipos de control numérico de posicionamiento o punto a punto.  Equipos de control numérico de contorneo.Quito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 19/48
  • 20. Maquina de Posicionamiento con CNCQuito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 20/48
  • 21. Programa de Maquinado de PosicionamientoQuito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 21/48
  • 22. Fresadora con Control NuméricoQuito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 22/48
  • 23. Sistemas MultifuncionesLos sistemas multifunciones se pueden dividir en cuatro grandes grupos:  Tornos automáticos  Centros de mecanizado  Máquinas transfer  Sistemas de manufactura flexibleQuito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 23/48
  • 24. Torno AutomáticoQuito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 24/48
  • 25. Centro de Mecanizado Un centro de mecanizado es una estación simple controlada por CNC, una máquina herramienta capaz de fresar, taladrar, escariar, etc. Estas máquinas herramientas son usualmente equipadas con un cambiador automático de herramientas y diseñadas para realizar operaciones en distintas superficies de piezas sobre una tabla rotante. Quito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 25/48
  • 26. Sistemas de Manufactura Flexible Un sistema de manufactura flexible es una configuración de estaciones de trabajo casi independientes, controladas por computadora, en la cual el manejo de materiales y la carga de las máquinas se realizan en forma automática. Sus componentes son:  Varias estaciones de trabajo controladas por computadora (máquinas de control numérico, robots);  Un sistema de transporte controlado por computadora para movilización de partes y materiales entre máquinas; y  Estaciones de carga y descarga. Quito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 26/48
  • 27. Célula de Manufactura FlexibleQuito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 27/48
  • 28. Máquina Herramienta ReconfigurableQuito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 28/48
  • 29. Computer Integrated Manufacturing (CIM)Quito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 29/48
  • 30. Manufactura Integrada por Computadora Se refiere a la integración total del diseño y la ingeniería de productos, la planificación de procesos y la manufactura por medio de complejos sistemas de computación. El CIM está evolucionando hacia el CIE (Empresa Integrada por Computador), que implica una integración total de la administración y la producción. La combinación CIE/CIM cambiará radicalmente el perfil de las empresas.Quito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 30/48
  • 31. Ciclo Típico de ProductoQuito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 31/48
  • 32. CAD & CAMEl diseño asistido por computador (CAD) sustituye el diseño manual por el digital, para creación de nuevas partes, productos o la modificación de otros existentes.Los sistemas de manufactura asistida por computador (CAM), se usan para diseñar procesos de producción, controlar máquinas herramientas y flujo de materiales mediante la automatización programable.Quito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 32/48
  • 33. CAD/CAM Un sistema CAD/CAM integra la función de diseño y manufactura. Traduce las especificaciones de diseño a instrucciones detalladas para la máquina que va a fabricar el producto. Es más rápido y menos propenso a errores que los humanos. Permiten observar la forma en que las diversas partes de un diseño interactúan entre sí, sin tener que construir un prototipo.Quito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 33/48
  • 34. FUNDAMENTOS DE LA ROBÓTICAQuito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 34/48
  • 35. Leyes de la Robótica1. Un robot no puede dañar a un ser humano o, por omisión de acciones, permitir que sufra algún daño.2. Un robot debe obedecer las órdenes de los seres humanos, excepto cuando tales órdenes entren en conflicto con la primera ley.3. Un robot debe proteger su propia existencia, siempre y cuando dicha protección no entre en conflicto con las dos leyes anteriores.Quito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 35/48
  • 36. Definición de Robot Manipulador reprogramable y multifuncional diseñado para mover material, partes, herramientas o dispositivos especializados mediante movimientos variables programados para la realización de una variedad de tareas.- Jablonski J, Posey J. Robotics Terminology, in Handbook of Industrial Robotics, Nof S & Wiley J, Eds. New York, USA, 1985.Quito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 36/48
  • 37. Características de un Robot Un robot percibe su entorno mediante sensores y responde o actúa de manera tal que se logren los objetivos deseados, con base en ciertos supuestos, por medio de sus efectores o actuadores. La racionalidad de la acción robótica depende de 4 factores:  De la historia perceptual del robot (secuencia de percepciones).  Del conocimiento que el robot posea del ambiente en donde opera.  De las acciones que el robot pueda emprender.  De la medida con la que evalúa el éxito logrado.Quito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 37/48
  • 38. Aproximaciones para el Desarrollo de la RobóticaAproximación basada en conocimiento  Utiliza la inteligencia artificial simbólica tradicional, para tratar de alcanzar la autonomía en los robots.Aproximación basada en comportamiento  Está inspirada en fenómenos naturales. Enfatiza en comportamiento y reacción rápida, antes que en conocimiento y planificaciónQuito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 38/48
  • 39. Robots Basados en Conocimiento La principal premisa es que la inteligencia es intrínsecamente un fenómeno computacional. Las arquitecturas parten de una descomposición de los procesos que el robot debe realizar, en tareas independientes que luego se unen. El diseñador define mediante entidades simbólicas un modelo del ambiente, que permite realizar una planificación de los movimientos del robot para alcanzar una determinada meta. Quito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 39/48
  • 40. Arquitectura Robótica Basada en Conocimiento Entradas de los Sensores Interpretación de Datos Sensados Modelado del Entorno Planificación Ejecución Salidas a los ActuadoresQuito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 40/48
  • 41. Robots Basados en ComportamientoEsta tendencia está situada entre la planificación de alto nivel de la inteligencia artificial deliberativa y la teoría de control de bajo nivel.Está basada en la simplicidad, adaptabilidad y actitud de los fenómenos naturales.Cada uno de los niveles de comportamiento reciben las señales de los sensores y su reacción va directamente a los actuadores. Quito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 41/48
  • 42. Arquitectura Robótica Basada en Comportamiento Identificar Objetos Comprobar Cambios Entradas de Salidas a los los Sensores Construir Mapas Actuadores Explorar Evitar ObstáculosQuito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 42/48
  • 43. Robots “Autónomos” Robot Aibo de Sony Robot Sojourner en Marte Robot Asimo de HondaQuito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 43/48
  • 44. ROBÓTICA INDUSTRIALQuito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 44/48
  • 45. Robots Industriales  Son dispositivos electrónico - mecánicos, que desempeñan tareas automáticamente, ya sea de acuerdo a supervisión humana directa, a través de un programa predefinido o siguiendo un conjunto de reglas generales, utilizando técnicas de inteligencia artificial.Quito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 45/48
  • 46. Robots IndustrialesGeneralmente estas tareas reemplazan, asemejan o extienden el trabajo humano, como ensamble en líneas de manufactura, manipulación de objetos pesados o peligrosos, trabajo en el espacio, etc. Quito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 46/48
  • 47. Celdas de Trabajo AutomatizadasQuito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 47/48
  • 48. CONCLUSIÓN Para que una universidad sea trascendente y beneficie a su entorno, debe ser capaz de contribuir a latransformación social y productiva de la comunidad propiciando su permanente desarrollo humanístico, ético y tecnocientíco. GRACIAS Dr. Hugo A. Banda Gamboa hbanda@ieee.orgQuito, Julio 2007 © Dr. Hugo A. Banda Gamboa 48/48