İlgiye Dayalı Gerçek Zamanlı Robot-Video Kodlama Ve İletimi

2Fikrin Buluş’a Dönüştürülmesi

2.1Hedef Kullanıcı Beklentileri

Gezgin robotların kullanım alanları, bu konularla ilgili ilk araştırmaların başladığı dönemden bu yana gittikçe genişlemiş, artık sadece endüstride otomatik olarak yönlendirilen araçlar olarak (Automatic Guided Vehicle – AGV) kullanılmaktan çok, sosyal hizmet alanlarında (müzelerde otomatik rehberlik, kötürümlere yürürken yardımcı olmak, bürolarda ofisler arası eşya taşıma vb.), insanlara zarar verebilecek (yüksek asit, sıcaklık ve basınçtaki) ortamlarda insanların yerine ortamda araştırmalar yapma (nükleer tesislerin denetimi, kanalizasyon borularının temizlenmesi, okyanus diplerinin incelenmesi vb.), kendi kendini sürme yeteneğine sahip araçlar (arabalarda sürücünün dikkati yorgunluktan dolayı dağıldığında sürücü yönetimini eline alan akıllı sürücü sistemleri), askeri amaçlı otonom aygıtlar (otomatik mayın temizleyiciler, otonom savaş makinaları vb.), otonom tavırların incelenmesi için araştırmalar gibi diğer birçok alanlarda kullanılmaya başlanmıştır.

Artan kullanım alanları, gezgin robotların tasarımıyla ilgili önemli teknolojik gelişmeleri beraberinde getirmekte ve daha yenilerini de gerektirmektedir. Otonom yapıya sahip olması beklenen herhangi bir gezgin robotun sahip olması gereken özellikler ;

• 
  Bulunduğu ortamı tasarlandığı amaç doğrultusunda algılayabilmesi,
  
• 
  Kendi kendine karar verebilmesi,
  
• 
  Bildiklerini insanlarla paylaşabilip, gerektiğinde kontrol edilebilmesi.
  

Eğer otonom olması planlanan bir gezgin robotun en önemli sisteminin karar verme mekanizması olduğu düşünülürse, bulunduğu ortamın algılanmasında görme sistemine çok önemli bir işlev düşmektedir. Görme sistemi robotun öğrenmesine açık, gerçek-zamanlı olmalı, aynı zamanda donanımsal olarak ekonomik olmalıdır. Robotun mekanik tasarımının iyileştirilmesi için hem mekanik bileşenlerinin çok iyi üretilmesi, seçilmesi ve yerleştirilmesi (az sürtünme, az boşluk vb.) hem de robotu hareket ettirecek motorların yüksek tork/ağırlık ve yüksek tork/güç özelliklerine sahip olmaları gerekmektedir. Bunun yanında en önemli nokta robotu kontrol edecek elektronik aksamın mümkün olduğunca minimize edilmiş olmasıdır ki bu sayede gereksiz elektronik kartlar kullanmadan basit mikro-kontrollörler yoluyla fazladan güç çekecek birçok gereksiz devreden kurtulunabilmektedir. Buna ek olarak, görsel bilginin işlenmesi ve karar mekanizmasının çalışması için gerekli işlemsel güç, elektronik donanımına uygun olmalı ve robotun gerçek-zamanlı iş yapmasına izin vermelidir. Son olarak ta, bütün bunları gerçekleştirirken, robotun gördüklerini paylaşması ve gerektiğinde insan müdahalesine izin vermesi gerekmektedir. Bizler bu proje çerçevesinde, tüm bu gereksinimlere yanıt verebilecek bir robot tasarımı yapmayı amaçlamış bulunmaktayız.

2.2Buluşun Özgün Yönleri ve Mukayaseli Karşılaştırma

Literatürde ve uygulamada birçok başarılı görüntü işleme sisteminin bulunduğunu rahatlıkla söyleyebiliriz. Video iletimi ve uzaktan kontrol alanları da incelendiğinde ihtiyaç duyulan alanlarda oldukça başarılı çalışmaların var olduğunu da bilmekteyiz. Bununla birlikte bütün bu sistemlerin senaryo bazlı yani belirli bir amaç ortaya konularak kullanılması durumunda başarılı olduklarını görebiliriz. Bu bağlamda bakıldığında bağlayıcı kabullenmeler olmadan olumsuz ortam şartlarında çalışabilecek ve yüksek gerçek zamanlı performans sunduğu kadar maliyet ve üretim açısından da bakıldığında verimli sistemlere ihtiyaç duyulduğunu düşünmekteyiz. Bu anlamda APES robotu üzerinde geliştirdiğimiz algoritmalar, uygulamalar , mekanik ve elektronik aksamlar sorunlara köklü çözümler getirmeyi hedeflemektedir. Bunu hedeflerken de kullanılan yöntem, mevcut sorunların çözümüne farklı açılardan ve platformlardan bakarak insan biyolojisinin yeteneklerini baz almak olmuştur. Seçici algılama alanında karmaşık odaklama dizilerinin gerçek zamanlı olarak nesne tanıma amaçlı kullabilecekleri üç yeni yöntem önerilmektedir. Bu yöntemlerin ortak noktaları süzgeç, zaman ve model bazında birleşim yaparak, kümülatif bir şekilde karar oluşturabilmeleridir. Ayrıldıkları husus ise üç boyutlu tümleşimin yapıldığı sıranın farklı olmalarıdır. Bu yöntemlerden ikisi tek nesne içeren ortamlarda ve birden fazla nesnenin olduğu ve kararların buna göre değişmesi gereken ortamlarda iyi bir başarım ortaya koyabilmektedirler. Üçüncü metot ise tek nesne içeren ortamlarda yüksek balarım ortaya koyabilmektedir.
Video kodlama açısından bakıldığında gerçek zamanlı ve düşük bant genişliğinde çalışabilen video kodlamak için devinim dengelemeli (MC) ve ayrık kosinüs değişimi (DCT) tabanlı sistemler en uygun çözüm olarak sunulmaktadır [13]. Devinim dengelemeli teknikle zamansal, ayrık kosinüs değişimi ile de uzamsal artıklıklar optimum seviyeye çekilmeye çalışılır. Gerçek zamanda uygulanabilirlik açısından H.263 ve H.263+ kodlayıcıları [14], başarılı bir şekilde bu iki tekniği kullanır. Video kodlayıcısının bit hızını ve aksaklıklara dayanıklılığını belirleyen bir faktör de blok-içi veya bloklar arası kodlama kararıdır [15]. Dolayısı ile anlık imge boyutlarında küçülme veya ardışık imgeler arasındaki herhangi bir benzerlik, bit hızını veya aksaklıklara dayanıklılığı arttırırlar. İnsan gözünün çalışma prensipleri görme bilimcileri tarafından incelenmektedir . İnsan, görüş alanındaki her şeyi aynı kalitede işlemez. Öncelikle gözler, ilgiyi çeken bölgeye odaklanıp orayı mükemmel bir biçimde işler. İlgi alanı dışındaki bölgeler ise daha kaba bir şekilde beyine iletilir. İlgi merkezinin değişmesiyle genel görüntüdeki eksiklikler giderek azalır. İlginin tipi de zaman içinde değişebilir. Belirli bir renk, köşeler, veya bir insan yüzü ilginin merkezi olabilir. Literatürde gerek insanın görsel duyu sistemi üzerine, gerekse de video kodlama üzerinde ayrı-ayrı birçok bilimsel çalışma bulunmaktadır. Ama birbirine çok bağlı olan bu iki konu aynı anda çok fazla incelenmemiştir[16,17]. APES üzerinde yaptığımız çalışmalarda bu iki konuya aynı anda çözüm bulmaya çalıştık. Geliştirdiğimiz yöntemin APES robotundan gelen video yayınının yerel ağ üzerinden iletimindeki son derece başarılı olduğu gözlenilmiştir. Bu yöntemin özelliği video kodlama algoritmasından bağımsız olarak bir önişleme yöntemi olması ve dolayısı ile her türlü kodlama sistemi ile uyumlu olmasıdır. Yöntemimiz çeşitli deneyler ile klasik kodlama yöntemleriyle de karşılaştırmalı sınanmıştır.
Uzaktan robotları kontrol edebilmek, uygulama paylaşımı sayesinde bir çok kişinin aynı anda robotun çıktılarına ulaşabilmesi, bu konudaki çalışmalar için ulaşılmaya çalışılan hedefler olmuşlardır. Web erişimli robot uygulamalarına ilk örnekler, bir masa üzerindeki tahta parçalarını hareket edebilen ASEA Irb-6 [46], sanal bahçede işler yapabilen “Telegarden” ortamı [45], müze erişimi sağlamak amaçlı tasarımlanmış [44] robotlarıdır. Ilk uygulamaların çoğunda, HTML-CGI kullanılmış ve imge aktarımı JPEG olarak kodlanarak “off-line” bir şekilde gerçekleştirilmiştir.. Daha sonra yapılan çalışmalar da, genelde CGI bazlı olarak gerçekleştirilmiştir. Internet’teki değişken bantgenişliği ve gecikme sorunlarına daha gerçekçi çözümler bulmak üzere sunucu-istemci yapısı ile Java bazlı bir sistem önerilmiştir [41,47]. Ancak imge aktarımı yine “off-line” olarak gerçekleştirilmiştir. APES üzerinde yaptığımuız çalışmalar sonucunda bulunduğu ortamı seçici ilgiye dayalı olarak algılayan APES robotuna İnternet üzerinden erişimi ve denetimi sağlayacak bir sistem geliştirilmiştir. Java ile yazılmış olan istemci ve sunucu parçalardan oluşan haberleşme sistemi sayesinde hem İnternet üzerinden daha kolay veri aktarımı yapılması sağlanmıştır, hem de sistem kullanıcı bilgisayarından bağımsız hale getirilmiştir. Sunucu ile kullanıcı arasındaki çift yönlü iletişim bulunmaktadır. Sunucu, kullanıcıdan aldığı komutlar doğrultusunda yapılması gereken işleri, “Temel APES yazılım birimi” ne aktarmaktadır. Böylece kullanıcı, APES’e verdiği komutlar uygulanırken ayni zamanda APES’in kameralarından o anki görüntüleri de seyredebilmektedir. Ayrıca başka kullanıcılar da aynı şekilde sistem çalışırken anlık görüntüleri kendi bilgisayarlarından seyredebilmektedir.