Aplicación de la Visión por Computador 22 - Basado en el campo de la visión por computadora y las gafas de realidad virtual VR, se concibe la aplicación de la asistencia remota en la vida diaria de las personas mayores que viven solas.

Hola a todos, soy Weixue AI. Hoy les presentaré la aplicación de visión por computadora 22: basada en el campo de la visión por computadora y las gafas de realidad virtual VR, concebí y consideré la aplicación de asistencia remota en la vida diaria de las personas mayores. vivir solo En el contexto social actual de rápido desarrollo de la tecnología de la información Hoy en día, el problema del envejecimiento se ha vuelto cada vez más prominente. Cada vez más personas mayores eligen vivir solas pero no pueden valerse por sí mismas por motivos físicos. Para resolver este problema, necesitamos encontrar soluciones innovadoras. Este artículo presentará un nuevo método basado en gafas de realidad virtual (VR) y robots controlados remotamente, con el objetivo de ayudar a las personas mayores a mejorar su calidad de vida.

Punto de innovación 1: gafas de realidad virtual VR

Primero, echemos un vistazo a cómo usar gafas de realidad virtual VR para asistencia remota. En este sistema, los trabajadores de enfermería pueden operar el robot en un espacio tridimensional que simula el entorno real mediante el uso de equipos de realidad virtual. Esto puede ayudar a las personas mayores a sostener vasos de agua, verter agua hirviendo, sacar basura, cortar frutas, ordenar la habitación, etc.

Los principios matemáticos de la realidad virtual VR involucran múltiples disciplinas y campos, incluidos la geometría, los gráficos, la física, la informática, etc. Entre ellos, los principios matemáticos importantes incluyen la transformación de proyección, el recorte del tronco, la conversión del sistema de coordenadas tridimensionales, el modelo de iluminación, etc.

La transformación de proyección es el proceso de proyectar una escena en un espacio tridimensional en una pantalla bidimensional. Las transformaciones de proyección más utilizadas incluyen la proyección en perspectiva y la proyección ortogonal. La proyección en perspectiva simula cómo el ojo humano ve un objeto, mientras que la proyección ortográfica proyecta los objetos en un plano paralelo a la pantalla.

Ver recorte frustum se refiere a la necesidad de recortar solo una parte de los objetos en la escena para mejorar el rendimiento de representación de la pantalla. Un enfoque común es tomar la vista frustum e interceptar objetos frente a la pantalla y convertirlos en una perspectiva o proyección ortográfica. La conversión del sistema de coordenadas tridimensional consiste en convertir el sistema de coordenadas tridimensional del objeto en el sistema de coordenadas bidimensional de la pantalla. Este proceso debe considerar operaciones como rotación, escalado y traslación del objeto.

El modelo de iluminación se refiere a la simulación de los efectos de iluminación en el mundo real calculando la reflexión y refracción de la luz en la superficie de un objeto. Los modelos de iluminación más utilizados incluyen el modelo Phong y el modelo Blinn-Phong. Estos principios y tecnologías matemáticos se pueden integrar juntos para el modelado, la interacción y la representación de escenas tridimensionales en realidad virtual VR. Fórmula de transformación de proyección:

Valor predeterminado:
$$\left[\begin{array}{c}{X}_{}\\ y_{}\\ z_{}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}F& 0& 0& 0\\ 0& F& 0& 0\\ 0& 0& A& B\\ & & -& \end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_{}\\ y_{}\\ z_{}\\ \end{array}\right]$$

正交投影：
$$\left[\begin{array}{c}{X}_{}\\ y_{}\\ z_{}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}\frac{}{r-l}& 0& 0& -\frac{r+}{r-l}\\ 0& \frac{}{t-segundo}& 0& -\frac{t+}{t-segundo}\\ 0& 0& \frac{-}{f-norte}& -\frac{f+}{f-norte}\\ & & & \end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_{}\\ y_{}\\ z_{}\\ \end{array}\right]$$

Detalles técnicos: visión por computadora y aprendizaje profundo.

Para que los equipos de realidad virtual capturen con precisión los movimientos del usuario y los conviertan en comandos ejecutables para el robot, necesitamos utilizar visión por computadora y tecnología de aprendizaje profundo.

La visión por computadora es un campo científico dedicado a permitir que los dispositivos informáticos "vean" y comprendan la información de la imagen. En este proyecto, utilizamos principalmente visión por computadora para identificar y rastrear los movimientos de la mano del usuario. Basado en la tecnología de reconocimiento de imágenes de acción, generamos las instrucciones correspondientes para el robot operado remotamente. Finalmente, transmitimos las instrucciones de información de acción al brazo robótico para Completa el entorno VR. Acciones del usuario en tiempo real.

Podemos construir, entrenar y probar rápidamente modelos de redes neuronales basados ​​en el marco PyTorch.

Ejemplo de fragmento de código principal:

import torch
import torchvision.transforms as transforms
from torchvision.models import resnet50 

# 加载预训练模型
model = resnet50(pretrained=True)

# 定义变换函数
transform = transforms.Compose([
    transforms.Resize(256),
    transforms.CenterCrop(224),
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize(mean=[0.485, 0.456, 0.406], std=[0.229, 0.224, 0.225]),
])

# 加载图片并进行预处理
image = Image.open("hand.jpg")
image = transform(image).unsqueeze(0)

# 进行推理
model.eval()
with torch.no_grad():
    output = model(image)

Punto de innovación 2: control remoto de robots

Una vez que el dispositivo de realidad virtual recibe las instrucciones de movimiento del usuario, estas instrucciones se transmitirán al robot remoto a través de Internet. El robot cuida de las personas mayores imitando los movimientos del usuario en función de las instrucciones que recibe.

Detalles técnicos: control remoto y retroalimentación en tiempo real

Para que el robot ejecute comandos con precisión y proporcione retroalimentación en tiempo real, necesitamos utilizar tecnologías de control remoto (Control remoto) y retroalimentación en tiempo real (Retroalimentación en tiempo real).

Utilizamos gafas de realidad virtual VR para controlar remotamente el robot. Los procedimientos operativos específicos y los puntos técnicos clave son los siguientes:

1. Capture las acciones del usuario

Primero, necesitamos capturar los movimientos del usuario a través de equipos de realidad virtual. Este paso se basa principalmente en el sensor de movimiento dentro del dispositivo de realidad virtual y el sistema de posicionamiento externo.

Los sensores de movimiento (como giroscopios, acelerómetros, etc.) pueden detectar cambios en la posición y actitud del propio dispositivo en el espacio, mientras que los sistemas de posicionamiento externos (como el seguimiento óptico, el seguimiento electromagnético, etc.) pueden determinar la posición y orientación del dispositivo. en relación con el medio ambiente.

2. Reconocimiento y conversión de acciones

Después de obtener los datos de la acción del usuario, debemos procesar los datos y convertirlos en instrucciones que el robot pueda comprender y ejecutar. Este proceso consta principalmente de dos pasos: reconocimiento de gestos y generación de comandos.

El reconocimiento de gestos es un paso complejo y crítico. En este proceso, utilizamos modelos de aprendizaje profundo (como la red neuronal convolucional CNN) para extraer características de los datos sin procesar y determinar qué gesto está haciendo el usuario en función de estas características. La generación de comandos consiste en generar las instrucciones correspondientes para que el robot las ejecute en función de los gestos reconocidos. Por ejemplo, "cerrar el puño" podría traducirse como una orden "agarrar".

3. Transmisión de comunicación

Después de completar el reconocimiento y la conversión de la acción, el siguiente paso es enviar las instrucciones generadas al robot remoto a través de la red. En este proceso se podrán utilizar diversos protocolos y tecnologías de comunicación, como Wi-Fi, Bluetooth, LTE, 5G, etc. Para garantizar el rendimiento y la confiabilidad en tiempo real, debemos elegir un protocolo de transporte adecuado (como TCP o UDP) y es posible que debamos realizar alguna optimización de la red (como la calidad del servicio QoS).

4. Ejecución del robot

Cuando el robot reciba la instrucción realizará la acción correspondiente según su sistema de control interno. Este proceso implica mucha tecnología mecánica y electrónica compleja. Por ejemplo, en una tarea de agarre, el robot primero debe calcular la posición y la forma del objeto objetivo (lo que puede requerir el uso de tecnología de visión por computadora) y luego planificar un camino que pueda agarrar el objeto con éxito sin chocar con otros obstáculos. (que puede requerir el uso de tecnología de visión por computadora), usar un algoritmo de planificación de ruta) y finalmente realizar esta ruta impulsando cada articulación (puede ser necesaria tecnología de control de servomotor).

5. Información de comentarios

Mientras realiza tareas, el robot también envía su información de estado al usuario. Esta información puede incluir la ubicación actual, la velocidad, la fuerza y ​​otros datos, o pueden ser imágenes capturadas por cámaras o datos detectados por sensores ambientales. Al mostrar esta información de retroalimentación a través de equipos de realidad virtual, los usuarios pueden operar y percibir el robot como si estuvieran en un entorno remoto. Por ejemplo, mostrar imágenes de la cámara en gafas de realidad virtual permite a los usuarios ver el entorno remoto; simular el tacto a través de dispositivos de retroalimentación de vibración permite a los usuarios sentir las vibraciones generadas al sostener herramientas en sus manos, etc.

Fragmento de código principal:

import socket

def send_command_to_robot(command):
    # 创建socket对象
    s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

    # 连接目标IP和端口
    s.connect(('192.168.1.100', 8888))

    # 发送数据
    s.sendall(command.encode())

    # 接收返回数据 
    data = s.recv(1024)

    print('Received', repr(data))

send_command_to_robot("move forward")

en conclusión

Escenarios de aplicación para robots controlados por gafas VR:

1. Servicios de telemedicina:
a través de gafas de realidad virtual, los médicos pueden operar robots de forma remota para realizar cirugías u otros procedimientos de tratamiento. Esta es una tecnología importante para áreas geográficamente remotas o donde los recursos médicos avanzados son escasos.
2. Rescate en casos de desastre:
en desastres naturales como incendios y terremotos, los robots controlados por gafas de realidad virtual pueden ingresar a entornos peligrosos para realizar trabajos de búsqueda y rescate, lo que reduce las víctimas.
3. Exploración del mar profundo/espacio:
Los robots controlados por gafas de realidad virtual pueden ingresar a las profundidades del mar o al espacio para investigaciones y exploraciones científicas, entornos muy peligrosos o incluso inaccesibles para los humanos.
4. Aplicaciones militares:
En el campo de batalla, los drones o robots terrestres controlados por gafas de realidad virtual pueden realizar tareas como reconocimiento y ataque, al tiempo que reducen los riesgos para los soldados en el campo de batalla.
5. Educación y formación:
A través de robots controlados por gafas VR, los estudiantes pueden realizar experimentos u operaciones simuladas de forma remota. Esto es útil para profesiones como medicina, ingeniería, etc. que requieren mucha práctica.
6. Construcción e ingeniería:
en entornos de construcción complejos y peligrosos, los robots controlados por gafas de realidad virtual pueden realizar tareas como mediciones precisas e inspección de calidad, mejorando la eficiencia y la seguridad en el trabajo.
7. Automatización agrícola:
utilice gafas de realidad virtual para controlar de forma remota robots agrícolas para realizar diversas operaciones agrícolas, como siembra, cosecha y fertilización, lo que reduce la intensidad del trabajo de los agricultores y mejora la eficiencia de la producción.
8. Investigación de la vida silvestre:
los investigadores pueden usar gafas de realidad virtual para controlar de forma remota robots para observar y estudiar animales salvajes en estado salvaje y evitar perturbar sus actividades normales.
9. Industria energética:
en centrales nucleares u otros entornos peligrosos, los robots controlados por gafas de realidad virtual pueden realizar tareas de mantenimiento, revisión y otras tareas para evitar la exposición directa del personal a entornos peligrosos.
10. Industria del entretenimiento:
en la producción cinematográfica o el desarrollo de juegos, las gafas de realidad virtual se utilizan para controlar de forma remota robots y crear escenas o efectos especiales realistas. Por ejemplo, utilizar vehículos aéreos no tripulados en sets de filmación para obtener una perspectiva aérea.

Las consideraciones del sistema anteriores aún se encuentran en la etapa preliminar y aún quedan muchos problemas técnicos por resolver, pero nos ha mostrado una nueva posibilidad: mediante el uso de la última tecnología de realidad virtual y robótica, podemos cuidar mejor a aquellos que no pueden. personas que pueden hacerse cargo de su propia vida diaria por completo. Se espera que con el avance de la ciencia y la tecnología, este método pueda utilizarse más ampliamente en la vida social.