Tekuće stanje istraživanja u oblasti

Ideja o pokretanju ovog projekta proistekla je iz uočenih potreba i problema koji su pratili desetogodišnji program razvoja i proizvodnje mernih mašina baziranih na laserskim triangulacionim senzorima za merenje geometrijskih veličina na proizvodnim linijama u oblasti industrije prerade elastomera. U navedenom periodu, ovaj program je gotovo isključivo bio komercijalno valorizovan na tržištu zemalja bivšeg SSSR, gde je intenzivnom marketinškom kampanjom uspostavljena veza sa svim značajnim kompanijama u segmentu industrije prerade elastomera, koje su posle suštinskih promena u tamošnjoj ekonomiji, najveći deo svojih aktivnosti usmerile na unapređenje kvaliteta proizvoda, prvenstveno kroz unapređenje kvaliteta proizvodnih procesa. Ovaj program realizuje Centar za nove tehnologije Mašinskog fakulteta Univerziteta u Beogradu u saradnji sa kompanijama iz domaće industrije koje su nosioci ukupnog posla u smislu njegovog organizovanja i tržišne valorizacije. Paralelno sa aktivnostima u segmentu industrije prerade elastomera, Mašinski fakultet je, koristeći svoja iskustva iz domena robotike i ranije razvijanih programa sistema veštačkog gledanja (robotic vision systems), činio konkretne napore u delu podrške oporavka domaće automobilske industrije (primer programa pokretanja proizvodnje novog modela putničkog automobila Zastava 10, u sklopu obnovljene saradnje kompanije Zastava automobili sa italijanskim Fiatom). Konkretno, u ovom slučaju se radilo o projektu robotizovanog sistema za montažu prednjeg i zadnjeg vetrobranskog stakla primenom tehnologije lepljenja, gde su senzorski sistemi bazirani na savremenim digitalnim optičkim tehnologijama korišćeni za prepoznavanje položaja vetrobranskog stakla u radnom prostoru robota, na osnovu čega je robot u realnom vremenu korigovao svoju trajektoriju i sa velikom preciznošću nanosio specificiranu količinu poliuretanskog lepka kojim je vetrobransko staklo u narednoj sekvenci montaže lepljeno i time fiksirano na karoseriju vozila.
Navedeni inženjerski projekti pokazali su dve vrlo bitne činjenice koje su izvedene iz neposrednog praktičnog istraživačkog i inženjerskog iskustva:

Iz ovih razloga predlaže se pokretanje projekta čiji je osnovni cilj sistematsko istraživanje u ovoj oblasti u cilju ovladavanja generičkim znanjima iz domena tehnologije inteligentnih optičkih senzorskih sistema i transfera tih znanja u domaću industriju, pre svega u domen automatizacije proizvodnih procesa.

Stanje u svetu

Razvoj potrošačkog tržišta i rast konkurencije utiču na proizvodne tehnologije kroz stalno rastuće  zahteve za unapređenjem kvaliteta i performansi proizvoda i njegove personalizacije, što stvara neprekidne tehničke izazove u svim segmentima proizvodnih tehnologija, a posebno u delu metrologije i tehnologije senzorskih sistema koje su sa njom najdirektnije povezane [2]. Tako na primer, masovni proizvodi kao što su podsistemi kompjutera ili različite komponente iz domena automobilske industrije, zahtevaju ekstremnu geometrijsku preciznost da bi se ostvarile zahtevane funkcionalne karakteristike finalnog proizvoda. Istovremeno, varijantnost proizvoda zahteva visok stepen fleksibilnosti i autonomnosti automatske opreme, da bi se proizvodnja učinila ekonomski isplativom. Druga grupa primera se vezuje za novu klasu proizvoda, koja brzo osvaja tržište a odnosi se na mikroelektromehaničke sisteme. Ovakvi proizvodi dovode funkcionalne razmere konvencionalnih proizvodnih sistema na podmikronski nivo, gde se pred senzorske sisteme i metrologiju postavljaju sasvim novi zahtevi koji se ne mogu ispuniti tradicionalnim tehnologijama.
Odgovor na ovakve potrebe su digitalne optičke tehnologije, koje čine generičku osnovu novih senzorskih i metroloških sistema koji se intenzivno integrišu sa proizvodnim tehnologijama [3], [4]. Prema studiji koja je sprovedena od strane Opto-Electronics Industry Development Association, utvrđen je ekstremno brz trend razvoja optičkih senzorskih sistema i optičke metrologije [3]. Tržište optoelektroničkih senzorskih sistema je u periodu od 1994. do 2004. godine sa 0.4 milijarde dolara poraslo na 1.4 milijardi dolara, pri čemu se predviđa dalji intenzivni rast, tako da 2014. godine tržište optoelektroničkih proizvoda dostigne preko 2.5 milijardi dolara. Intenzivni rast prisutan je u delu istraživanja i razvoja gde se, mereno brojem patenata, oblast optoelektroničkih proizvoda razvija vrlo brzo (od nešto manje od 50 patenata tokom sedamdesetih, pa do preko 500 patenata tokom devedesetih godina prošlog veka).
Oblast senzorskih sistema baziranih na digitalnim optičkim tehnologijama koja se razmatra u okviru ovog projekta, može se klasifikovati u dve osnovne grupe:

U prvu grupu spadaju senzori bazirani na laserskim poluprovodničkim diodama, snage do 20 mW, koje zrače u vidljivom ili infracrvenom delu spektra. Mada postoji veliki broj konstruktivnih varijanti, mogu se izdvojiti tri osnovne varijante koje su danas dominantne na tržištu dimenzione metrologije. To su: 1) senzorski sistemi bazirani na principu optičke triangulacije, 2) konfokalni sistemi bazirani na spektralnoj devijaciji polihromatske svetlosti i 3) sistemi bazirani na zasenjivanju optičke zavese. Triangulacioni sistemi su najmasovnije zastupljeni i sreću se u obliku jednostruke, dvostruke i cirkularne triangulacije, sa tačkastim ili linijskim oblikom laserskog snopa. Po pravilu su difuzno reflektivnog tipa, sa mernim opsegom koji se kreće od dela milimetra do nekoliko metara. Bitna osobina ovih senzorskih sistema je ta da oni beskontaktno mere rastojanje do objekta i da poseduju mogućnost projekcije mernog opsega. Tokom devedesetih, laserski triangulacioni senzori su bili bazirani na analognim optoelektričnim pretvaračima - PSD (Position Sensitive Detector) tehnologija. Danas dominiraju digitalni pretvarači bazirani na CCD (Charge Coupled Device) i CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) tehnologiji [5]. Prelazak na digitalne optoelektrične pretvarače omogućio je primenu vrlo složenih algoritama za obradu projektovanog laserskog snopa, koja uključuje različite oblike filtracije i uklanjanje višestrukih refleksija, kompenzaciju promenljivih optičkih svojstava mete, kompenzaciju distorzije projektovanog laserskog snopa izazvane inklinacijom mete, .... Digitalni optoelektrični pretvarači uz primenu specijalnih algoritama obrade signala omogućavaju rad i sa transparentnim metama, kao i predikciju ponašanja mete, što je ove senzore učinilo vrlo robusnim, vrlo preciznim i primenljivim u vrlo širokom spektru zadataka iz domena automatizacije proizvodnih procesa.
Tipične klase zadataka u kojima se primenjuju laserski triangulacioni senzori:

Slika 3 ilustruje tipičan primer leading edge primene laserskih tirangulacionih senzora nove generacije sa linijskim oblikom emitovanog laserskog snopa (laserski profilometar) na zadacima dimenzione kontrole proizvoda u oblasti industrije prerade elastomera. U konkretnom slučaju tri laserska triangulaciona senzora skeniraju gazeću i bočnu stranu pneumatika sa mikronskom rezolucijom i brzinom uzorkovanja od 256 ks/sec. Primer je preuzet od nemačke kompanije MicroEpsilon, koja je ovaj sistem realizovala i instalirala tokom 2007. godine u kompaniji Continental Tires u delu završne kontrole kvaliteta geometrijske i mehaničke uniformnosti pneumatika za putnička vozila. Ovakav sistem je sposoban da detektuje i najmanja odstupanja stvarne geometrije od nominalnih mera, isključujući oznake i elemente dekoracije (slova, logo firme, različite oznake i teksture). Ciklus merenja traje samo 3 sekunde. Pored senzora koji poseduje vrhunske metrološke performanse, za realizaciju ovakvog sistema neophodna su vrlo kompleksna znanja za obradu signala koji generišu laserski triangulacioni senzori.
Drugu grupu optičkih senzorskih sistema čine senzori veštačkog gledanja koji su bazirani na primeni savremenih CCD ili CMOS tehnologija. Ove tehnologije su u poslednjim godinama preplavile tržište zabave (foto aparati, foto kamere, WEB kamere, mobilni telefoni, ...). Tržište zabave je tržište masovne proizvodnje, a to znači da je stvoren održiv ambijent za komercijalnu valorizaciju vrlo kompleksnih proizvoda i tehnologija, koje bi bez jednog takvog podsticaja imale vrlo ograničen razvoj. Prelivanje ove tehnologije u druge oblasti, uključujući i oblast automatizacije  je relativno jednostavna – industrijskim kompanijama i istraživačkim laboratorijama stoje na raspolaganju optoelektonički pretvarači i sistemi za digitalnu obradu signala vrhunskih performansi i male cene, što je izuzetan podsticaj za generisanje jednog širokog spektra proizvoda za segment sistema veštačkog gledanja. Ovakvi sistemi su danas široko prisutni u delu hardvera. U delu softvera, situacija je značajno drugačija. Sistemi veštačkog gledanja u svojoj osnovi imaju segment koji se odnosi na kondicioniranje signala i analizu slike, i segment koji se odnosi na prepoznavanje oblika. Prepoznavanje oblika je ključni sadržaj i nosilac je onoga što je osnovna odlika svakog sistema za veštačko gledanje – inteligencija u punom značenju te reči.
Prepoznavanja oblika je jedna od najdinamičnijih istraživačkih tema i prostire se kroz različite oblasti savremenog inženjerstva. Fazi logički sistemi, neuronske mreže, evolutivni algoritmi, teorija kognitivnih sistema i iz toga izveden širok spektar tehnika koje sve zajedno čine jednu posebnu oblast u domenu veštačke inteligencije, koja se naziva soft computing, čine naučnu i inženjersku osnovu za rešavanje zadataka iz domena prepoznavanja oblika i ugradnju tih rešenja u sisteme veštačkog gledanja [6].
Mada se mogu primenjivati kao nezavisni funkcionalni moduli, sistemi veštačkog gledanja najčešće prate robotske sisteme. Sistem veštačkog gledanja pridodat robotu je ključni sadržaj upravljačkog sistema robota koji obezbeđuje interakcije robota sa okruženjem. Robot postaje svestan svog okruženja i može da reaguje na promene u tom okruženju. Inteligencija sadržana u sistemu veštačkog gledanja prenosi se na sistem robota u celini.
Prepoznavanja oblika je jedna od najdinamičnijih istraživačkih tema i prostire se kroz različite oblasti savremenog inženjerstva. Fazi logički sistemi, neuronske mreže, evolutivni algoritmi, teorija kognitivnih sistema i iz toga izveden širok spektar tehnika koje sve zajedno čine jednu posebnu oblast u domenu veštačke inteligencije, koja se naziva soft computing, čine naučnu i inženjersku osnovu za rešavanje zadataka iz domena prepoznavanja oblika i ugradnju tih rešenja u sisteme veštačkog gledanja [6].
Mada se mogu primenjivati kao nezavisni funkcionalni moduli, sistemi veštačkog gledanja najčešće prate robotske sisteme. Sistem veštačkog gledanja pridodat robotu je ključni sadržaj upravljačkog sistema robota koji obezbeđuje interakcije robota sa okruženjem. Robot postaje svestan svog okruženja i može da reaguje na promene u tom okruženju. Inteligencija sadržana u sistemu veštačkog gledanja prenosi se na sistem robota u celini.
Jedan od bitnih tematskih okvira sadržanih u FP6 i tekućem FP7 programu istraživanja koje finansira Evropska unija za domen proizvodnih tehnologija se gotovo ekskluzivno odnosio samo na inteligentne procese, inteligentne uređaje i inteligentne proizvodne sisteme (tematski prioritet 3). Veštačka inteligencija je generička tehnologija na kojoj se zasniva dalji razvoj proizvodnih tehnologija u sklopu nove proizvodne paradigme – customized manufacturing, koja je krajem devedesetih godina prošlog veka zamenila do tada dominantnu paradigmu – paradigma masovne proizvodnje [7]. U ovom kontekstu sistemi veštačkog gledanja postaju jedna od ključnih tehnologija u čijem razvoju su prisutne intenzivne istraživačke aktivnosti na univerzitetima i institutima, i u kojoj su istovremeno prisutne intenzivne razvojne aktivnosti u segmentu komercijalne valorizacije rezultata ovih istraživanja koji se sprovode na nivou industrijskih kompanija, uglavnom u segmentu malih i srednjih preduzeća.

Stanje na nacionalnom nivou

Osamdesetih i početkom devedesetih godina prošlog veka u Srbiji su postojale akademske institucije koje su se intenzivno bavile istraživanjima u domenu dimenzione metrologije i robotike. U okviru Centra za nove tehnologije Mašinskog fakulteta Univerziteta u Beogradu, sprovođena su višegodišnja sistematska istraživanja u ovoj oblasti kroz veći broj projekata koji su realizovani u okviru Laboratorije za robotiku i Laboratorije za automatizaciju proizvodnih procesa. Slična istraživanja su se odvijala u okviru Instituta Mihajlo Pupin, takođe u okviru Laboratorije za robotku koja je po svom doprinosu teoriji projektovanja robotskih sistema bila referentna u svetskim razmerama. Slična istraživanja su se sprovodila i na Elektrotehničkom fakultetu Univerziteta u Beogradu, Institutu za fiziku, kao i na Fakultetu tehničkih nauka u Novom Sadu. 
Domaća industrija je pratila razvoj u delu istraživanja, pa su osamdesetih godina u okviru LOLA Korporacije, a kasnije i u okviru LOLA instituta, realizovani prvi industrijski roboti, a zatim i prvi industrijski sistemi za analizu slike, koji su uspešno implementirani na konkretnim zadacima automatizacije proizvodnih procesa u domaćoj industriji (Fabrika automobila Zastava YUGO).