Со времени начала третьей промышленной революции, которая началась после Второй мировой войны, машины стали использоваться для различных видов деятельности с целью повышения производительности. Но крайне редко это происходило для создания или воспроизведения произведений искусства, поскольку люди уверены, что для создания шедевров требуется творческий подход. В наш век искусственного интеллекта уже существует мнение, что можно создавать (или воспроизводить произведения искусства) с помощью роботов. В этом материале обсуждается обзор эволюции «машин, которые рисуют» и методов, используемых ими, и областей деятельности, в которых это используется.
Проектирование устройств, способных рисовать, - сложная работа, поскольку она требует от механизма очень высокой точности и быстроты выполнения задачи, чтобы эффективность оставалось высокой. В те далёкие времена 1950-1960 годов, многих учёных заставлял воздерживаться от изобретения таких устройств, страх, что их детище может пропустить мельчайшие детали на рисунке. Но от идей учёных двадцатого века инновации прошли долгий путь, чтобы воплотить мечты в реальность.
Но немногим учёным удалось получить данные из уже существующих произведений искусства, поэтому им пришлось наблюдать за художниками в реальном времени, чтобы моделировать алгоритмы для своих устройств на месте.
Одним из самых первых рисующих роботов был представлен механизм, который разработчики окрестили «генератором карикатур». При его создании были исследованы феномены восприятия, касающиеся индивидуальных особенностей. Эти исследования включали некоторые параметры, касающиеся автоматических и человеко-машинных систем, которые отслеживают ключевые точки лица человека и преобразуют эту информацию для управления процессом цифрового представления. Разработчики внедрили алгоритм для распознавания человеческого лица в компьютерной карикатуре. Они были первыми, кто предложил карикатуру в качестве приложения в интерактивных графических интерфейсах.
Позже, учёные Пирс и Койперс со командой единомышленников провели эксперименты с имитированным роботом в нескольких двумерных средах, проанализировав входной сигнал сенсора моделируемого робота с нормированными значениями сенсора до [-1, +1] с относительно простой сенсомоторной системой только с одним датчиком типа изображения (сонарным массивом). Этот метод проявил себя как надёжный и очень эффективный для исследования, картографирования и навигации роботов в крупномасштабных средах и в дополнение к построению карт в сложной среде. А кроме того, этот подход также обеспечивает идеальный способ управления последствиями сенсорных ошибок. Для достижения этой цели он использовал признанную критиками стратегию разведки.
Южнокорейские предприниматели, работающие в области планирования движений промышленных роботов, создали интегрированную роботизированную систему окраски (IRPS - Integrated Robot Painting System). Эта система учитывала и использовала, при функционировании, геометрию деталей, механику окраски и кинематику робота для автоматического создания эффективных траекторий руки-манипулятора.
Японский учёный Сираиси (Shiraishi) представил метод автоматического рисования роботом-художником изображения с нарисованным от руки изображением из исходного изображения, такого как фотография. Различия между локальными исходными изображениями и цветами штриха берутся, а затем вычисляются с учётом моментов и нюансов изображений с разницей в цвете. Этот метод работает с интенсивностью и цветностью исходного изображения. Плоские области на выходном изображении рисуются крупными штрихами, с которых начинается рисование, а мелкие детали рисуются меньшими штрихами, которыми завершается рисование.
Но самый необычный метод придумали американские разработчики. Они создали двурукого гуманоидного робота по имени ISAC, который наблюдает за художником и физически повторяет действия художника, рисуя своё изображение. Конечно, у робота не получается такое же хорошее произведение, как оригинальное изображение из под кисти художника-человека, но то изображение, которое получается, можно считать приближённым к среднему результату ученика художника, и шедевром среди вещей, написанных роботами.
Ставя свой эксперимент, учёные пошли дальше и записав все алгоритмы создания нескольких картин, предложили другим художникам доработать те произведения, которые реплицировал ISAC. Результат превзошёл все ожидания, так как на основе единых шаблонов, разные художники «дорисовали» вполне достойные картины, очень различающиеся по восприятию. Такой робот-гуманоид, предназначенный для развлечений, существенно отличается от промышленного робота. Такие разработки называют коботами – коллаборативными роботами, и они должны физически взаимодействовать с человеком. Следовательно, это взаимодействие должно быть безопасным, а конструкция кобота должна сводить к минимуму возможность нанесения травмы человеку.
Но никакой робот-гуманоид не принесёт большой пользы, если он запрограммирован на выполнение фиксированного набора относительно простых повторяющихся задач. Любой роботизированный комплекс должен принимать команды от человека для выполнения широкого спектра сложных задач, каждая из которых может быть уникальной в данный момент. Он должен быть не только целенаправленным для выполнения конкретных задач, но и гибким и быстро реагирующим механизмом, чтобы справляться с очень динамичной средой.
Такая реактивная гибкость требует использования сложных датчиков, таких как объёмное машинное зрение, обратная связь учитывающая степень приложения усилий и прикосновение. Восприятие на этом уровне включает в себя гораздо больше, чем сбор сенсорной информации. Оно должно включать понимание сенсорной информации в контексте рассматриваемой проблемы. Таким образом, обслуживающий робот-человек должен уметь «чувствовать» и действовать так же, как человек.
Есть много примеров того, как роботы используются для развлечений. Киноиндустрия использует аниматронику, чтобы воплотить в жизнь фантазии сценаристов, например, в таких фильмах, как «Парк юрского периода». Есть несколько примеров роботов, играющих на музыкальных инструментах, однако роботы-рисовальщики встречаются редко.
Примером такого робота является ARRON - творение доктора Коэна из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Это высокоразвитая чертежно-рисующая машина, способная создавать впечатляющие рисунки. По своей архитектуре этот роботизированный «гений» состоит из 2 частей. Во-первых, программа искусственного интеллекта создаёт рисунок в программном обеспечении (либо она загружается из любого графического редактора). Этот рисунок может быть распечатан или отображён на мониторе. Вторая часть системы - это декартов робот, который непосредственно рисует картинку. Декартов робот - это, по сути, плоттер. Однако взаимодействие между художником и ARRON происходит только на уровне исходного кода. Другим примером робота для рисования является Drawbot, который использует небольшого промышленного робота для рисования заранее запрограммированных фигур, таких как простая звезда. Но такие системы используют больше ради развлечения.
Робот-художник Aaron
Но есть примеры создания и полезных в будущем роботов. Одним из примеров является аппарат, рисующий акриловыми красками на холсте. У этого представителя роботизированного «живописного цеха» есть рука, которая непосредственно рисует, и система управления с алгоритмом машинного обучения для вычисления последовательности мазков кисти, преобразовывая данные из электронного изображения в произведение искусства. Типы кистей и параметры штриха определяются художниками людьми вместе с палитрой только на начальном этапе машинного обучения. Используемый алгоритм помогает в настройке первоначальных параметров и анализирует наложение краски для корректировки цветового баланса. Позже исходное изображение и нарисованное изображение сравниваются самим роботом с помощью внедрённого алгоритма машинного обучения.
Вызывают интерес также работы по созданию системы генерации человеческого портрета, которая позволяет двурукому роботу-гуманоиду автономно рисовать портрет человека, сидящего перед роботом, который получил имя «Pica». Система генерации портрета преобразует изображение лица, снятое камерой с ПЗС-матрицей, установленной на голове Pica, в два линейных сегмента, которые составляют портрет хорошего художественного качества и подходят для рисования роботом-манипулятором за короткий промежуток времени. Выбранное уменьшенное количество точек пикселей на линейных сегментах портрета используется для управления движением руки робота. Затем контрольные точки на портретной плоскости автоматически преобразуются в координаты робота. А пропорционально–интегрально–производный контроллер (ПИД-контроллер или трёхмерный контроллер) управляет серводвигателями рук-манипуляторов робота для рисования портрета в реальном времени.
