A gépi látás többféle technológiát felhasználva a beérkező képek feldolgozásával szolgáltat hasznos adatokat számunkra.

Ezt elsősorban a munkadarabok vizsgálatára, illetve a robotok irányítására használják, ezért a rendszernek és a folyamatnak kellően megbízhatónak kell lennie az ipari automatizáláshoz.

De nézzük meg részleteiben, hogy milyen lépések történnek egy általános gépi látás feldolgozási folyamat során!

Az alábbi példában van egy fixen szerelt kameránk, amellyel egy síkbeli munkaterületet figyelünk, és egy adott tárgyat kell megfognunk a robottal.

Ekkor a ciklus főbb lépései a következők lesznek:

1. Fénykép elkészítése
2. A tárgy megkeresése
3. A tárgy pozíciójának és orientációjának meghatározása
4. A pozíció konvertálása a kamera koordinátarendszeréből a robot koordinátarendszerébe
5. Információ küldés a robotnak
6. A kapott információ alapján a robot a megfelelő orientációval fel tudja venni az adott pozícióból a tárgyat.

Hosszúnak tűnhet az első 5 lépés, viszont ez a szakasz valójában a másodperc tört része alatt játszódik le.
A kép alapvetően lehet színes vagy szürkeárnyalatos, illetve akár 3 dimenziós is (ilyenkor az ár, a feldolgozási sebesség és a felbontás tekintetében lehet szükség kompromisszumokra).

A tárgy megkeresése azon alapul, hogy valamilyen módon meg tudjuk különböztetni a környezettől (háttér és egyéb tárgyak):

• Ez lehet sablon alapú egyeztetés, ilyenkor egy vagy több fénykép alapján előzetesen megtanított képrészleteket vagy alakzatokat, kontúrokat keres a rendszer.
• A világosság alapú küszöbözés a szürkeárnyalatos képeknél jellemző. Ez akkor alkalmazható jól, amikor a hátterünk és a tárgyunk közt megfelelő mértékű kontraszt van, például egy sötét tárgy, világos háttér előtt.
• Szín alapú megkülönböztetésnél a színtérben egy toleranciát adhatunk meg, az ezen belüli pixeleket úgy tekintjük, hogy a tárgyhoz tartoznak.

Egy sablon alapú képrészlet kereső szoftver eszköz általában már szolgáltatja a koordinátákat és a szöget, ezt transzformálni kell a robot koordináta-rendszerébe (ehhez először kalibrálni kell a rendszert), majd elküldeni a robotnak, ami ezután fel tudja venni és mozgatni tudja a tárgyat.

Forrás: techbriefs.com

A robotok megalkotását általában az emberi, illetve állati megjelenések inspirálják. A következő határt viszont már a “plantoid-ok” jelentik, azaz növényrobotok, amelyek intelligens érzékelőkkel mozognak és felfedezik a környezetet. A technológia kifejlesztése az olasz Barbara Mazzolai nevéhez köthető.

A toszkán régió szőlője inspirálta Pontedera városának kutatóit, hogy kifejlesszék az első olyan “lágy robotot”, amely utánozza az indák viselkedését. Ez a mesterséges eszköz, amely sima műanyag PET-ből készül, tud hajlani és felemelkedhet, hogy támogassa a pozícióját, pont úgy, ahogy egy valódi szőlő indája is teszi.

Ez a második növényrobot, amelyet az Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) Mikro-BioRobotikai Központjának nemzetközi kutatócsoportja hozott létre, Barbara Mazzolai, egy Ph.D. biológus vezetésével.

Az első plantiod kifejlesztésére még 2015-ben került sor. Ez az eszköz érzékeny levelekkel és okos gyökerekkel rendelkezik, amelyek segítenek neki abban, hogy a természetben fellelhető növényekhez hasonlóan képes legyen olyan tevékenységekre, mint tápanyagok beszerzése és a veszélyek elkerülése.

A növényi gyökerek végei olyan fényérzékelőket tartalmaznak, amelyek nyomon követik a fényt, a páratartalmat, a hőmérsékletet és a táplálkozást. Ahhoz, hogy a talajban mozogjanak, növekedniük kell, és a sejteket hozzá kell adniuk a szerkezetükhöz. A növekedés reprodukálásához a plantoid 3D nyomtatót használ.

https://www.youtube.com/watch?v=G5h4Cmk-6n8

Mazzolai szerint: “Ez a robotika forradalma, mert a robot képes létrehozni a saját testét, és az új technológiákkal egy másik érdeklődési inger felé mozoghat. Tehát rétegenként a robot megépíti a testét.”

A talaj környezeti monitorozásán kívül ez a robot rugalmasan implementálható lesz új területeken is, köszönhetően annak képességének, hogy tud alkalmazkodni új külső körülményekhez.

A mai mezőgazdaság egyik legnagyobb problémája – és ezzel együtt a termelés egyik legnagyobb költsége is – a növényvédelem. Legyen szó búzáról vagy paradicsomról, kártevők egész hada veszélyezteti a termést… kezdve a gombás és bakteriális betegségektől a kártevő rovarokon át egészen az haszonnövények között felbukkanó gyomokig.

Aki nem mezőgazdasággal foglalkozik talán nem is tudja, mennyi permetszert kell használni akár egy egyszerűnek tűnő búza termeléséhez. Kezdjük a sort a preemergens gyomirtóval, amivel a földet leszórják még vetés előtt. A vetés után aztán sorra jönnek a különböző gombás megbetegedések, gyomok és rovarok elleni védekezést szolgáló szerek. Így lehet hogy még a búza is 5-6 permetezést él meg, amíg eljutunk a betakarításig.

Ezek a szerek egyrészt a a fogyasztók (tehát a Mi) egészségünk szempontjából is aggályosak, másrészt ezek a szerek bekerülnek a vizeinkbe is. Ráadásul az egyik legnagyobb költség a hagyományos mezőgazdaságban ezeknek a vegyszereknek a megvásárlása.

Milyen alternatív megoldások léteznek? Az ökológiai termesztéssel most nem is kezdenék el foglalkozni, mert az egy teljesen külön kérdéskör. Fókuszáljunk inkább azokra a már létező, vagy fejlesztés alatt álló megoldásokra amelyeket a hagyományos nagy szántóföldi termesztésbe is lehet integrálni a mai termelési eljárások mellett.

Az egyik érdekes megoldást az alábbi videóban láthatjuk. Itt a traktor után kapcsolt egység egy integrált kamera rendszerből és egy precíziós fúvóka sorból áll. A kamerák felismerik a haszonnövények között a gyomokat, a kártevőket és betegségeket is képes azonosítani a leveleken és ennek megfelelően juttatják ki azt a szert ami éppen kell. Így egyszerre több problémát is lehet orvosolni amellett hogy a kijuttatott permetszer mennyisége 90%-al csökken.

https://www.youtube.com/watch?time_continue=43&v=-YCa8RntsRE

Egy másik, hasonló megoldás a sorművelésre nyújt precíziós mechanikus megoldást. A kamerák itt szervó meghajtású kapákat vezérelnek amelyek képesek kikerülni a haszon növényeket, így csak a gyomokat vágják ki.

https://www.youtube.com/watch?v=912XK-U_6ZE&t=98s

Míg az előbbi megoldás egyelőre kísérleti fázisban van, az utóbbi már elérhető jelenleg is. Persze az ára még meglehetősen borsos, de ha beleszámoljuk, hogy mennyi lesz a megtakarításunk a növényvédő szerek elhagyásán, akkor már kicsit jobb befektetésnek tűnhet.

A mezőgazdaságban még csak most kezdenek igazán elindulni ezek a fejlesztések, így a következő néhány év nagyon érdekes lesz. Az egyre újabb és hatékonyabb megoldások remélhetőleg ugyanakkora fejlődést hoznak majd ebben az ágazatban, mint a traktor maga.

A népesség növekedésével az élelmiszer iránti igény is növekszik. Ez az igény azonban a hagyományos mezőgazdasági termesztéssel nem  lesz kielégíthető, még hatalmas területek művelés alá vonásával sem. Megoldást jelenthet erre a függőleges gazdálkodás. Ez a fajta növénytermesztés az elmúlt években egyre jobban terjedni kezdett. Ennél az eljárásnál tápanyaggal dúsított vízben úsztatják a növényeket vagy ebből a vízből előállított köddel permetezik a gyökereiket, így nincs szükség földre. A talajtól való függés megszűnésével több rétegben is elhelyezhetővé válnak a növények. Ezáltal akár háromszázszor több termés is nőhet ugyanakkora alapterületen a hagyományos gazdálkodáshoz képest, 70-90%-kal kevesebb víz felhasználásával. Ezáltal nincs szükség újabb és újabb területek művelés alá vonására.

Az olcsó LED technológiának köszönhetően az adott növény igényei szerint lehet megfelelő spektrumú fényt biztosítani. 

Mivel mesterséges világítást használnak és kisebb a helyigény, ezért egy ilyen farm akár a nagyvárosok épületeiben vagy azok oldalán is elhelyezhető, így a szállítási idők és költségek is minimálisra csökkenhetnek. Több cég is dolgozik már függőleges termesztéssel. Az egyik London régi légoltalmi pincéit használja erre a célra, egy másik ilyen példát New Jerseyben találunk, ahol egy raktárban építettek ki ilyen megoldást. 10-11 méter magasságig pakoltak egymásra növényeket a számukra legmegfelelőbb kontrollált környezetben. A folyamat könnyű automatizálhatósága miatt pedig kézi munkaerőre alig van szükség.

Sok tanulmány készült már a mezőgazdaság jövőjével kapcsolatban, hogy miként növekszik az igény a több, és változatosabb élelemre a népesség növekedésével.

Becslések szerint 40 éven belül 70 százalékkal kell a jelenleginél több élelmiszert termelni, előállítani. Ez hatalmas növekedés! Ami biztosan állítható, hogy a jelenlegi technológiákkal nem leszünk képesek ekkora növekedésre. A mezőgazdaságban használt gépek fejlődésével, a különböző vegyszerek használatával növelni lehetett a termés mennyiségét. A gépek egyre nagyobbak és nagyobbak lettek, hogy a kezelő személyt hatékonyabbá tegyék. De ezzel egy időben a hatalmas gépeknek káros hatása is van: a talajnyomás. Azokon a részeken, ahol ezek a traktorok, kombájnok közlekednek, a talaj túlságosan összetömörödik, lehetetlenné téve a növények számára a növekedést.

A kérdés, hogy működhet-e a gép a vezető nélkül? A technológiai fejlődés lehetővé tette, hogy önvezető autóink és drónjaink legyenek. Miért ne lehetne egy mezőgazdasági gép is önálló? Ha már nincs szükség a sofőrre, akár lehet kisebb is a berendezés. Egy hatalmas és drága gép helyett többi kicsi is elvégezheti ugyanazt a feladatot. Dolgozhatnak ugyanazon a feladaton párhuzamosan, vagy akár végezhetnek különböző munkákat, legyen nappal vagy éjszaka. Mivel ezek a gépek kicsik, stabilak, sokkal kisebb terhelést jelentenek a talajra. A méretük hozzájárul, hogy kamerás rendszerrel kombinálva szelektíven csak a gyomnövényt célozva lehessen permetezni, közvetlen közelről (nem pedig magasra helyezett nagy és instabil szerkezetről) ezzel a permetszer felhasználást jelentősen csökkentve. A folyamatos és nagy mennyiségű permetezésnek köszönhetően a gyomnövények egyre ellenállóbbak lettek. A kamerával a robot felismerheti,  hogy milyen növényről van szó. Ha a vizsgált növényről tudjuk, hogy ellenáll egy adott típusú gyomirtónak, akkor egy másik, a növényre hatásos vegyszerrel tudunk permetezni, lokálisan. Mechanikusan is eltávolíthatja, vagy akár mikrohullámmal. Ezeknek az előnyei hogy nagyon olcsó, és hatékony megoldások, és a robotnak nem kell mennie sehova, hogy újra töltse a gyomirtó tartályt.

Néhány érzékelővel ellátva, a robotok munka közben folyamatosan tudják gyűjteni ezeket az adatokat, és javaslatokat tenni a gazdának a lehetséges teendőkről, ezzel tovább könnyítve a munkáját.

Aki a mezőgazdaságra gondol, annak nem biztos, hogy hogy elsőre az informatika hálózatok, az adatelemzés és automata, valamint robot rendszerek jutnak eszébe. Pedig hisszük vagy sem ezeknek nagyon is sok köze van ahhoz, hogyan fogjuk a jövőben megtermelni mindazt, amit megeszünk.

De miért is van minderre szükség? Miért nem elég továbbra is úgy művelni a földet, ahogy azt eddig is tettük? Erre többféle választ is adhatunk:

• Először is a föld népessége folyamatosan nő és emellett a populáció egyre többet szeretne fogyasztani, így 2050-re a legtöbb előrejelzés szerint 70%-kal kellene növelni mezőgazdasági termelést. Persze ezt csupán új területek bevonásával nem lehet elérni, így a mezőgazdaságban is elsődleges kérdéssé vált a hatékonyságnövelés.
• A ma alkalmazott nagy szántóföldi monokultúrás művelés már elérte a termelékenységének határát. Míg a múltban elég volt több műtrágyát, rovarirtót és növényvédő szert használni a termelés növeléséhez, addig ma már inkább ezeknek az erőforrásoknak a leghatékonyabb felhasználása lenne a cél.
• A talaj túlművelése, növényvédő szerek és műtrágyák túlzott használata mára veszélybe sodorta a művelés fenntarthatóságát bizonyos helyeken. Ráadásul a különböző vegyszerek a hasznos rovarok mellett ránk is veszélyt jelentenek.

Az okos mezőgazdaság (smart farming) célja tulajdonképpen az, hogy egyesítse a már ma is elérhető technológiákat és a különböző forrásokból nyert adatok felhasználásával segítsen optimalizálni a folyamatokat a művelésben. A műholdképek, drónos felvételek sőt, a ma már intelligens traktorok adatait összevetve segít megkeresni azokat a területeket, ahol mondjuk csökkenthetjük a műtrágya mennyiségét, segít megmondani mikor és milyen növényvédő szert alkalmazzunk, vagy mondjuk milyen terményeket vessünk.

Sok gazdának még idegen lehet az ötlet, hogy majd egy számítógép mondja meg hogyan gazdálkodjon. Viszont, ha megismerik a technika nyújtotta lehetőségeket és megtanulják használni ezeket, akkor nagymértékben könnyebb lehet a munkájuk. Gondoljunk csak a ma már önmagát vezető traktorra és kombájnra amely éppen csak felügyeletet igényel munka közben, de nem kell hosszú órákon át összpontosítani a műveletre.

Magyarország még gyerekcipőben jár a korszerű technológiák mezőgazdaságban való használatában. Pont ezért nálunk még nagyobb a potenciál ebben, mivel a hatékonyságnövelés nem csak 5-10%-ot, hanem akár 20-30%-os növekedést is jelenthet.

Hogyan is néz az okos mezőgazdaság folyamata:

• A korszerű analitikai módszerek segítenek képet alkotni a földek, növények és állatok aktuális állapotáról. (például: műholdak és drónok által készített felvételekről meg lehet állapítani a növények klorofill tartalmát így azt hogy mennyire egészséges az állomány esetleg hol támadta meg valamilyen kórokozó, kártevő)
• A begyűjtött adatok elemzésével a művelés egyes paramétereinek hatását lehet mérni, ezek között eddig nem ismert összefüggéseket keresni. A kapott eredmények segítenek a jövőben optimalizálni ezeket a paramétereket (például: a terméshozam, és a növények állapota és talaj tápanyagtartalma alapján pontosabban lehet beállítani mennyi műtrágyára van szükség egy adott területen egy adott növénynél. Így spórolhatunk a műtrágya költségen és maximalizálhatjuk a kihozatalt.)
• Az adatok gyűjtése és elemzése később abban is segíthet hogy már előre meg tudjuk jósolni min kell változtatnunk hogy a termelés optimálisan működjön. Olyan összefüggésekre is fény derülhet amire mi talán soha nem is gondoltunk. Ezek a jövőben már a megelőzésben is használhatóak lesznek, így még tovább tudjuk növelni a gazdaság hatékonyságát.

Természetesen ez még csak a felszín, hisz a jövőben az analitika és döntéshozatal segítése mellett egyre nagyobb teret kapnak majd a már teljesen automatikus berendezések, robotok. Így még az is elképzelhető hogy a jövő generáció földművese egy kényelmes légkondicionált irodából fogja végezni a munkát. Gondolhatnánk hogy ez még csak tudományos-fantasztikum, de a különböző önműködő adatgyűjtő és permetező drón mellet már a szüretelő és gyomirtó robotgépek is készülnek. Ezekről bővebben további a bejegyzésekben olvashat.