ראייה ממוחשבת

ראייה ממוחשבת (באנגלית: Computer Vision) היא ענף מרכזי של מדעי המחשב, העוסק בעיבוד אוטומטי של תמונות ווידאו, במטרה לחלץ ולפרש מידע חזותי הטמון בהם. העוסקים בתחום מפתחים כלים מתמטיים וכלי תוכנה לעיבוד מידע חזותי. לדוגמה: חידוד של תמונה לא ממוקדת, חידוד של תמונה שצולמה תוך כדי תנועה מהירה, זיהוי עצמים וזיהוי פנים. 

הקלט החזותי יכול להיות צילומי סטילס, וידאו, צילומים ממצלמות מרובות, או נתונים תלת ממדיים מסורק רפואי.

הקדמה

העיניים האנושיות מתפקדות כמעין מצלמות וידאו צבעוניות ברזולוציה גבוהה ביותר והמידע הרב שנקלט מעובד מנותח במהירות שיא, תוך ניפוי הטפל מהעיקר ופיענוח המושתת על בינה אנושית. אופן פעולתו של מנגנון זה - המאפשר לתינוק בן שנתיים לזהות את אמו, והמאפשר לזהות אדם שלא ראינוהו שנים ארוכות, או את היכולת לקרוא כל כתב יד, כמו גם את היכולת לזהות איום מכל גורם אפשרי, עדיין איננו ברור לחלוטין.

חוקרים של מדעי המוח והראייה הצליחו לפענח באופן חלקי את התהליך של ניתוח הראייה אצל חיות ובני אדם. כאשר תחילת העיבוד ודחיסת המידע מתרחש כבר בשכבות השונות של הרשתית (כמו למשל חידוד הבבואה, הדגשת גבולות האובייקטים (edge) וגילוי תנועה) וחלק אחר במרכזים שונים בקליפה האחורית של המוח, שמספרם הכולל איננו ברור. הבבואה שכבר עברה עיבוד תמונה ודחיסה, יוצאת מהרשתית ברזולוציה של 1.2 מגהפיקסל באמצעות עצב הראייה, עוברת דרך גרעין הברך הצדי (Lateral geniculate nucleus) שבתלמוס, וממשיכה בעיקר אל האזור הראשוני בקליפת המוח הראייתית (V1), ומשם משוכפלת בכל אחד מאזורי ניתוח הראייה פעם נוספת, ועוברת בכל אחד מהם תהליך של ניתוח ייחודי, כך למשל נראה כי התאים באזור המכונה V1 רגישים לאוריינטציה של קווים אנכים ואופקיים וכן לתנועה בכיוון מסוים. באזור שכונה V2 התגלתה רגישות לקווים מדומים, באזור המכונה V4 התגלתה רגישות לצבעים, ואילו באזור MT התגלתה רגישות לתנועה. 

ענף זה מנסה ליצור כלים לוגיים כדי לחקות את הניתוח ועיבוד הנתונים שהמוח האנושי מבצע בעקבות הראייה, אך אף שישנן הצלחות יפות בעניין, נראה כי בהרבה תחומים המחקר עדיין בחיתוליו, וכי ידרשו עוד שנות מחקר רבות עד שיהיה אפשר להבין את מורכבותה של מערכת הראייה האנושית וחיקויה בכלים ממוחשבים. יתרון המיכון בעניין זה הוא ברור: המידע שמצלמות יכולות לקבל, לעבד ולנתח הוא לאין שיעור מדויק וכמותי מאשר העין והמוח האנושי מסוגלים לשאת, אף ברזולוציה יחסית נמוכה. כך למשל תוכנה לזיהוי טביעות אצבעות יכולה לסרוק בזמן קצר יחסית מאגר של מיליוני טביעות אצבעות כדי למצוא התאמה, סריקה שבבדיקה אנושית ידנית הייתה מבצע בלתי אפשרי. 

הדרך העיקרית בניתוח התמונה נעשית בפירוק התמונה לאבני הבסיס שמרכיבות אותה. נקודות אלו נקראות פיקסלים. כך נעשה ניסיון להגדיר ולזהות דפוסים ותבניות של קבוצות פיקסלים ושינויים של צבעי הפיקסלים המתרחשים במעבר מתמונה לתמונה. כך למשל בגילוי תנועה מנסים לזהות שינויים בקבוצות פיקסלים מתמונה לתמונה ואף לנסות לאגד קבוצות פיקסלים קרובות לידי אובייקט אחד.

נושאים בראייה ממוחשבת

מדידת הסביבה
 הדמיית תלת־ממד. הפקת תמונה תלת־ממדית ממצלמה או מזוג מצלמות. ישנן מספר דרכים שניתן ליישם זאת. הראשונה באמצעות צילום סטריאוסקופי, שבו זוג מצלמות מצלמות את אותו אזור מזווית קצת שונה, וניתוח ההבדלים על מנת להפיק את ממד העומק בדומה לתהליך שעושות העיניים. דרך שנייה ניתוח האור וההצללה של אובייקטים ובאמצעותם חישובי עומק של העצמים. דרך שלישית היא באמצעות חישובי התנועה של העצמים. דרך רביעית היא יצירת מפת עומק באמצעות הקרנת אור אינפרא אדום וקליטתו באמצעות חיישן מיוחד, שמבצע את חישוב העומק.
 מדידת עצמים. מערכות היכולות למדוד את צורתם, מיקומם וצבעיהם של עצמים. חישוב של פרספקטיבה והערכת מרחק של עצמים מהמצלמה. למשל מערכות רובוטיות הבונות מכונית, שצריכות לאתר אזורים מסוימים כדי לבצע בהן פעילות מסוימת. או מערכות רמזור המודדות את מהירותם של מכוניות המגיעות לרמזור.
 ניווט אוטומטי. בתחום זה מנסים להקנות לרובוט או המכונית, אפשרות לפענח את השטח ולנוע בו באופן חופשי, באופן שלא יתקל בעצמים או במכשולים.

ניתוח תנועה
 גילוי וזיהוי תנועה - (VMD). מערכת המגלה תנועת עצם כפי שהוגדרה לה. בתחום זה יש לסנן רעשים, שינויי תאורה, ותנועות של עצמים לא רצויים, כדי לאבחן תנועה של העצמים המבוקשים. תחום זה הוא אחד הפופולריים בראייה הממוחשבת, וקיימות היום בעולם מספר רב של מערכות באיכויות מגוונות: ממערכות חובבניות ופשוטות המיועדות לתחום הביתי ועד מערכות מאוד מורכבות ומקצועיות המיועדות בעיקר לתחומים ביטחוניים וצבאיים.
 עקיבת וידאו - (Video tracking). מערכת המאפשרת עקיבת המצלמה אחרי האובייקט. בתחום זה יש להניע את המצלמה בעקבות האובייקט, וצריך לוודא שהעיקוב מתבצע אחרי האובייקט שנבחר, כך שכאשר שהוא עובר מאחורי עצמים אחרים, או כאשר הוא נפגש בעצמים אחרים התכנה עדיין מתבייתת עליו, ולא טועה לעבור לאובייקט אחר.
 בקרת תנועות חריגות - מערכת הלומדת תנועות שגרתיות של עצמים במרחב מסוים ומסוגלת לדווח כאשר התנועות של העצמים במרחב חריגות ויוצאות דופן. למשל בקרת תנועה חריגה של אנשים ורכבים בצומת, או כאשר רכבם יורדים מהכביש, בניגוד לתנועה השגרתית שבה כלי רכב נעים על הכביש.

זיהוי והכרה
הבעיה הקלאסית של ראייה ממוחשבת, היא לקבוע אם התמונה מכילה עצם או תכונה מסוימת, או פעילות. משימה זו שבדרך כלל יכול להיפתר ללא מאמץ בידי אדם, עדיין לא נפתרה באופן משביע רצון במקרים כלליים. בשיטות הקיימות להתמודדות עם בעיה זו ניתן לפתור אותה, במקרה הטוב, רק עבור אובייקטים ספציפיים, כגון אובייקטים בעלי גאומטריה פשוטה (למשל פּוֹלִיהֶדְרוֹן), פרצופים אנושיים, כתב יד מודפס, דמויות או כלי רכב, ובמצבים מסוימים, כמו תנאי תאורה המוגדרים היטב, רקע מסוים, ועמדה של האובייקט ביחס למצלמה.

 סיווג עצמים (Object classification). הבנת סיווגו של עצם מסוים. לאחר שהמערכת מזהה שעצם מסוים הוא אובייקט שלם, היא יודעת להגדיר את טבעו, בהשוואה לתבניות מוכנות מראש, או באמצעות השוואה לווקטור מאפיינים של תבניות קיימות. בדרך כלל מדובר במספר טיפוסי עצמים קטן, המוגדר מראש בתחום מסוים.
 סיווג אירועים והתנהגות.(Event  classification).  הבנת פעילותם והתנהגותם של עצמים במרחב מסוים. כך למשל נעשה ניסיון להבין באמצעי ממוחשב כאשר מתרחשת אינטראקציה אלימה בין בני אדם, או כאשר מתרחשת פעילות פלילית.
 ניתוח בולטות וחשיבות של אובייקטים בתמונה או בווידאו. נעשה בין היתר באמצעות איתור דפוסים ייחודיים בתמונה. 

  זיהוי אותות וסימנים 
 פענוח כתב אופטי - OCR. "הבנת" הכתב האופטי והמרתו לכתב מוקלד. תהליך שהאדם עושה בעיניו ומוחו. ההפך מהדפסה. דרך פשוטה היא באמצעות התאמה מבנית, שבה נעשית השוואה בין האות לבין דוגמאות של אותיות הנמצאות במאגר. מוגבלותה של שיטה זו בכך שהיא מוגבלת רק לצורות הקיימות במאגר. דרך שנייה היא באמצעות תיאור מבני שבה כל אות מתוארת באמצעות הקווים המרכיבים אותה והיחסים שביניהן. שיטה זו שמורכבת ליישום מקודמתה, היא גם כוללנית, גמישה ומוצלחת יותר.
 זיהוי אוטומטי של לוחיות רכב - (Automatic Number Plate Recognition) - תת-תחום ב-OCR. 
 פענוח ברקוד - פענוח של קווים וצורות מסוימות למספרים ותווים. בפענוח תווי ברקוד בשיטות שונות. 

 זיהוי תוואי שטח וקריאת מפות. דומה ל-OCR רק שהקריאה כאן היא של תמונת שטח והבנת הטופוגרפיה שלה.

 זיהוי ביומטרי חזותי. בדיקת התאמה בין בבואה חזותית של אובייקט פיזי לבין תמונות במאגר כמו פנים, רשתית, וטביעות אצבעות. בתחום של זיהוי פנים (Face recognition), צורת הפנים, גודל מרכיבי הפנים והיחס ביניהם ממוצים לנתונים שנשמרים במאגר (ווקטור שינויים), למשל המרחק בין העיניים, המרחק בין האוזניים, גודל הפה יחסית לפנים ומרחקו מהאף וכדומה, וכאשר מקבלים פנים חדשות שצריך לאתר הופכים אותם לווקטור שינויים ומחפשים התאמה במאגר. כמובן שהאלגוריתם הרבה יותר מורכב, מכיוון שהוא צריך לזהות פנים מכל מיני זוויות, ויכולים להיות שינויים בהם כמו חבישת כובע, משקפיים או גידול שפם.
 זיהוי פתולוגיות בתחום הרפואי.

 מסיכה דינמית. חסימה של אותות וידאו מסוימים.

יישומי ראייה ממוחשבת
 שימושים אזרחיים ומסחריים:
 יישומי ראייה ממוחשבת לקריאה:
 מיון דואר ממוחשב על פי קריאת המיקוד (והכתובת) מהמעטפות
 הקראה ממוחשבת של ספר לאוזניות של עיוור או דיסלקט. לפעולה כזו יש שני שלבים 1. פענוח תמונת הדף לתמליל כתוב 2. תמליל כתוב לתמליל מוקרא. (ראו גם טכנולוגיה מסייעת).
 זיהוי מכוניות באמצעות קריאת לוחיות הרישוי בכניסה לכביש אגרה או בכניסה למגרש חניה.
 פענוח כתב מתוך תמונה וזיהוי כתב של כתב יד במחשבי כף יד תוך כדי כתיבה.
 יישומי ראייה ממוחשבת שלא לקריאה:
 תנועה עצמאית של רובוטים לשאיבת אבק או גינון.
 נהיגה אוטומטית של מכוניות: (בקרת שיוט: שמירת מרחק, בלימת חירום, זיהוי תוואי דרך, ניבוי והתכוננות לתאונה צפויה).
 אזעקה ויזואלית שנעשית לפי זיהוי תמונה מסוימת או תנועה והגבה כלפיה.
 הדמיית תלת־ממד של שרטוטים טכניים של תוכנות שרטוט.
 מיון וספירת דגי נוי.
 ניטור התנהגות של בעלי חיים (למשל בדיקת השפעת תרופות על הפעלתנות של חיות מעבדה).
 בדיקת איכות חזותית לאיתור פגמים במוצרי יצור.
 אומדן מספר אנשים במקומות ציבוריים וספירת מכוניות בקטע כביש.
 הנחיית עיוורים באמצעות מצלמה שתתאר את השטח באופן קולי, תבחין ברוחב של הדרך ותודיע האם הצבע התחלף ברמזור. שימוש זה עדיין נדיר (ראו גם טכנולוגיה מסייעת).
 מיתוג אוטומטי בין מצלמות שידור למשל במשחקי ספורט. 
 אינדיקציה ביציאה ובחזרה מפרסומות בטלוויזיה.
 התרעה וצנזור של תמונות פורנוגרפיות בסרטים ובאינטרנט.
 שתילת פרסומות במשחקי כדורגל וכדורסל.
 ליטוש יהלומים מדויק, באופן שיחסוך מחומר הגלם של היהלום.
 מערכת בקרה מרומזרת, המפעילה את הרמזורים לפי מספר המכוניות הממתינות בתור.
 סיווג איכות של נתחי בשר בקר.
 תוכנות מחשב שמפענחות מחוות משתמש ומחליפות שימוש בעכבר בתנועות יד, ראש או עין. סידור כזה מאפשר שימוש במחשב עבור נכי תנועה קשים מאוד שאינם יכולים לתפעל עכבר בשום דרך אחרת (ראו גם טכנולוגיה מסייעת).
 תוכנה לזיהוי הבעות פנים ורגשות
 למידה מצב המדפים בחנויות (דוגמת יישום של חברת Trax)
 שימושים בידוריים:
 תוכנות מחשב שמפענחות ועוקבות אחר תנועות המשתמש, כגון 'PlayStation Eye Toy' - מצלמה שמתחברת לקונסולת המשחקים פלייסטיישן
 קיימים מספר משחקים שניתן לשחק בהם בשילוב עם תנועה שמפוענחת על ידי המצלמה. כמו כן, ישנם מספר פיתוחים חופשיים של טכנולוגיה דומה למחשב האישי.
 שימושים משטרתיים:
 איתור מכוניות מבוקשות, על פי לוחיות הרישוי.
 זיהוי אנשים לפי פניהם במאגרים.
 זיהוי והתאמה של טביעות אצבעות לאלו שנמצאות במאגר ממוחשב. 
 התראות על פעילות חריגה כמו התקהלות, פעילות אלימה או עבירות תנועה מסוימות. 
 שימושים צבאיים וביטחוניים:
 תצפיות על תאי שטח גדולים.
 הדמיית תמונת תלת־ממד ממפות ומתצלומי אוויר ויצירת פנורמות מתצלומים או מסרט וידאו.
 אבטחת מתקנים והתרעה על פריצה לאזורים מסווגים.
 מידור אזורים בעזרת ביומטריה מבוססת זיהוי אובייקטים של קריאת רשתית העין למשל.
 פיתוח אמצעי לחימה משולבי אוטומציה, כמו ניווט אוטומטי של טילים או כלי תעופה אחרים וכמו צידוד אוטומטי של טנקים לעבר מטרות ניידות.
 זיהוי סיכונים באופן חזותי.
 שימושים רפואיים:
 פענוח וניתוח מצבים פתלוגים לפי צילומי רנטגן והדמיות CT ,MRI ואולטרה סאונד. במיוחד בתחומים כמו איתור וסימון גידולים, בעיות אצל עוברים, בדיקת צפיפות עצם, שברי הליכה ודומיהם.

אתגרים בתחום
 ראייה תלת־ממדית ופרספקטיבה. והיכולת להבחין בין עצמים קרובים לרחוקים, והיכולת לאמוד מרחק של עצמים.
 זיהוי וסיווג עצמים. היכולת להגדיר ולאבחן עצמים נייחים, והיכולת לסווג עצמים, כך שהתוכנה תדע למשל להבדיל בין אדם לחיה, ובין מכונית לאופנוע, ואף בין דגמים שונים של כלי רכב, או שתוכנה תוכל לקטלג את כל העצמים הנמצאים באתר מסוים. 
 קביעת גבולות של אובייקט. 
 התגברות על זיופים. היכולת להבדיל בין פנים של אדם לתמונה המושמת לפני המצלמה. יכולה להיות מושגת באמצעות חיישן עומק אופטי. 
 פענוח כתב יד. תחום שעדיין אתגרי, בשל השוני הרב בין צורות האותיות של כתב היד, ובמיוחד בשפה העברית.
 הגדרת יופי באופן ממוחשב. על פי הכלל הסימטרי של יחס הזהב, שעצמים יפים הם עצמים שמתקיים בינם לבין עצמם בהבטים שונים היחס הגאומטרי של 1.618
 יצירת ממשקים חדשים עם המחשב, שיתבססו על ראייה ממוחשבת בנוסף לאמצעי הקלט המוכרים, למשל מיקום סמן העכבר בהתבסס על תנועת העיניים.
 מציאת התאמה בין תמונות דומות.

תחומים קרובים
 זיהוי ביומטרי
 זיהוי קול
 רובוטיקה
 עיבוד תמונה
 אחזור מידע מבוסס ניתוח תוכן של תמונות, Content based Information Retrieval, CBIR, דף בוויקיפדיה באנגלית.

ראו גם 
 אקסטרפולציה
 אינטרפולציה
 סגמנטציה
 פיקסל
 קצב רענון
 OpenCV
 מודל bag of words בראייה ממוחשבת

קישורים חיצוניים

 
 

 שמעון אולמן, ראיה טבעית וראיה ממוחשבת, אתר סנונית
  אבי בליזובסקי, משחמט ממוחשב לסיווג תנועות במצלמות אבטחה, אתר הידען
 מדענים יפניים פיתחו "עין אלקטרונית" לעיוורים, Measurment Science and Technology
 ספריה של קוד פתוח לאלגוריתמים לראייה ממוחשבת, אתר OpenCvLibrary
 
 

אלגוריתמים
גאומטריה חישובית
בינה מלאכותית
ראייה
מדעי המחשב
מונחים בתוכנה