חוקרי הטכניון מצאו דרך לנצל את ריצוד קרני השמש לשיחזור המבנה התלת-מימדי של הסביבה התת ימית
ההתעניינות בתחום הראיה הממוחשבת התת-ימית הולכת וגדלה עם התפתחות יישומים ותחומי מחקר שונים. בין תחומים אלו נמנים רובוטיקה תת-ימית, ארכיאולוגיה ימית, ביולוגיה ימית, בחינת כבלי תקשורת וצינורות, אבטחת נמלים ועוד. בנוסף, התפתחות הצילום הדיגיטלי הביאה להתפתחות הצילום התת ימי. מצד שני, עולם הצילום התת ימי טומן בחובו אתגרים רבים כגון ראות ירודה לטווחים מוגבלים, עיוותים גיאומטריים וריצוד התאורה.
אחת התופעות המשפיעות על הצילום התת-ימי הינה שינויים בתאורה הטבעית מתחת למים. קרני האור העוברות דרך פני המים הגליים נשברות ויוצרות תאורה דינאמית. תבניות התאורה הנוצרות כתוצאה מכך נקראות ריצוד תת ימי. תכונות תופעת הריצוד תלויות בפרמטרים רבים כגון עומק המים, מצב פני הים, כיוון השמש, עננות ועוד.
חוקרים מהפקולטה להנדסת חשמל בטכניון ומאוניברסיטת מיאמי מצאו דרך לנצל את תופעת הריצוד מתחת למים לשיחזור המבנה התלת-מימדי של התמונה. תופעת הריצוד נחשבת לתופעה לא רצויה הפוגעת באיכותם של צילומים. הריצוד יוצר שפות ותבניות שאינן קיימות באופן טבעי בתמונה המצולמת ולכן עלול לבלבל אלגוריתמים שונים בתחום הראיה הממוחשבת כגון מציאת שפות, זיהוי עצמים ועוד.
במחקר משנת 2004, הציעו פרופסור יואב שכנר וניר קרפל מהפקולטה להנדסת חשמל בטכניון דרך לצמצום תופעה הריצוד – ע”י עיבוד תמונות הוידאו לאחר הצילום, ניתן ליצור תמונות הנראות כאילו צולמו בתנאי תאורה יציבים ואחידים יותר ולמעשה להסיר את השפעת הריצוד. במחקרם האחרון מראים פרופסור שכנר, יוחאי סבירסקי, בן הרצברג מהטכניון ופרופ’ שחריאר נגדאריפור מאונ’ מיאמי, כי הריצוד עשוי דווקא להועיל.
איך הריצוד יכול להועיל? הריצוד יכול לעזור לפתור את בעיית ההתאמה בצילום סטריאוסקופי. נניח שיש לנו שתי מצלמות וידאו המצלמות על אותה סצנה. אם למשל, נדע לקבוע שאבן מסויימת במצלמה השמאלית היא אותה האבן המצולמת במצלמה הימנית, נוכל לבצע הצלבה ולמצוא את המרחק בין המצלמות לאבן. על ידי התאמת כל העצמים בתמונות השונות, ניתן לשחזר את המבנה התלת-מימדי של הסצנה המצולמת. מערכת של שתי מצלמות המצלמות את אותה תמונה נקראת מערכת סטריאוסקופית. דוגמא טובה למערכת סטריאוסקופית היא מערכת הראיה האנושית. זוג העיניים קולט את הסביבה, והמוח מצליב בין התמונות של שתי העיניים וכך נרכשת את תחושת העומק והמבנה התלת מימדי של העולם הסובב אותנו.
תופעת הריצוד יוצרת חתימה זמנית ייחודית לכל נקודה בסצנה. את החתימה הנ”ל ניתן לזהות ולהתאים בשתי מצלמות או יותר, המצלמות את אותה הסצנה בו-זמנית. ע”י התאמה זו של מספר רב של נקודות בין המצלמות השונות, ניתן לשחזר את המבנה התלת-מימדי של הסצנה המצולמת בצורה מדוייקת וצפופה.
שיטת ההתאמה מתבססת על חישוב הקורלציה הזמנית בין נקודה במצלמה אחת לכל הנקודות המועמדות להתאמה במצלמה השניה. זוג הנקודות בעלות הקורלציה הזמנית המקסימלית נחשבות כנקודות מתאימות אחת לשניה. ניתן לנצל בשיטה זו את המידע הזמני, המרחבי או שילוב כלשהו של שניהם.
בשימוש במידע הזמני או המרחבי קיימת התפשרות בסיסית – מצד אחד, שימוש במידע הזמני יכול להניב תוצאות מדוייקות יותר, אך דורש מספר רב של תמונות על מנת למצוא התאמה טובה. מצד שני – שימוש במידע המרחבי מניב תוצאות פחות מדוייקות, בייחוד במעבר בין עצמים בטווחים שונים בסצנה, אך דורש פחות תמונות. שילוב כלשהו של המידע הזמני והמרחבי יכול לספק תוצאה טובה ומדוייקת במספר קטן יחסית של תמונות.
ללא תופעת הריצוד, בעיית ההתאמה בצילום סטריאוסקופי נחשבת כבעיה מורכבת, בייחוד באיזורים בהם אין טקסטורה, כגון קירות חלקים או קרקעית חולית, בהם אין נקודות ייחוס “להינעל” עליהן. הריצוד מאפשר לפתור את בעית ההתאמה בכלים פשוטים יחסית ובצורה מאוד מדוייקת על ידי שימוש במידע המרחבי והזמני של “שדה האור”. שיטה זו עשוייה להיות שימושית בתחומים רבים בהנדסה ימית, כפי שצויין לעיל.
קיימים מחקרים קודמים השתמשו בתאורה המשתנה בזמן ובמרחב על מנת לפתור את בעיית ההתאמה בסטריאו, אך מחקרים אלו השתמשו בתאורה מלאכותית, סדורה וידועה מראש. לעומתם, במחקר זה נעשה ניצול מקורי של תאורה טבעית ואקראית לפתרון בעיה זו.
השיטה נבדקה והוכחה בניסויים שונים הן בבריכת השחיה והן בים התיכון תחת תנאי ראות ותאורה שונים והוצגה בכנס הבינלאומי לראיה ממוחשבת – ICCV 2009 ביפן. המחקר נתמך ע”י קרן המחקר הדו-לאומית של ישראל וארצות הברית – BSF.
*תמונת הכתבה: יוחאי סבירסקי צולל עם ציוד הצילום הסטריאוסקופי. צילום – דוברות הטכניון
