رؤية الليل في ضوء جديد

قام الباحثون في التخنيون وجامعة تورنتو بتطوير تكنولوجيا لتوليد المعرفة حول البيئة - من مستوى المكتب إلى المدينة بأكملها - بناءً على وميض المصابيح الكهربائية

الإضاءة الاصطناعية تملأ حياتنا في المنزل، في المكتب، على الطريق وفي أماكن أخرى. يتم إنتاج هذه الإضاءة من خلال مجموعة متنوعة من المصابيح الموجودة في أضواء الشوارع والمكاتب والأضواء الكاشفة والمصابيح الأمامية للسيارات واللوحات الإعلانية وشاشات الكمبيوتر. تومض جميع المصابيح المتصلة بالتيار الكهربائي بشكل مستمر، ولكن بسبب سرعة الوميض العالية لا نشعر بهذا الوميض.

لقد أصبح من الواضح الآن أن وميض الإضاءة الاصطناعية قد يوفر معلومات مفيدة واسعة النطاق. وفي دراسة ستعرض هذا الأسبوع في المؤتمر IEEE CVPR وسيقدم باحثون من التخنيون وجامعة تورنتو، المقرر عقده في هاواي، طريقة جديدة لاستخراج معلومات حول البيئة من أنماط الارتعاش في الساحات المضاءة صناعيًا. يجمع هذا النهج بين مجالات البحث المختلفة بما في ذلك البصريات ورؤية الكمبيوتر ومعالجة الصور وهندسة الشبكات الكهربائية.

الباحثون المشاركون في الدراسة هم طالب الدكتوراه مارك شينين والبروفيسور يوآف شيشنر من كلية فيتربي للهندسة الكهربائية في التخنيون وزميلهم البروفيسور كيروس كوتولاكوس من جامعة تورنتو. وقد قام الثلاثة بتطوير نظام ينتج المعلومات المذكورة أعلاه من تسجيل فيديو سلبي، أي بدون إضاءة إضافية، للمشهد المطلوب: مكتب، وممر، وشارع، وحتى مدينة بأكملها، ومن تحليل المعلومات التي تم الحصول عليها من الصورة، يستنتج النظام، على سبيل المثال، كيفية ذلك كان يكون المشهد مرئيًا إذا قمنا بإطفاء بعض المصابيح أو زيادتها أو استبدال بعضها بأنواع أخرى من المصابيح. كما يتيح هذا النظام أيضًا إزالة الانعكاسات التي عادت من النوافذ أثناء المعالجة الرقمية للصورة النظر فيها لإزالة الظل الذي تخلقه الإضاءة الاصطناعية على وجوهنا (السيلفي)؛ وتحليل شبكة الإضاءة الحضرية وأنواع المصابيح الكهربائية المستخدمة فيها، كل هذا من خلال تسجيل الفيديو السلبي.

وقال البروفيسور شرينيفاس ناراسيمهان من كلية علوم الكمبيوتر بجامعة كارنيجي ميلون، والذي لم يشارك في البحث، إن البحث يوضح "بحثًا مبتكرًا للغاية يستخرج معلومات مهمة من ظاهرة بصرية لا نلاحظها عادةً. وقد أدى هذا التطور إلى تطبيقات محتملة كبيرة بما في ذلك رصد التلوث الضوئي، ومراقبة تلوث الهواء ليلا، وصور المناطق التي لا تقع في مجال رؤية المشاهد ومراقبة استهلاك الكهرباء وتقلبات التيار الكهربائي.

سبب وميض الضوء الاصطناعي هو أن الشبكات الكهربائية تعمل بالتيار المتردد (AC)، حيث يعكس تدفق الإلكترونات اتجاهه باستمرار بطريقة دورية. ففي إسرائيل مثلا التردد في شبكة الكهرباء هو 50 هرتز، وهذا يعني أن تيار الإلكترون يغير اتجاهه 100 مرة في الثانية وهذا هو المعدل الذي يومض به المصباح الكهربائي. يعتمد نمط الوميض على نوع المصباح - الفلورسنت، أو الزئبق، أو الهالوجين، أو LED، وما إلى ذلك - حيث أن كل مصباح يحول الطاقة الكهربائية إلى ضوء في عملية مختلفة. كل نوع من المصابيح له توقيع زمني فريد. وهو التوقيع الزمني الذي يتيح للباحثين، باستخدام النظام والخوارزمية المخصصة التي طوروها لهذا الغرض، التعرف على نوع اللمبة.

بالنسبة للمصورين، يعد تصوير الوميض تحديًا ينطوي على تناقض: فمن ناحية، لاكتشاف ديناميكيات الوميض، يلزم التعرض لفترة قصيرة جدًا. من ناحية أخرى، يتطلب التصوير ليلاً تعريضًا ضوئيًا طويلًا لجمع ما يكفي من الضوء لإنشاء صورة. ولحل هذا التناقض، طور الباحثون كاميرا كهروضوئية فريدة تسمى ACam قادرة على "استشعار" وميض التيار المتردد. تستفيد الكاميرا، المتصلة بالتيار الكهربائي، من دورات الارتعاش لالتقاط الإشارات السريعة من الساحة. يكون الغالق الإلكتروني للكاميرا مفتوحًا طوال وقت الصورة الفوتوغرافية، لكن المستشعر يكون مكشوفًا بصريًا فقط للجزء الزمني المطلوب في كل دورة وميض.

ويشير الباحثون إلى أن التكنولوجيا التي طوروها تمهد الطريق لمزيد من البحث فيما يتعلق بمجموعة واسعة من المهام، بما في ذلك الإضاءة الخاضعة للتحكم للأشياء، وقياس الأجسام ثلاثية الأبعاد، وتحديد نسيج سطحها بناءً على الظل الذي تلقيه، وتحليل خصائص شبكة الطاقة. عن بعد بطريقة بصرية.

لقد نشأ البحث من اهتمام البروفيسور شاشنر بمجال مختلف تمامًا. نظرًا لكونه عالم فلك هاوٍ، مدركًا جيدًا للقيود التي يفرضها التلوث الضوئي في المناطق الحضرية على عمليات الرصد الليلية، فقد افترض أنه إذا قمنا بربط أجزاء من الثانية حيث يكون الضوء في حده الأدنى أثناء الارتعاش، فإن هذا سيؤدي إلى تحييد التلوث الضوئي والسماح بمراقبة نظيفة من السماء. وسرعان ما اكتشف الباحثون أن المصابيح الكهربائية المختلفة في جميع أنحاء المدينة لم تكن تومض بشكل متزامن؛ بمجرد أن ينخفض ​​​​الضوء في إحداها إلى الحد الأدنى، تضيء لمبة أخرى بالفعل. ويقول: "لذلك، تم تأجيل التطبيق الفلكي في الوقت الحالي، ولكن هكذا اكتشفنا أرضًا غير معروفة للرؤية الحاسوبية: شبكة الكهرباء".

المقالة التصوير الحسابي على الشبكة الكهربائية سيتم تقديمه في 22 يوليو في مؤتمر IEEE CVPR الذي تعقده جمعية مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE). تم دعم البحث من قبل مؤسسة تاوب، والمؤسسة الوطنية للعلوم (ISF)، ومؤسسة مينيرفا الألمانية.