Как устроено компьютерное зрение?

Компьютерное зрение анализирует изображения и другие данные для получения улучшенной символической информации. Данное направление информатики постоянно развивается.

Мы запускаем камеру на смартфоне, наводим на объект и видим маленькую иконку внизу. Смартфон понимает — что именно мы снимаем. Вы когда-нибудь задумывались, как это работает? Беспилотные автомобили спокойно объезжают машины и тормозят перед пешеходами, камеры видеонаблюдения на улицах распознают наши лица, а пылесосы отмечают на карте, где лежат тапочки — всё это не чудеса. Это происходит прямо сейчас. И всё благодаря компьютерному зрению.

Как работает компьютерное зрение, чем оно отличается от человеческого и чем может быть полезно нам, людям? Для того чтобы хорошо ориентироваться в пространстве человеку нужны глаза, чтобы видеть, мозг, чтобы эту информацию обрабатывать, и интеллект, чтобы понимать, что ты видишь. С компьютерным или, даже вернее сказать, машинным зрением, такая же история. Для того, чтобы компьютер понял, что он видит, нужно пройти 3 этапа:

1. Нам нужно как-то получить изображение
2. Нам нужно его обработать
3. И уже только потом проанализировать

Пройдёмся по всем этапам и проверим, как они реализованы. Сегодня мы будем разбираться, как роботы видят этот мир, и поможет нам в этом робот-пылесос, который напичкан современными технологиями компьютерного зрения.

Этап 1. Получение изображения

В начале компьютеру надо что-то увидеть. Для этого нужны разного рода датчики. Насколько много датчиков и насколько они должны быть сложные зависит от задачи. Для простых задач типа детектора движения или распознавания объектов в кадре достаточно простой камеры или даже инфракрасного сенсора. В нашем пылесосе есть целых две камеры, они находятся спереди. А вот, например, для ориентации в трехмерном пространстве понадобятся дополнительные сенсоры. В частности 3D-сенсор. Тут он тоже есть и расположен сверху. Но что это за сенсор?

LiDAR

Вообще с названиями 3D-сенсоров есть небольшая путаница, одно и тоже часто называют разными словами. Эта штука сверху — называется LDS или лазерный датчик расстояния, по-английски — Laser Distance Sensor. Подобные датчики вы наверняка могли заметить на крышах беспилотных беспилотных автомобилей. Это не мигалка, это лазерный датчик расстояния, такой же как на роботе пылесосе. Вот только в мире беспилотников такой сенсор принято называть лидаром — LIDAR — Light Detection and Ranging. Да-да, как в новых iPhone и iPad Pro.

А вот в Android-смартфонах вместо лидаров используется термин ToF-камера: ToF — Time-of-flight. Но, как ни называй, все эти сенсоры работают по одному принципу. Они испускают свет и замеряет сколько ему понадобится времени, чтобы вернуться обратно. То есть прямо как радар, только вместо радиоволн используется свет. Есть небольшие нюансы в типах таких сенсоров, но смысл технологии от этого не меняется. Поэтому мне, чисто из-за созвучия с радаром, больше всего нравится название LiDAR, так и будем называть этот сенсор.

Кстати, лидары использует не только в задачах навигации. Благодаря лидарам сейчас происходит настоящая революция в археологии. Археологи сканируют территорию с самолета при помощи лидара, после чего очищают данные ландшафта от деревьев. И это позволяет находить древние города, скрытые от глаз человека!

Также помимо статических лидаров, направленных в одну сторону, бывают вращающиеся лидары, которые позволяют сканировать пространство вокруг себя на 360 градусов. Такие лидары используется в беспилотных автомобилях.

Тем не менее у технологии есть некоторые недостатки — очень разреженные данные. Пространство сканируется линиями. В больших автомобильных радарах разрешение — от 64 до 128 линий. Плюс ко всему у лидар есть мертвая зона. Если лидар стоит на крыше — то он не видит, что творится в достаточно большом радиусе вокруг него.

Поэтому, чтобы исправить этот недочет лидаров. как в автомобили, так и в пылесосы ставят дополнительные камеры. Тут камеры сразу две, и они обеспечивают стереоскопическое зрение.

Этап 2. Обработка

Итак, мы получили достаточно данных с различных сенсоров. Поэтому переходим ко второму этапу компьютерного зрения — обработке. Данные с лидара мы получаем в виде трехмерного облака точек, которые фактически не нуждаются в дополнительной обработке. Как получить стерео с двух камер тоже понятно — высчитывается разница между изображениями снятыми чуть под разным углом и так строится карта глубины. Это несложно.

Но вот совместить данные с разных сенсоров — это нетривиальная задача. Например, пылесос на полу обнаружил какой-то предмет. Дальше ему нужно понять где именно он находится на карте построенной при помощи лидара. А также нужно предположить какие у него габариты по проекции с одной стороны. То есть нам нужно поместить предмет в некий объёмный куб правильного размера.

Эту задачу можно решить разными способами. Один из способов называется “усеченная пирамида”. Сначала на камере обнаруживаются предметы. Потом эти предметы помещаются в конус, а объем этого конуса вычисляется нейросетью.

Поэтому даже, казалось бы, такая тривиальная задача требует серьёзных вычислений и решается при помощи нейросетей.

А раз мы заговорили про нейросети, значит мы уже немного зашли на 3-й этап компьютерного зрения — анализ.

Этап 3. Анализ

За распознавание, сегментацию и классификацию объектов на изображении в современном мире в основном отвечают нейросети. Мы даже делали подробный ролик о том как это работает, посмотрите. https://youtu.be/WIttZGQEdas

Если кратко, нейросеть — это такое большое количество уравнений, связанных между собой. Загружая в нейросеть любые данные — ты обязательно получишь какий-то ответ. Но, например, если постоянно загружать в нейросеть фотографии кошечек, и указать ей, что ответ должен быть — кошка. В какой-то момент, нейросеть перестает ошибаться на обучающей выборке. И тогда ей начинают показывать новые незнакомые изображения и если на них она тоже безошибочно определяет кошек — нейросеть обучена. Дальше нейросеть оптимизируется для того, чтобы она стала меньше, быстро работала и не жрала много ресурсов. После этого она готова к использованию. Что-то похожее происходит с нейронными связями в человеческом мозге. Когда мы чему-то учимся или запоминаем, мы повторяем одно и то же действие несколько раз. Нейронные связи в мозге постепенно укрепляются и потом нам это легко даётся!

Источник https://habr.com/ru/company/droider/blog/538750/