לראות את הלילה באור חדש

חוקרים בטכניון ובאוניברסיטת טורונטו פיתחו טכנולוגיה להפקת ידע על הסביבה – מרמת המשרד ועד העיר השלמה – על סמך ריצוד נורות החשמל

ניתוח התפלגות מקורות האור בעיר

תאורה מלאכותית ממלאת את חיינו בבית, במשרד, בכביש ובמקומות אחרים. תאורה זו מופקת על ידי מגוון של נורות הנמצאות בפנסי רחוב, במשרדים, בזרקורים, בפנסי מכוניות, בשלטי חוצות ובצגי מחשב. כל המנורות המחוברות לרשת החשמל מרצדות ללא הרף, אולם בשל מהירות הריצוד הגבוהה איננו חשים בהבהובים אלה.

כעת מתברר שריצוד התאורה המלאכותית עשוי לספק מידע שימושי נרחב. במחקר שיוצג השבוע בכנס IEEE CVPR שיתקיים בהוואי יציגו חוקרים מהטכניון ומאוניברסיטת טורונטו דרך חדשה להפקת מידע על הסביבה מתוך דפוסי הריצוד של זירות המוארות בתאורה מלאכותית. הגישה משלבת תחומי מחקר שונים ובהם אופטיקה, ראייה ממוחשבת, עיבוד תמונה והנדסת רשתות חשמל.

החוקרים השותפים במחקר הם הדוקטורנט מרק שיינין ופרופ’ יואב שכנר מהפקולטה להנדסת חשמל ע”ש ויטרבי בטכניון ועמיתם פרופ’ קירוֹס קוּטוּלָקוֹס מאוניברסיטת טורונטו. השלושה פיתחו מערכת המפיקה את המידע האמור מתוך צילום וידאו פסיבי, כלומר ללא תאורה נוספת, של הזירה הרצויה: משרד, מסדרון, רחוב ואפילו עיר שלמה. מניתוח המידע המתקבל מהצילום מסיקה המערכת, למשל, כיצד הייתה הזירה נראית אילו כיבינו חלק מהנורות, הגברנו אותן או החלפנו כמה מהן בנורות מסוג אחר. מערכת זו מאפשרת גם לבטל, בעיבוד דיגיטלי של הצילום, השתקפויות המוחזרות מחלונות כשאנו מביטים דרכם פנימה או החוצה; לבטל את הצל שיוצרת תאורה מלאכותית על פנינו בצילום עצמי (סלפי); ולנתח את רשת התאורה העירונית ואת סוגי הנורות המשמשות בה. כל זאת, כאמור, באמצעות צילום וידאו פסיבי בלבד.

פרופ’ שריניבס נאראסימהאן מבית הספר למדעי המחשב באוניברסיטת קרנגי מלון, שלא היה מעורב במחקר, אמר כי המאמר מדגים “מחקר חדשני מאוד, שמפיק מידע משמעותי מתופעה אופטית שאיננו מבחינים בה בדרך כלל. לפיתוח זה יישומים פוטנציאליים משמעותיים ובהם ניטור של זיהום אור, ניטור זיהום אוויר בלילה, דימות של אזורים שאינם נמצאים בשדה הראייה של הצופה וניטור צריכת חשמל ותנודות בזרם החשמל.”

ניתוח התפלגות מקורות האור במקטע רחוב

הסיבה לריצוד האור המלאכותי היא שרשתות חשמל פועלות בזרם חילופין (AC), שבו זרם האלקטרונים הופך את כיוונו ללא הרף באופן מחזורי. בישראל, לדוגמה, התדר ברשת החשמל הוא 50 הרץ, ופירוש הדבר שזרם האלקטרונים משנה את כיוונו 100 פעמים בשנייה וזה הקצב שבו מהבהבת הנורה. דפוס הריצוד תלוי בסוג הנורה – פלורוסנט, כספית, הלוגן, לד וכיו”ב – שכן כל נורה ממירה את אנרגיית החשמל לְאור בתהליך שונה. במילים אחרות, לכל סוג נורה יש חתימת זמן ייחודית. חתימת הזמן היא שמאפשרת לחוקרים, באמצעות המערכת ואלגוריתם ייעודי שפיתחו לשם כך, לזהות את סוג הנורה.

עבור צלמים, צילום הריצוד היא אתגר שיש בו סתירה: מצד אחד, כדי לזהות את הדינמיקה של הריצוד דרושה חשיפה קצרה מאוד. מצד שני, בצילום בלילה נדרשת חשיפה ארוכה כדי לאסוף מספיק אור ליצירת תמונה. כדי לפתור את הסתירה פיתחו החוקרים מצלמה אלקטרו-אופטית ייחודית בשם ACam המסוגלת “לחוש” את הריצוד של זרם החילופין. המצלמה, המחוברת בעצמה לרשת החשמל, מנצלת את מחזוריות הריצוד כדי ללכוד אותות מהירים מהזירה. התריס האלקטרוני של המצלמה פתוח כל זמן הצילום, אולם החיישן נחשף אופטית רק במקטע הזמן הרצוי בכל מחזור הבהוב.

החוקרים מציינים כי הטכנולוגיה שפיתחו סוללת דרך למחקרי המשך בנוגע למגוון רחב של משימות ובהן הארה מבוקרת של עצמים, מדידת עצמים תלת-ממדיים, זיהוי מרקם השטח שלהם על סמך הצל שהם מטילים וניתוח מאפייני רשת החשמל מרחוק בדרך אופטית.

המחקר צמח מהתעניינותו של פרופ’ שכנר בתחום אחר לחלוטין. בהיותו אסטרונום חובב, המודע היטב למגבלות שמציב זיהום האור העירוני על תצפיות לילה, הוא שיער שאם נחבר את שברירי השנייה שבהם האור מינימלי במהלך הריצוד, הדבר ינטרל את זיהום האור ויאפשר תצפית נקייה בשמים. עד מהרה גילו החוקרים כי הנורות השונות ברחבי העיר אינן מרצדות בהתאמה; ברגע שבאחת מהן האור יורד לנקודת המינימום, נורה אחרת דווקא מתבהרת. “לכן,” הוא אומר, “היישום האסטרונומי הוכנס למגירה לעת עתה, אבל כך גילינו ארץ בלתי נודעת לראייה ממוחשבת: רשת החשמל.”

המאמר Computational Imaging on the Electric Grid יוצג ב-22 ביולי בכנס  IEEE CVPR שמקיים איגוד מהנדסי החשמל והאלקטרוניקה (IEEE). המחקר נתמך על ידי קרן טאוב, הקרן הלאומית למדע (ISF) וקרן מינרבה הגרמנית.

לסרטון המסביר את המחקר (באנגלית)

לסרטונים המדגימים את המחקר

בסרטונים: דפוסי הריצוד השונים של נורות שונות – ברמת הנורה הבודדת ובסקאלה העירונית.

פרופ’ קירוֹס קוּטוּלָקוֹס, אוניברסיטת טורונטו

פרופ’ יואב שכנר, הפקולטה להנדסת חשמל ע”ש ויטרבי בטכניון

הדוקטורנט מרק שיינין, הפקולטה להנדסת חשמל ע”ש ויטרבי בטכניון