بیناپردازان هوشمند سپاهان

HIKROBOT

کاربردهای یادگیری عمیق در بینایی کامپیوتر

کاربردهای یادگیری عمیق

کاربردهای یادگیری عمیق در بینایی کامپیوتر

کاربردهای یادگیری عمیق

یادگیری عمیق (Deep Learning) در زمینه بینایی کامپیوتر (Computer Vision) انقلابی ایجاد کرده است. این فناوری به طور گسترده برای آموزش رایانه ها برای “دیدن” و تجزیه و تحلیل محیط به روشی مشابه انسان استفاده می شود. کاربردهای آن شامل خودروهای خودران، رباتیک، تجزیه و تحلیل داده و موارد بسیار دیگر است.

در این مقاله به طور مفصل به کاربردهای یادگیری عمیق برای بینایی کامپیوتر خواهیم پرداخت. اما قبل از آن، بیایید ببینیم که بینایی کامپیوتر و یادگیری عمیق چیست.

بینایی کامپیوتر چیست؟

بینایی کامپیوتر (CV) شاخه ای از هوش مصنوعی است که به رایانه ها امکان استخراج اطلاعات از تصاویر، فیلم ها و سایر منابع بصری را می دهد.

بینایی کامپیوتر به عنوان یک رشته علمی، درگیر تئوری ای است که پشت سیستم های مصنوعی که اطلاعات را از تصاویر استخراج می کنند، است. به عنوان یک رشته فناوری، بینایی کامپیوتر به دنبال اعمال تئوری های خود در توسعه سیستم های کاربردی بینایی کامپیوتر است. هدف کلی بینایی کامپیوتر توسعه سیستم هایی است که بتوانند به طور خودکار محتوای بصری را در زمینه های مختلف شناسایی، پردازش و تفسیر کنند تا وظایف را انجام دهند. از بینایی کامپیوتر برای نظارت تصویری، امنیت عمومی و اخیرا برای کمک به راننده در اتومبیل و اتوماسیون فرآیندهایی مانند تولید و لجستیک استفاده می شود.

بینایی کامپیوتر

یادگیری عمیق در بینایی کامپیوتر چیست؟

یادگیری عمیق (Deep Learning) یک روش یادگیری ماشینی است که بر اساس شبکه های عصبی مصنوعی (ANN) بنا شده است. یادگیری عمیق شامل آموزش شبکه های عصبی مصنوعی بر روی مجموعه داده های عظیم است. این شبکه ها از لایه های زیادی از واحدهای پردازش اطلاعات (نرون ها) تشکیل شده اند که به طور کلی از نحوه عملکرد مغز الهام گرفته شده اند.

هر نورون عمل ساده خود را بر روی ورودی از واحدهای دیگر انجام می دهد و خروجی خود را به واحدهای دیگر در لایه های بعدی ارسال می کند تا زمانی که به یک لایه خروجی با مقادیر پیش بینی شده برسیم. شبکه های عصبی عمیق می توانند پارامترهای زیادی داشته باشند (در برخی موارد بیش از 10 میلیون)، که به آنها امکان می دهد روابط پیچیده و غیرخطی بین ورودی ها و خروجی ها را بیاموزند.

انواع مختلف از شبکه های عصبی

مروج (Convolutional Neural Network – CNN): مهمترین نوع شبکه عصبی برای بینایی کامپیوتر است.کاربردهای یادگیری عمیق  CNN ها با موفقیت در بسیاری از زمینه های مختلف مانند هوافضا و مراقبت های بهداشتی اعمال می شود.

مکرر (RNN)

متخاصم مولد (GAN)

بازگشتی

شبکه های عصبی کانولوشن چیست؟

شبکه‌های عصبی مروج (Convolutional Neural Network – CNN) نوعی از شبکه‌های عصبی مصنوعی هستند که از لایه‌های مروج (Convolutional Layer) تشکیل شده‌اند. مزیت اصلی CNN ها این است که می توانند ویژگی ها را مستقیماً از مقادیر خام پیکسل یاد بگیرند بدون اینکه نیاز به ویژگی های مهندسی شده با دست یا دانش قبلی در مورد جهان داشته باشند.

از فرایند زیر برای تشخیص تصویر استفاده می شود. تصویری به شبکه داده می شود که از پیکسل تشکیل شده است. در اولین لایه مروج، فیلترهایی به هر پیکسل در تصویر اعمال می شود تا یک نقشه ویژگی ایجاد شود. سپس این نقشه به لایه دیگری از فیلترها وارد می شود که نقشه دیگری تولید می کند و به همین ترتیب ادامه می یابد تا لایه آخر پیش بینی خود را انجام دهد.

تاریخچه بینایی کامپیوتر

تاریخچه بینایی کامپیوتر

سال ۱۹۵۹: اولین اسکنر تصویر دیجیتال، تصاویر را به شبکه های عددی تبدیل کرد تا رایانه ها بتوانند تصاویر را تشخیص دهند.

دهه ۱۹۶۰: لارنس رابرتس، که به طور کلی پیشگام اینترنت و بینایی کامپیوتر محسوب می شود، بحثی را در مورد امکان استخراج داده های هندسی سه بعدی از تصاویر دو بعدی مطرح کرد. پس از آن، محققان زیادی روی کارهای بینایی سطح پایین مانند بخش‌بندی و تشخیص شروع به کار کردند.

دهه ۱۹۷۰: بر اساس این فرض که چشم انسان می تواند اجسام را با شکستن آنها به واحدهای اصلی تشکیل دهنده آنها تشخیص دهد، مفاهیم متعددی از جمله رویکردهایی برای ضبط و/یا ثبت اشیاء و شناسایی آنها بر اساس اجزای تشکیل دهنده، توسعه یافت.

دهه ۱۹۸۰: کنی‌هیکو فوکوشیما، دانشمند کامپیوتر ژاپنی، نئوکگنیترون را اختراع کرد که پیشرو شبکه‌های عصبی مروج (Convolutional Neural Network) مدرن است.

مشکل دیگری تفسیر صحیح صحنه شناخته شده است: آیا شیء در حال رسیدن است یا ترک می‌کند، در حال باز شدن است یا بسته شدن در. برای طبقه بندی صحیح رویدادها، باید اطلاعات بیشتری به سیستم داده شود، که به دلیل کمبود داده یا قابلیت های محدود همیشه ممکن نیست.

یکی از موانع اصلی در بینایی کامپیوتر، مقدار کم داده های برچسب گذاری شده است که در حال حاضر برای تشخیص اشیاء در دسترس است. مجموعه داده ها به طور معمول شامل نمونه هایی برای حدود 12 تا 100 کلاس شیء هستند، در حالی که مجموعه داده های طبقه بندی تصویر می توانند تا 100000 کلاس را شامل شوند. برونسپاری اغلب تگ های دسته بندی تصویر رایگان (به عنوان مثال، با تجزیه متن شرح های ارائه شده توسط کاربر) ایجاد می کند. با این حال، ایجاد bounding box ها و برچسب های دقیق برای تشخیص اشیاء همچنان بسیار زمان بر است.

روش‌های یادگیری عمیق پیشرفته برای بینایی کامپیوتر

برای حل چالش‌های بینایی کامپیوتر که در بالا ذکر شد، محققان همچنان روی طیف وسیعی از روش‌های پیشرفته کار می‌کنند. این روش‌ها عبارتند از:

یادگیری سرتاسری (End-to-End Learning): این رویکرد برای شبکه‌های عصبی عمیق (NN) استفاده می‌شود که برای حل یک کار پیچیده بدون تفکیک آن به زیرکارها آموزش می‌بینند. مزیت اصلی این روش این است که فرآیند یادگیری توسط خود شبکه عصبی کنترل می‌شود، به این معنی که یک سیستم کاملاً خودآموز است.

یادگیری یک مرحله‌ای (One-Shot Learning): این روش مبتنی بر یک مسئله ارزیابی تفاوت است و به این معنی است که برای فرآیند یادگیری تنها به یک یا چند مثال آموزشی نیاز است (برخلاف هزاران مورد در مدل‌های طبقه‌بندی). چنین سیستم بینایی کامپیوتر می‌تواند به دو تصویری که هرگز ندیده است نگاه کند و تعیین کند که آیا آنها یک شیء را نشان می‌دهند یا خیر.

یادگیری بدون نمونه (Zero-Shot Learning): در این حالت، به یک مدل یاد داده می‌شود تا اشیایی را که قبلاً ندیده است را تشخیص دهد. روش‌های بدون نمونه، دسته‌های مشاهده‌شده و مشاهده‌نشده را از طریق برخی اطلاعات کمکی مرتبط می‌کنند. برای مثال، فرض کنید مدلی برای تشخیص اسب‌ها آموزش دیده باشد، بدون اینکه هرگز یک گورخر را دیده باشد. این مدل می‌تواند گورخر را شناسایی کند در صورتی که بداند گورخرها شبیه اسب‌های راه‌راه سیاه و سفید هستند.

کاربردهای بینایی کامپیوتر در صنایع مختلف

بینایی کامپیوتر به طور فزاینده‌ای در طیف گسترده‌ای از صنایع از جمله حمل‌ونقل، مراقبت‌های بهداشتی، ورزش، تولید، خرده فروشی و غیره مورد استفاده قرار گرفته است. در این بخش به برخی از برجسته‌ترین نمونه‌ها خواهیم پرداخت.

حمل‌ونقل

به لطف یادگیری عمیق، سیستم‌های تحلیل ترافیک در مقیاس بزرگ را می‌توان با استفاده از دوربین‌های نظارتی نسبتاً ارزان اجرا کرد. با افزایش دسترسی به حسگرهایی مانند دوربین‌های مدار بسته، لیدار (تشخیص نور و اندازه‌گیری فاصله) و تصویربرداری حرارتی، شناسایی، ردیابی و دسته‌بندی وسایل نقلیه در جاده امکان‌پذیر است.

فناوری‌های بینایی کامپیوتر برای تشخیص خودکار تخلفاتی مانند سرعت غیرمجاز، عبور از چراغ قرمز یا علائم ایست، رانندگی در خلاف جهت و دور زدن غیرمجاز استفاده می‌شوند.

شبکه‌های عصبی کانولوشنال (CNN) همچنین به توسعه روش‌های مؤثر تشخیص اشغال بودن پارکینگ کمک کرده‌اند. مزیت تشخیص پارکینگ مبتنی بر دوربین، استقرار در مقیاس بزرگ، نصب و نگهداری کم‌هزینه است.

مراقبت‌های بهداشتی

در پزشکی، از بینایی کامپیوتر برای تشخیص سرطان پوست و سینه استفاده می‌شود. به عنوان مثال، تشخیص تصویر به دانشمندان این امکان را می‌دهد که حتی تفاوت‌های کوچک بین تصاویر سرطانی و غیر سرطانی را در اسکن‌های MRI تشخیص دهند.

مدل‌های یادگیری عمیق برای تشخیص شرایط جدی مانند سکته مغزی قریب‌الوقوع، اختلالات تعادل و مشکلات راه رفتن بدون نیاز به معاینه پزشکی به کار می‌روند.

تخمین پوزیشن بدن به پزشکان کمک می‌کند تا با تجزیه و تحلیل حرکات بیماران، آنها را سریع‌تر و دقیق‌تر تشخیص دهند. همچنین می‌توان از آن در فیزیوتراپی استفاده کرد. بیمارانی که از سکته مغزی و آسیب‌دیدگی بهبود می‌یابند به نظارت مداوم نیاز دارند. برنامه‌های توانبخشی مبتنی بر بینایی کامپیوتر در آموزش اولیه مؤثر هستند و اطمینان حاصل می‌کنند که بیماران حرکات را به درستی انجام دهند و از آسیب‌های بیشتر جلوگیری کنند.

تولید

بینایی کامپیوتر جزء حیاتی از تولید هوشمند است. برای مثال، به بازرسی خودکار وسایل ایمنی شخصی مانند ماسک و کلاه ایمنی کمک می‌کند. در کارگاه‌های ساختمانی و کارخانه‌ها، بینایی کامپیوتر به نظارت بر رعایت رویه‌های ایمنی کمک می‌کند.

کاربردهای دوربین هوشمند، روشی مقیاس‌پذیر برای یکپارچه‌سازی بازرسی بصری خودکار و کنترل کیفیت خطوط تولید و مونتاژ ارائه می‌دهد. بازوهای رباتیک با قابلیت تشخیص اشیاء از نظر دقت، سرعت، بهره‌وری و قابلیت اطمینان، به طور قابل توجهی از انسان‌ها عملکرد بهتری دارند.

خرده فروشی

الگوریتم‌های یادگیری عمیق می‌توانند ترافیک مشتری را در فروشگاه‌های خرده فروشی کنترل کنند. آن‌ها می‌توانند زمان صرف‌شده در مکان‌های مختلف و صف، تعیین بهترین مکان‌ها برای توزیع نمونه رایگان و ارزیابی کیفیت خدمات را شناسایی کنند. از تمام این داده‌ها برای تجزیه و تحلیل رفتار مشتری به منظور بهینه‌سازی طراحی فروشگاه خرده فروشی و اندازه‌گیری عینی شاخص‌های کلیدی عملکرد در مکان‌های مختلف استفاده می‌شود. الگوریتم‌های بینایی کامپیوتر همچنین برای امنیت مفید هستند. آن‌ها می‌توانند به طور خودکار محیط را برای تشخیص فعالیت‌های مشکوک مانند دسترسی به مناطق ممنوعه یا سرقت تجزیه و تحلیل کنند.

نتیجه گیری

یادگیری عمیق برای بینایی کامپیوتر یک حوزه تحقیقاتی بسیار امیدوارکننده است که به حل طیف وسیعی از مشکلات دنیای واقعی و ساده‌سازی فرآیندهای مختلف در مراقبت‌های بهداشتی، ورزش، حمل‌ونقل، خرده فروشی، تولید و غیره کمک می‌کند.

این زمینه در حال توسعه است و برخی از مسیرهایی که بیشترین پتانسیل را دارند شامل موارد زیر است:

-ادغام متن یا شیء در یک تصویر

-ارتقاء کیفیت تصاویر (Upscaling)

-حذف اشیاء نامرتبط از تصاویر (مانند کابل‌ها یا علائم راهنمایی و رانندگی در مناظر شهری)

-انتقال استایل

کاربردهای یادگیری های عمیق در هایک ربات

با توجه به تکنولوژی پیشرفته‌ای که هایک ربات در زمینه‌ی بینایی ماشین ارائه می‌دهد، می‌توانیم به بررسی چگونگی یکپارچه‌سازی یادگیری عمیق در سیستم‌های بینایی Hikrobot بپردازیم:

Vision Master (VM)

نرم‌افزار VM، که توسط هایک ربات توسعه داده شده است، به کاربران امکان ایجاد برنامه‌های بینایی و حل چالش‌های بازرسی تصویری را می‌دهد. این نرم‌افزار شامل ماژول‌های الگوریتمی متنوعی است که شامل موارد زیر می‌شود:

طبقه‌بندی

شناسایی اشیاء در دسته‌های از  پیش‌تعیین شده.

تشخیص هدف

مکان‌یابی اشیاء خاص در تصویر.

تشخیص و مکان‌یابی کاراکترها

استخراج اطلاعات متنی.

جداسازی

جدا کردن اشیاء از پس‌زمینه.

رابط گرافیکی برای انجام عملیات توضیح داده شده، از جمله جمع‌آوری داده‌ها، آموزش مدل‌ها و تشخیص، در VM وجود دارد.

VM برای کاربردهایی مانند موقعیت‌یابی تصویری، اندازه‌گیری ابعاد، تشخیص عیوب و استخراج اطلاعات متنی مناسب است.

ابزارهای یادگیری عمیق

ابزارهای یادگیری عمیق هایک ربات برای وظایف خاص طراحی شده‌اند:

طبقه‌بندی DL

دسته‌بندی اشیاء بر اساس ویژگی‌های آن‌ها.

تشخیص اشیاء DL

مکان‌یابی و شناسایی اشیاء.

مکان‌یابی کاراکتر DL

مکان‌یابی دقیق کاراکترها یا متن.

تشخیص کاراکتر (OCR/OCV) DL

استخراج اطلاعات متنی.

این ابزارها از الگوریتم‌های یادگیری عمیق با عملکرد بالا استفاده می‌کنند و قابلیت سفارشی‌سازی برای سناریوهای مختلف تشخیص را دارند.

مکان‌یابی و پیش‌بینی کارآمد

ابزارهای مکان‌یابی VM

مشکلات ترجمه، چرخش، بزرگنمایی و تغییر نور را حل می‌کنند. آن‌ها به سرعت و با دقت اشیاء هندسی (مانند دایره‌) را تشخصی می دهند.

الگوریتم یادگیری عمیق

نقص‌ها، موقعیت‌های متن و دسته‌بندی اشیاء را درون تصاویر پیش‌بینی می‌کند. نقشه‌های حرارتی بر اساس نمونه‌های عادی، مکان‌های غیرعادی را نشان می‌دهند.

رابط گرافیکی و سهولت استفاده

رابط کاربری تعاملی گرافیکی VM توسعه راه‌حل را ساده می‌کند. آیکون‌های شهودی، Drag and Drop و گردش کار منطقی، فرآیند ایجاد راه‌حل بصری سریع را تسهیل می‌کنند.

به طور خلاصه، ادغام یادگیری عمیق  هایک ربات در سیستم‌های بینایی ماشین، اتوماسیون، کنترل کیفیت و بهره‌وری را در صنایع مختلف بهبود می‌بخشد. ️‍️

Summary
کاربردهای یادگیری عمیق در بینایی کامپیوتر
Article Name
کاربردهای یادگیری عمیق در بینایی کامپیوتر
Description
کاربردهای یادگیری عمیق به طور فزاینده‌ای در صنایعی از جمله حمل‌ونقل، مراقبت‌های بهداشتی، ورزش، تولید، خرده فروشی و... مورد استفاده است.
Author
Publisher Name
Hikrobot.ir
Publisher Logo

فهرست مطالب