پردازش تصویر چیست و چه کاربردهایی دارد؟

پردازش تصویر (Image Processing) به فرایند پردازش تصاویر آنالوگ و دیجیتالی گفته می‌شود که توسط دوربین‌های معمولی و ابزارهای مانند اسکنر نوری، دوربین و یا حسگر دیجیتالی گرفته شده‌اند. این کار نیازمند دانش رایانه‌ای، برنامه نویسی و هوش مصنوعی است و به دلیل کاربردهای فراوان آن در صنایع مختلف کشاورزی، پزشکی، شهری، صنعتی و … از محبوبیت بالایی برخوردار است.

آیا ماشین‌ می‌تواند ببیند؟

فرایند دیدن و درک تصاویر در انسان بسیار پیچیده و جذاب است. سیستم بینایی انسان کنونی یک فرایند طولانی‌مدت پانصد میلیون سالی را طی کرده تا به این مرحله برسد. از چند دهه قبل پژوهشگران و دانشمندان چالش سخت و پیچیده‌ای را برای خود تعریف کرده‌اند: تعبیه نوعی از بینایی در ماشین‌ها.

اما واقعاً یک ماشین چگونه می‌تواند تصویری را درک کند؟ برای پاسخ به این سوال باید به این نکته توجه داشت که برای ماشین‌ها تصاویر پیکسل‌هایی هستند که به هر کدام ارزشی عددی داده شده است که نشان‌دهنده pixel intensity است.  برای کامپیوتر هر تصویر سیاه و سفید با عددی میان صفر تا ۲۵۵ شماره‌گذاری می‌شود. اما در تصاویر رنگی به هر پیکسل سه عدد تعلق می‌گیرد.

هوش مصنوعی چیست؟

بخش زیادی از پیشرفت‌های اخیر در حوزه پردازش تصویر با استفاده از فناوری‌های هوش مصنوعی و یادگیری ماشین به دست آمده است. هوش مصنوعی به‌طورکلی به تکنیک‌های هوشمندسازی ماشین‌ها اشاره دارد. برای مثال برخی از این تکنیک‌های هوشمندسازی به‌دنبال تعبیه امکان‌ درک گفتار و زبان در ماشین‌ها هستند و محصولاتی چون ماشین‌های ترجمه، دستیارهای صوتی و تایپ صوتی نتیجه به کار بردن همین تکنیک‌هاست. به لطف همین پیشرفت‌ها امروز این امکان فراهم شده است که در بخش پردازش تصویر و ویدئو نیز مراحل مختلف، از جمع‌آوری داده تا پیش‌پرداز و تحلیل، به‌صورت خودکار و هوشمند انجام شود.

پردازش تصویر چیست؟

پردازش تصویر فرایندی است که طی آن با کمک ابزارهای ریاضی و الگوریتم‌ها تصاویر بهینه می‌شوند و اطلاعات پنهان و آشکار در تصاویر استخراج شده و تحلیل می‌شوند. هدف پردازش تصویر تبدیل تصویر به یک فرمت دیجیتال و انجام دادن فرایندهایی بر روی آن است. این فرایندها به این خاطر انجام می‌شود که تصویر را بهینه کند یا از تصویر برای اهداف مشخص استفاده‌هایی شود. در پردازش تصویر ورودی یک تصویر یا فریمی از یک ویدئو است و خروجی آن می‌تواند تصویر یا ویژگی‌های مربوط به یک تصویر باشد.

پردازش تصویر فرایندی گام‌به‌گام است. معمولاً این فرایند با جمع‌آوری داده آغاز می‌شود. سپس تصاویر برای تحلیل مناسب‌سازی می‌شود. به این مرحله پیش‌پردازش نیز گفته می‌شود. در مرحله بعد فرایند تحلیل و پردازش تصاویر آغاز می‌شود.

پیش‌پردازش تصاویر

داده‌هایی که ما جمع‌آوری یا تولید می‌کنیم عمدتاً خام هستند. به این معنا که نمی‌توان از آن‌ها به‌صورت مستقیم استفاده کرد. بنابراین ما نیاز داریم که در گام نخست این داده‌ها را با ابزارهای پردازشی تحلیل کنیم.

برای مثال، فرض کنید ما می‌خواهیم یک الگوریتم را برای جدا کردن تصاویر گربه آموزش دهیم. در این سیستم ورودی تصاویر مختلف هستند و خروجی جداسازی تصاویر گربه است. قدم اول در ساختن چنین سیستم جداکننده‌ای جمع‌آوری تعداد زیادی عکس گربه ایت. یکی از مشکلات رایج این است که تصاویری که جمع‌آوری کردیم لزوماً اندازه یکسانی ندارند، بنابراین پیش از آنکه مرحله آموزش را شروع کنیم به مرحله پیش‌پردازش نیاز داریم تا اندازه تصاویر را استاندارد کنیم.

کاربردهای پردازش تصویر

– بازسازی و وضوح‌بخشی به تصاویر

بازسازی و وضوح‌بخشی به تصاویر به فرایندی اشاره دارد که در آن تصاویری که به شیوه‌های مختلف گرفته و جمع‌آوری شده‌اند برای دستیابی به نتیجه دل‌خواه دستکاری می‌شوند.

کارهایی که در این مرحله انجام می‌شود معمولاً شامل زوم کردن، تار کردن، وضوح بخشیدن، تشخیص لبه‌های تصاویر، بازیابی تصاویر و بازشناسی تصاویر است.

– کاربردهای پزشکی

منظور از عکس‌برداری پزشکی فرایندی است که طی آن برای اهداف درمانی یا پژوهشی تصاویر واضحی از ساختار درونی بدن انسان گرفته می‌شود. برای تصویربرداری از اعضای داخلی بدن از فناوری‌های مختلفی استفاده می‌شود. استفاده از تصاویر دیجیتال در حوزه‌های مختلف پزشکی به دلایل مختلف در حال رشد و گسترش است. هزینه پایین و سرعت بالای فرایندهای عکس‌برداری، راحتی ذخیره‌سازی و به اشتراک گذاشتن این تصاویر از مزایای استفاده از تصاویر دیجیتال در حوزه پزشکی است.

اما استفاده از این تصاویر مشکلات و دشواری‌های خاص خود را نیز دارد. نگه‌داری از این تصاویر معمولاً به حافظه‌های با ظرفیت بالا نیاز دارد. همچنین دستکاری در اندازه این تصاویر عموماً باعث پایین آمدن کیفیت آن می‌شود.

یکی از کاربردهای بی‌شمار پردازش تصویر در پزشکی در همین‌جا اتفاق می‌افتد. با استفاده از تکنیک‌های پردازش تصویر می‌توان بسیاری از محدودیت‌های تصاویر پزشکی را از پیش رو برداشت.

یکی دیگر از کاربردهای پردازش تصاویر در پزشکی استفاده از تکنیک بخش‌بندی و آنالیز بافت است که برای تشخیص بیماری‌هایی چون سرطان و دیگر بیماری‌ها به کار می‌رود. در روش‌های جدیدتری چون PET-MRI از تلفیق و ادغام تصاویر به‌صورت گسترده‌ای استفاده می‌شود.

پردازش تصاویر در حوزه‌هایی چون بیواینفورماتیک، پزشکی از راه دور نیز کاربردهای گوناگونی دارند.

– سنجش از دور

با توجه به پیشرفت‌های اخیر در فناوری‌های سنجش از دور برای مشاهده زمین، سیستم‌های بسیاری با مشخصات و اهداف گوناگون در حال انجام این کار هستند. داده‌های حاصل از این پایش‌ها بسیار زیاد و پیچیده است و تحلیل آن‌ها به‌صورت سنتی دشوار و حتی می‌توان گفت ناممکن است.

ورود تکنیک‌های پردازش تصویر به این حوزه کار را برای استفاده‌کنندگان از سیستم‌های سنجش از دور بسیار آسان ساخته است. این تکنیک‌ها از مرحله پیش‌پردازش داده‌ها تا تحلیل نهایی می‌توانند به کار برده شوند.

– بینایی ماشین و بینایی کامپیوتر

یکی از جذاب‌ترین کاربردهای پردازش تصویر را در بینایی ماشین و بینایی کامپیوتر می‌بینیم. تقریباً در اغلب بخش‌های بینایی کامپیوتر از پردازش تصاویر و ویدئو استفاده می‌شود. برای مثال تصور خودروهای خودران بدون فناوری‌های پردازش تصویر و ویدئو ناممکن است.

 مرکز تحقیقات هوش مصنوعی پارت؛ پیشگام فناوری‌ پردازش تصویر در ایران

در چند سال اخیر در ایران نیز پیشرفت‌های خوبی در حوزه هوش مصنوعی به‌صورت کلی و پردازش تصویر به‌طور خاص، صورت گرفته است. مرکز تحقیقات هوش مصنوعی پارت از نظر منابع انسانی بزرگ‌ترین شرکت هوش مصنوعی ایران است که تاکنون سرویس‌های متنوعی در حوزه‌های مختلف این شاخه علمی و فناوری توسعه داده است.

سرویس‌های پردازش تصویر توسعه داده شده در مرکز تحقیقات هوش مصنوعی همه مراحل پردازش تصویر، از جمع‌آوری داده تا تحلیل، را در برمی‌گیرد و می‌توان از آن در بخش‌های مختلف خدمات‌دهی دولتی، شهری و خصوصی استفاده کرد.

گفتنی است محصولات مرکز تحقیقات هوش مصنوعی محدود به بخش پردازش تصویر و ویدئو نیست. این مرکز در همه فناوری‌های چهارگانه هوش مصنوعی -داده‌کاوی، پردازش گفتار، پردازش زبان طبیعی و بینایی ماشین- محصولات و سرویس‌های بومی زیادی را توسعه داده است.

کیفیت بالای سرویس‌های مرکز تحقیقات هوش مصنوعی پارت اعتماد بسیاری از شرکت‌های بزرگ و نهادهای مهم را جلب کرده است. برای مثال، سامانه احراز هویت غیرحضوری فراشناسا، به‌عنوان یکی از محصولات شاخص این شرکت در فرایند ثبت‌نام و احراز هویت سامانه‌های مهم و بزرگی چون سجام و ثنا از این سرویس استفاده می‌شود.