אורות נסיעה חכמים

חוקרים באוניברסיטת קרנגי מלון הציגו לאחרונה אבטיפוס של מערכת תאורה חכמה במיוחד לכלי רכב, העשויה להקל על השימוש היומיומי במכונית ולחולל שיפור משמעותי בבטיחות הנהיגה.

בשנים האחרונות רבות מיצרניות הרכב המובילות עושות מאמצים לשפר את ראות הנהג במכונית באמצעות הוספה של פנסים חזקים יותר (הלוגן ולאחרונה גם LED) וכן תכונות מתקדמות, כגון שילוב מערכות המסוגלות להאיר בזווית לקראת פנייה או לצמצם סנוור של כלי רכב מתקרב. מאמצים אלו נועדו בין השאר להקטין את כמות תאונות הדרכים המתרחשות בשעות החשכה (או בתנאי ראות לקויים נוספים דוגמת גשם, שלג וערפל). על פי דוח של מנהל התחבורה האמריקני משנת 2007, כ־50 אחוז מתאונות הדרכים מתרחשות בלילה, אף שרק רבע מן הנסיעות נעשות בשעות אלו.

צוות רב תחומי באוניברסיטת קרנגי מלון שבפנסילבניה עובד בשנים האחרונות על הדור הבא של מערכות תאורה לרכב – תאורה בת תכנות ברזולוציה גבוהה. המערכת המהפכנית תהיה מסוגלת למנוע סנוור ממכוניות המגיעות בנתיב הנגדי או נמצאות לפני הרכב (זאת בלי לאבד כמעט מעוצמת התאורה הכללית של הרכב וגם בעת שימוש באורות גבוהים), להאיר פניות לפני הרכב, ולמזער הפרעה של גשם, שלג ואף ערפל. נוסף על כך, המערכת תאפשר להאיר את מסלול הנסיעה בלבד במקרה של דרך בלתי מוארת או ליצור סימון דינמי של מסלול נסיעה במקרה שאינו מסומן כראוי, וכן להאיר מראש עצמים רלוונטיים בדרך (תמרורים, הולכי רגל, רוכבי אופניים ובעלי חיים בסביבת הכביש) לצורך יידוע או אזהרה. המערכת תהיה מסוגלת גם להציג מידע רלוונטי על הכביש עצמו (באמצעות תאורה), דוגמת מהירות הנסיעה או מידע לצורך ניווט. המערכת כבר הדגימה חלק מיכולות אלו בניסויים שנערכו בכבישים בארצות הברית והיא נמצאת בימים אלו בפיתוח מתקדם.

ערכנו ראיון עם רוברט טמבורו (Tamburo), המהנדס הראשי בפרויקט האורות החכמים של אוניברסיטת קרנגי מלון, כדי ללמוד יותר על המערכת ועל האפשרויות הגלומות בה.

כיצד החל פרויקט האורות החכמים?

"המעבדה שלי ושל פרופ' סריניבסה נרסימהאן (Narasimhan) חוקרת כבר יותר מעשור ראות בתנאי מזג אוויר קשים. במהלך השנים פיתחנו כלים להסרת ערפל, גשם, שלג, אבק ומים עכורים מתמונות ומסרטונים. בשלב מסוים עלה הרעיון שאפשר להשתמש בידע שצברנו כדי לסייע לנהגים לראות טוב יותר, וכך התחלנו את הפרויקט לפיתוח תאורת מכוניות חכמה בשנת 2012.

"בשלב הראשון ביצענו הדמיות כדי להראות כי הרעיונות שלנו מעשיים, ובהמשך בנינו אבטיפוס ראשוני במעבדה. המערכת הנוכחית היא כבר אבטיפוס מתקדם יותר ופועלת במהירות גבוהה פי עשרה מהדגם הראשוני. נוסף על כך, המערכת מאפשרת לבצע פעולות שלא היו אפשריות בדגם המקורי, דוגמת מניעת סנוור, הארת עצמים ספציפיים, הארת מסלול נסיעה מסוים ושיפור ראות בתנאי מזג אוויר קשים. כמו כן המערכת הדגימה בפעם הראשונה איך היא פועלת בזמן נסיעה (המערכת הקודמת הופעלה במעבדה בלבד)".

כיצד פועלת המערכת?

"בבסיס מערכת התאורה בת התכנות שפיתחנו יש מצלמת אינפרה אדום מונוכרומטית ברזולוציה של 4 מגה פיקסל, המצלמת בקצב מהיר במיוחד (180 תמונות בשנייה), מעבד רב עוצמה (למעשה מחשב אינטל בעל 8 ליבות), ומקור אור בר תכנות. המצלמה לוכדת מספר רב של תמונות ברצף המוארות על ידי הפנסים, והמעבד מסייע לנתח אותן כדי לזהות עצמים בעלי עניין, דוגמת מכוניות, תמרורים והולכי רגל, ומגיב בהתאם באמצעות הכוונת התאורה.

"באבטיפוס הנוכחי אנו עושים שימוש במקור אור המבוסס על מקרן דיגיטלי. המקרן בטכנולוגיית DLP (טכנולוגיית מקרנים נפוצה אשר פותחה על ידי חברת טקסס אינסטרומנטס), כולל 800 אלף מיקרו מראות זעירות שבהן אפשר לשלוט באופן אינדיבידואלי באמצעות המחשב, כדי לכוון את האור באופן מדויק לאזור הרצוי בכביש או בסביבתו. גם עוצמת ההארה של המקרן חזקה במיוחד – 4,700 לוּמֶנים (יותר אפילו מתאורות הלוגן המשמשות כיום בחלק מכלי הרכב; לומן הוא יחידת כמות אור), ומאפשרת ראייה למרחק רב (אנו עשינו שימוש רק בחלק מעוצמת התאורה האפשרית בניסויים).

"המערכת הנוכחית עדיין גדולה יחסית (קובייה של 45 על 45 על 30 ס"מ) אבל עם שיפורים קלים אנו יכולים להקטין אותה לגודל שייכנס לתוך החלל שבו מורכבים הפנסים של טנדר או משאית (פרויקט שאמור להיות מושלם באמצע 2015)".

כיצד פועל האלגוריתם שפיתחתם עבור המערכת?

"אנו מסוגלים לאתר מכוניות נוסעות באמצעות האורות הקדמיים והאחוריים שלהן. בימים אלו אנו עובדים על שיפור האלגוריתם כך שיאפשר זיהוי גם במצבי תאורה מורכבים".

מימין: תמונות ממרחקים שונים שצולמו מרכב כשמולו מגיע הג'יפ עם מערכת התאורה החכמה מופעלת על אורות גבוהים עם מניעת סנוור; שמאל: אותו הג'יפ עם תאורה גבוהה רגילה.
צילום: Carnegie Mellon, ILIM laboratory

כיצד אתם מזהים גשם או שלג, והאם אתם מסוגלים לעקוב אחר כל טיפה או פתית ולבצע התאמות תאורה בזמן אמת?

"המערכת שלנו אכן מסוגלת לעקוב אחר פתיתי שלג בודדים בזמן שהם נופלים לפני פנסי הרכב במהלך נסיעה. הדבר מתאפשר משום שאנו לוכדים תמונות בקצב של 1,000 הרץ. התאורה שבה אנו משתמשים היא בעלת רזולוציה מרחבית כה גבוהה וזמן תגובה כה קצר כך שאנו מסוגלים להאיר מסביב לכל פתית שלג נופל, אך לא אותו עצמו, תוך שאנו עוקבים אחריו בכל רגע נתון. העבודה הנוכחית שלנו על שיפור הארה בשלג היא בשלבים מוקדמים יחסית, וניסויים ראשונים בכביש צפויים בחורף 2015.

"המערכת מסוגלת לבצע פעולה דומה גם עבור גשם, אם כי בשני המקרים המערכת הופכת פחות יעילה במהירויות נסיעה של יותר מ־50 קמ"ש (אנו מאמינים כי ככל שנשכלל את המערכת יכולותיה בתחום זה ישתפרו ואנו בוחנים גם מנגנונים לשיפור הראות בתנאי ערפל)".

מה ההבדל בין הטכנולוגיה שפיתחתם למערכות התאורה המתקדמות ביותר כיום במכוניות היוקרה של מרצדס, וולוו, פולקסווגן וחברות נוספות?

"זה מרגש לראות את ההתקדמות שחלה בשנים האחרונות בפיתוח תאורות מתקדמות לכלי רכב. אפשר למצוא חפיפה מסוימת בין היכולות של מערכות התאורה המתקדמות ביותר בשוק לבין המערכת שאותה אנו מפתחים בכל הנוגע למניעת סנוור. ההבדל המרכזי בנקודה זו הוא הרזולוציה הגבוהה מאוד של המערכת שלנו, הכוללת מאות אלפי רכיבי הארה (בהתאם למספר המיקרו־מראות במקרן) לעומת מספר נורות בודדות בתאורות של כלי רכב קיימים, ומהירות התגובה הגבוהה של המערכת שלנו. היכולות הללו מאפשרות לנו רמת דיוק חסרת תקדים – כך לדוגמה יש לנו אפשרות להאיר רק חלק מהרכב שלפנינו כך שרובו יהיה נראה לנהג, אך למנוע סנוור שלו על ידי מניעת הארה של מראות הרכב. גם שיפור הראות בתנאי גשם, שלג, ערפל ואבק הוא ייחודי למערכת שלנו, וכך גם יכולות אחרות, דוגמת הארת מסלול הנסיעה בלבד, הארת דמויות, שילוט, חיות ורוכבי אופניים בדיוק גבוה וסימון מידע על גבי הכביש".

המערכת שלכם מאפשרת גם הצגה של מידע על הכביש באמצעות המקרן – כיצד הדבר פועל ואילו עוד יישומים יכולים להיות לטכנולוגיה?

"המחקר בנושא הצגת סימונים על הכביש (כולל סימון הפרדה מסלולית במקום שבו הדבר לא קיים או לא ברור, ומידע על אודות הדרך, בדומה לזה המוצג על ידי תוכנות ניווט) נמצא בימים אלו בשלבי פיתוח. הדגמנו את הרעיון של שימוש בחצים על הכביש והצגת מהירות הנסיעה של הרכב ואנו עובדים על אינטגרציה של מידע מתוכנת ניווט לתוך המערכת, כך שהנהג לא יצטרך להסיר את עיניו מהכביש בזמן ניווט.

"מלבד תאורה למכוניות, אנו מאמינים כי יש יישומים רבים אחרים לטכנולוגיה שאותה פיתחנו. מדובר על מערכת המסוגלת 'לראות' עצמים בסביבתה ולהגיב אליהם באמצעות תאורה חכמה ברזולוציה גבוהה. נוסף על כך מדובר בתהליך מהיר במיוחד – מזיהוי האובייקט ועד ההארה עוברות לערך 2 אלפיות שנייה בלבד (!). כדי להדגים את יכולות המערכת הצגנו ניסוי שבו כדורי פינג פונג נעים במהירות בחדר חשוך – המערכת מזהה אותם תוך כדי תנועה באוויר ומאירה אותם ברצף ובכך מאפשרת למצלמה פשוטה לצלם אותם (במקום לעשות שימוש במצלמה ובמערכת תאורה מורכבת ויקרה הדרושה למשימה זו בדרך כלל).

מתי אנו צפויים לראות את המערכת במכוניות על הכביש?

"הטכנולוגיה עדיין בשלבי פיתוח. במהלך המחצית הראשונה של 2015 נבחן מערכת שתותאם למשאית ואנו מקווים שבמהלך השנתיים הקרובות נסיים פיתוח של גרסה קטנה ומהירה יותר של המערכת. במקביל אנו בודקים את האפשרויות בכל הנוגע לשיווק מסחרי של התאורה החכמה".