חלוץ הראיה הממוחשבת פרופ' שמעון אולמן זכה בפרס ישראל

הפרס ניתן לו עבור תרומותיו מרחיקות הלכת בבינה מלאכותית וקוגניציה בכלל, ובתחום הראיה הממוחשבת בפרט וכן על תרומתו המשמעותית לפיתוח התעשייה עתירת הידע בישראל

חתן פרס ישראל לשנת תשע"ה בתחום חקר המתמטיקה וחקר מדעי המחשב הוא פרופ' שמעון אולמן

משרד החינוך הודיע הערב על זכייתו של חתן פרס ישראל בתחום חקר המתמטיקה וחקר מדעי המחשב פרופ' שמעון אולמן. ועדת הפרס התקיימה בראשות פרופ' נוגה אלון.

בנימוקי הועדה של הפרס ציינו השופטים כי: הועדה החליטה, פה אחד, להמליץ על פרופ' שמעון  אולמן לפרס ישראל בחקר מדעי המחשב, עבור תרומותיו מרחיקות הלכת בבינה מלאכותית וקוגניציה בכלל, ובתחום הראיה הממוחשבת בפרט וכן על תרומתו המשמעותית לפיתוח התעשייה עתירת הידע בישראל.

פרופ' נוגה אלון שימש כיו"ר ועדת הפרס ולצידו חברי  הועדה –  פרופ' דוד הראל, פרופ' ורדה ליברמן ופרופ' מינה טייכר.

בתקופת בית הספר היו לשמעון אולמן שני תחומי התעניינות עיקריים – מדע וטייס. עם הגיוס, אף שקצין המיון המליץ בפניו על המשך לימודים בשל ציוני הסיום שלו שהיו הגבוהים באותו מחזור, הוא העדיף לדחות את תחילת הלימודים, ולהתמסר תחילה לתחום הטיסה. בשנת 1967 סיים את קורס הטייס במגמת קרב. תקופת השרות, עד שחרורו ב 1970, הייתה תקופה סוערת ועמוסה לחיל האוויר, במהלכה השתתף ש.א. בפעילות מבצעית רבה. אחת הפעולות זיכתה אותו בתעודת הערכה ובה נאמר: ’ברצוני להביע לך הערכתי… על ביצוע נאה של חילוץ מטוסך שנפגע בשטח האויב בעת תקיפת סוללות SA-2. במעשה זה פעלת בקור רוח, ידעת לנצל את הידע והניסיון שרכשת… והצדקת את כול התקוות שתלינו בך. ‘

את לימודי התואר הראשון התחיל אולמן באוניברסיטה העברית בירושלים זמן קצר לפני שחרורו, בשילוב מתמטיקה (חוג מואץ) ופיזיקה. במהלך שנת הלימודים הראשונה, התעורר אצלו עניין בחקר המוח, ולכן צרף החל מהשנה השנייה חוג לימודים נוסף, בביולוגיה. את התואר הראשון סיים ב-1973 במתמטיקה, פיזיקה וביולוגיה בהצטיינות יתרה.

עם סיום התואר הראשון החל בלימודי דוקטורט במכון הטכנולוגי במסצ'וסטס (MIT) שבבוסטון, ארה"ב, במעבדה לאינטליגנציה מלאכותית במחלקה למדעי המחשב. תחום זה, ששבה את דמיונו של אולמן עוסק בתחום מדעי המחשב הקרוב לחקר המח וחקר החשיבה האנושית. זמן קצר לאחר פתיחת הלימודים חזר לישראל, ביומה הראשון של מלחמת יום כפור. לאחר מלחמה קשה, שב וחזר לספסל הלימודים ב-.MIT את לימודי הדוקטורט עשה בהדרכתו של David Marr, שהחל להתפרסם באותה תקופה כאחד מחשובי החוקרים בראייה ממוחשבת ובתחום המודלים המתמטיים והחישוביים של המוח. תחום המחקר של ש.א. בתקופת הדוקטורט היה מודל חישובי של ראיית תנועה, וראייה תלת-ממדית מבוססת על תנועה. בין היתר פותח בעבודה זו האלגוריתם הראשון לחילוץ המבנה התלת-ממדי של גופים בתנועה מתוך שדה המהירות של תמונתם הדו-ממדית (3-D structure from motion). נושא זה זכה להכרה רחבה ולפיתוחים תיאורטיים ומעשיים רבים הנמשכים עד היום.

פתרון בעיית התפישה המרחבית של גופים בתנועה עורר עניין ניכר גם בתחומים רחבים יותר של חקר התפישה והמדע הקוגניטיבי. הסיבה נובעת מכך שהמחקר הצביע על סוג של העדפות והנחות על העולם הטבועות במוח האנושי, ומאפשרות לפרש את הסביבה באופן נכון ויעיל גם במקרים שאין להם פתרון יחיד. במקרה של תמונה המשתנה עם הזמן, הניתוח הראה שבאופן תיאורטי נתן לפרש את התמונה באופנים שונים, אך הפיתרון הופך יחיד ונכון כמעט בכול המקרים על ידי העדפה של גופים קשיחים ככול האפשר. מחקרים ניסיוניים תמכו במסקנה כי העדפה כזו מוטבעת, כנראה מלידה, במנגנון הראייה האנושי. מאמר המתאר מחקר זה נבחר בשנת 2000 על ידי ה-Millennium Project במשאל מדעי בניהול אוניברסיטת מינסוטה לרשימת 100 העבודות הנבחרות במאה ה-20 במדע הקוגניטיבי.

המחקרים שנעשו על ידי ש.א. במהלך הדוקטורט והשנתיים הבאות פורסמו בספר בשם:

The Interpretation of Visual Motion, שיצא לאור בהוצאת MIT Press ב-1979, ובתרגום לרוסית ב-1984. הספר נבחר לאחרונה להוצאה מחודשת בסדרה בשם  .MIT Press Classics הספר נסקר במספר רב של עיתונים מדעיים (כולל Nature). המדען הבריטי Christopher Longuet-Higgins, אולי בכיר החוקרים בתחום באותה תקופה כתב:

‘In a review of this length one cannot possibly do justice to the precision and penetration of his thought, except to remark that it sets new standards in the construction of theories of vision’.

באותה תקופה, עד שנת 1980, כיהן אולמן במשרת חוקר(Principal Research Scientist)  במעבדה לאינטליגנציה מלאכותית ב MIT.  בשנת 1981 מונה לפרופסור חבר במחלקה למדעי המוח והקוגניציה  (Brain and Cognitive Sciences) ב-MIT, במעבדה לאינטליגנציה מלאכותית, ובשנת 1982 הפך המינוי לקבוע (Tenure). באותה תקופה החל גם הקשר הראשון עם מכון וייצמן למדע ברחובות. הוא בילה במכון תקופה של כשישה חודשים, יצר קשרים מדעיים והניח יסוד לשובו באופן חלקי לישראל. ב-1982 קיבל מינוי כפרופסור חבר במכון וייצמן במקביל למנויי ב-.MIT

במהלך השנים הבאות המשיך אולמן במינוי כפול, במקביל, ב-MIT ובמכון וייצמן, ובשנת 1986 הפך לפרופסור מלא בשני המוסדות. מרכז העבודה הייה תחילה יותר ב-MIT אך במהלך הזמן עבר יותר ויותר לישראל, וב-1993 סיים באופן סופי את מינויו בארה"ב.

במשך שנות ה-80 עסק אולמן בפיתוחו וביסוסו של תחום הראייה הממוחשבת בישראל. בתמיכת משרד המדע ומפא"ת הוקם במכון וייצמן מרכז לבינה מלאכותית וראייה ממוחשבת. במסגרתו ובעזרתו נערכו מחקרים, הגיעו מדענים אורחים ואורגנו כנסים ישראליים ובין לאומיים. מספר ניכר של סטודנטים החל ללמוד בתחום ולהמשיך לתארים מתקדמים בארץ ובחו"ל. בהדרגה נפתחו והתבססו קבוצות מחקר בתחום במוסדות אקדמיים נוספים, כולל מירב האוניברסיטאות והטכניון, שהפכו את ישראל למובילה עולמית בראייה ממוחשבת.

מבחינה מחקרית, הדגש בעבודתו של ש.א. עבר משך השנים משטח שנקרא "תחום הראייה הנמוך" אל "תחום הראייה הגבוה"  (High-level vision). בתחום הנמוך, הדגש הנו על בעיות כגון ראיית עומק, תנועה, גלויי שפות ועוד. בתחום הגבוה, הדגש עובר להבנת התמונה, ובפרט סווג וזיהוי עצמים. הבעיה של זיהוי אוטומטי של עצמים בתמונה הינה מבעיות היסוד בתחום הראייה הממוחשבת, ובחקר החשיבה בכלל. היא זכתה לתשומת לב רבה ופרסומים באלפי מאמרים, אך ההתקדמות הבסיסית בתחום הייתה מוגבלת עד לשנים האחרונות. הבעיה הבסיסית הינה שתמונות של עצם בתמונה כגון ’כלב‘ או של אדם מסוים הן רבות ושונות מאוד זו מזו. הכרה אוטומטית של עצמים מחייבת לכן מציאת המשותף לכל התמונות השונות, ובטול השפעתם של גורמים מפריעים כגון התאורה בתמונה או זווית הצפייה של העצם. זו דוגמה מובהקת לסוג של חישוב שמוח האדם מסוגל לבצע בדיוק וביעילות, בניגוד למחשבים ולשטות חישוב קיימות המתקשות מאוד בבצוע דומה של המשימה.

עבודת המחקר של ש.א. בתחום הראייה הגבוה עד 1996 פורסמו בספרו ‘High-level Vision’ בהוצאת MIT Press. הספר הפך למרכזי בתחום, וביקורת הספר בעיתון Nature נאמר בין היתר:

‘These contributions are so varied and important, and conveyed with such crystalline logic and precision, that the global view is inescapable.’

בעקבות עבודתו של ש.א. ומספר חוקרים נוספים התרחב מאוד העיסוק בתחום זה של הראייה הממוחשבת. לפני עשר שנים, הרוב המכריע של העבודות בכנסים המרכזיים היה בתחומי הראייה הנמוכים, וכיום חלק גדול בהרבה מוקדש לתחום הגבוה.  מבחינת עבודתו של ש.א., הספר משנת 1996 הצביע על שתי בעיות מרכזיות פתוחות. האחת הינה בעיית הסיווג הכללי, בניגוד לזיהוי ספציפי. האלגוריתמים שפותחו עד אותה תקופה הביאו לתוצאות טובות בזיהוי עצם ספציפי כגון מכונית מדגם ידוע, אך כשלו בהפרדה בגילוי מכונית כלשהי, או הפרדה בין מחלקות שונות כגון כלב מול חתול מצד אחד, לכלבים ולחתולים יש אין ספור מראות שונים. מצד שני, הדמיון הוא רב, לשניהם ארבע רגליים, זנב וראש, שתי עיניים, אוזניים, אף ופה, ולכן ההפרדה החזותית ביניהם, ובין מחלקות דומות של עצמים באופן כללי, מעלה בעיות עקרוניות קשות. הבעיה השנייה נקראת סגמנטציה או הפרדה, ועיקרה הפרדה אוטומטית מדויקת בין גוף לרקע בתמונה. עבודותיו של ש.א. על בעיות אלו בשנים האחרונות הביאו לפיתוח גישות חדשות ולהתקדמות בפתרונן, הן מהבחינה החישובית הבסיסית והן מהבחינה המעשית.

למחקר של בעיות אלו היו שתי השלכות כלליות נוספות. האחת היא לנושא למידה במערכות ראייה. פתרון מלא לבעיית הסיוג, למשל, דורש לא רק פיתוח שיטת סיווג יעילה אלא גם מנגנון למידה. כפי שילד יכול ללמוד מניסיונו לסווג ולהכיר עצמים חדשים, המטרה היא לפתח אלגוריתמים שיוכלו ללמוד מעצמם, ללא תכנות מפורט, להכיר מחלקות חדשות של עצמים מאוסף מוגבל של דוגמאות.

השלכה כללית שנייה הינה לתחום חקר המוח. חלק גדול של המוח האנושי עוסק בעיבוד אותות עצביים שמגיעים אליו מהעיניים, להבנת התמונות שאנו רואים. הבנת תהליכים אלו מהווה תחום מרכזי בחקר המוח בו עוסקים אלפי חוקרים ברחבי העולם. המחקרים החישוביים של ש.א. הביאו לפיתוח מודלים חדשים לייצוג אינפורמציה ותהליכי עיבוד בקליפת המוח הראייתית. מודלים אלו היוו בסיס למחקרים פיזיולוגים בחקר המוח במעבדות בארה"ב, אירופה ויפן, וכן בישראל במכון וייצמן ובאוניברסיטה העברית.

בתקופה האחרונה ש.א. הרחיב את תחום פעילותו המחקרית לחקר תפקידה של מערכת הראיה בהתפתחות הקוגניטיבית והקשר בין מנגנונים מולדים לתהליכי למידה במערכת הראיה, בפרויקט מחקר נרחב (בשם ‘Digital Baby’) שזכה לתמיכת ה- .ERC Advanced Grants

במהלך השנים הדריך ש.א. 30 עבודות דוקטורט ו 34 תיזות למסטר במדעים, ב- MITובמכון וייצמן. תלמידיו הפכו לאנשי סגל בארץ (מכון וייצמן, אוניברסיטה עברית, טכניון, המרכז הבין תחומי) ובחו"ל (כולל (Cornell, Harvard, MIT, Irvine, U. of Toronto, Wellesley, McGill, ואנשי תעשייה מתקדמת בחברות שונות.

במקביל למחקר המדעי הבסיסי עסק אולמן בתחומי שימוש מעשיים של הראייה הממוחשבת ופיתוח תחום זה בישראל. בתחילת עבודתו כחוקר ב-MIT היה שותף עם שלושה חברים לדרך ששהו אז בבוסטון להקמת חברת אורבוט שעסקה בפיתוח ויצור מערכות לבדיקה חזותית של מעגלים מודפסים. עם השנים, החברה גדלה, התמזגה עם חברה נוספת, ליצור יחד את חברת אורבוטק של היום. עד לאחרונה, שימש אולמן כמדען ראשי של החברה. במהלך השנים היא התרחבה לתחומים נוספים, ולמרות תחרות בינלאומית עזה הפכה למובילה העולמית בתחומי פעילותה. תחום המומחיות של אורבוט משך לארץ את חברת הענק Applied Materials מקליפורניה, שהקימה ברחובות על בסיס חברת בת שרכשה מאורבוט את חטיבת ציוד הבדיקה העולמית שלה. במשך חמש שנים כיהן ש.א. כמדען ראשי בחטיבת המוצרים החדשים של Applied בישראל ועזר לפיתוחה וביסוסה. בזכות חברות אלו וכמה אחרות, המייצאות כיום בקרוב לביליון דולר לשנה ומעסיקות כמה אלפי מועסקים, ישראל  היא כיום מדינה מובילה, שנייה רק לארה"ב בתחום התעשייתי של הראייה הממוחשבת.

במהלך השנים האחרונות הקדיש אולמן חלק מזמנו לנושאים הקשורים למדיניות ההשכלה הגבוהה בישראל, בעקר כחבר במועצה להשכלה גבוהה, וועדות נוספות כגון ועדת שוחט. במל"ג הוא עוסק בפרט בתחום המצוינות במחקר במסגרת הוועדה לביקורת איכות במוסדות האקדמיים, ובחינוך טכנולוגי במסגרת הועדה לתוכניות טכנולוגיות.

אולמן זכה בפרס ע"ש David Rumelhart  לשנת 2008. הפרס, בסך 100,000$  הינו הפרס הבינלאומי המרכזי בתחום המדעים הקוגניטיביים. כחלק ממתן הפרס נערך דיון בעבודתו של המועמד בכינוס השנתי של החברה למדע קוגניטיבי, ומוקדש גיליון מיוחד של העיתון Journal of Cognitive Science. הפרס ניתן על תרומת המודלים החישוביים של אולמן בחקר הראייה בפרט והמדעים הקוגניטיביים בכלל. בנוסף ש.א. כיהן כ-Hilgad Scholar באוניברסיטת סטנפורד. לאחרונה נבחר להצטרף לאקדמיה הישראלית למדעים ואומנויות וכן זכה בפרס אמת לשנת 2014.