Derya Akkaynak sualtı görüntülemede çığır açacak teknolojiyi anlattı

Dr. Derya Akkaynak'tan sualtı görüntülemede devrim yapacak teknoloji

ABD, Florida’daki Harbor Branch Oşinografi Enstitüsü’nden Dr. Derya Akkaynak, çığır açan bir sualtı görüntü modellemesi geliştirdi. Bu sayede sualtında çekilen fotoğraflar, sanki karada çekilmiş gibi net oluyor. Arkeolojiden jeolojiye, sualtı fotoğrafçılığından cep telefonu kameralarına kadar birçok alanı etkileyecek bu çalışmasıyla Blavatnik Genç Bilim İnsanı Ödülü’nü kazanan Akkaynak ile söyleşi gerçekleştirdik.

• Derya hocam, sualtında çekilen fotoğrafları niçin bulanık görüyoruz? Geliştirmiş olduğunuz Sea-thru bu bulanıklığı nasıl gideriyor?

Bulanık görmüyoruz aslında, monoton görüyoruz. Sualtında çektiğimiz bir fotoğraf, aslında birbirine üst üste eklenen iki ana fotoğraftan oluşuyor. Bunların birincisi, fotoğrafını çekmeyi istediğimiz sahnenin (mesela bir ahtapot) renkleri solmuş hali. İkincisi, fotoğraf makinesiyle ahtapot arasındaki sis perdesi. Çektiğimiz fotoğraflarındaki monotonluğun sebebi o renkli sis perdesi. Kamerayla ahtapot arasındaki mesafe ne kadar fazlaysa o sis perdesi o kadar baskın oluyor. Tamamen mesafeye bağlı, o yüzden daha iyi fotoğraflar çekmek istiyorsanız, ahtapota olabildiğinizce yakın olmanız lazım. Resimleri düzeltirken de önce her piksel için sis perdesini hesaplayıp fotoğraftan çıkarıyoruz. Onu çıkardıktan sonra elimizde ahtapotun olduğu birinci parça kalıyor. Onu da çıkarma işlemiyle değil, piksel bazında uyguladığımız bir logaritmik işlemle esas renklerine kavuşturuyoruz. İşin zorluğu, her düzeltmenin fotoğraf bazında değil, piksel bazında olması.

• Peki ama Sea-thru’nun yaptığı netleştirmeyi fotoğraf düzenleme programlarıyla yapamaz mıyız?

En sık karşılaştığım yorum: “Ben bunu Photoshop’ta da yaparım”. Tabi bunu söyleyenler, işin ana fikrini hiç anlamamış oluyor. Photoshop’da (sübjektif olarak) her şey yapılabilir, bir resmi doğru renklerle piksel piksel boyayabilirsiniz. Ama yüzlerce, binlerce, on binlerce fotoğrafı tutarlı şekilde tek tek elle işleyemezsiniz. Kaldı ki bahsettiğim (mesafeyle artan) sis perdesini kaldıracak bir araç Photoshop’ta şu an yok. Ona en yakın araç, atmosferdeki sis kaldırmak için (yine benimki gibi bir bilgisayarla görme algoritmasından uyarlanan) “dehaze” seçeneği. Ama o sualtı fotoğraflarında çalışmaz, çünkü ışığın havada uğradığı değişimle sualtında uğradığı değişim aynı denklemle ifade edilemiyor. Bugüne kadarki bütün algoritmaların başarısızlığının sebebi de buydu zaten.

• Diyelim ki bir mercan resifinin fotoğrafını çekiyoruz. Bu teknoloji sayesinde o resifin tamamen doğal rengini mi yakalamış oluyoruz? Yoksa bir tür photoshop işlemi yapılmış gibi yapay renkler mi elde edilmiş oluyor?

Renkler kesinlikle doğal ve tutarlı. Bununla birlikte Photoshop’la yapıldığı gibi sübjektif değil. Ama renklerin ne kadarının geri gelebileceği, çektiğiniz ortamdaki ışığın miktarına da bağlı. Mesela 150 metre derine, ışığın olmadığı bir yere giderseniz, Sea-thru bir mucize yaratıp karanlığı aydınlatamaz. 30 metre derinde ışığın kırmızı dalga boyları yok olduysa, diğer renkleri geri getirebilir ama orijinal fotoğraftan olmayan kırmızı sinyali geri getiremez. Yani tamamen fizik kuralları içinde çalışıyor.

“Deniz bilimlerinde yapay zekâ patlamasının başlangıcı”

• Scientific American’a verdiğiniz demeçte, Sea-thru için “Deniz bilimlerinde yapay zekâ patlamasının başlangıcı” tanımını kullanıyorsunuz. Oldukça iddialı.

Bu iddiamı savunmak için sizinle şöyle bir bilgi paylaşayım. Bilgisayar bilimleri alanında yayın yapılan en prestijli yer, CVPR (Computer Vision and Pattern Recognition) isimli senelik konferanstır. Baştan sona bitmiş makaleyle bu konferansa başvuruluyor, en az 3 hakem makalenizi okuyup karar bildiriyor ve kabul edilmek epey zor. Gönderilen makalelerini yaklaşık %22’si kabul oluyor. Etki açısından CVPR’nin aldığı senelik atıf, bilimsel dergilerin başını çeken Science ve Nature’dan yüksek. Geçtiğimiz 6 sene içinde CVPR’da 5360 tane makale yayınlanmış. Bunların içinde sadece 5’inin içinde sualtı (yani underwater) sözcüğü geçiyor. Bu 5 tanenin 3 tanesi de benim yazdığım Sea-thru ve ona giden yolu açan 2 makale. Yani bugün bilgisayar bilimlerinde çığır açan her 1000 makalenin sadece 1’i sualtı görüntüleme konusuyla ilgili. Neden böyle peki? Sualtı görüntülemede çok az araştırmacı çalıştığı için mi? Veya sualtı görüntüleme önemsiz bir dal olduğu için mi? Kesinlikle hayır! Aksine, sualtı görüntüleme hiçbir zaman bugün olduğundan daha önemli bir alan olmadı. Bu kadar az makale olmasının sebebi, klasik bilgisayarla görme ve öğrenme yöntemlerinin, mavi-yeşil perde altında kalan sualtı fotoğraflarında çalışmaması. Yani sualtı görüntüleme alanından şu ana kadar duraklama dönemini yaşıyorduk, bunun sebebi sualtı fotoğraflarındaki renkleri, tutarlı olarak geri getiremiyor olmamızdı. Sea-thru bu problemi yüzde yüz çözmüş olmasa da bizi çözüme ilk defa çok yaklaştırdı. O yüzden de bizi duraklama döneminden çıkarıp yapay zekâ dönemine geçireceği konusunda iddialıyım. Hatta piyasaya çıktıktan sonra bir sene kadar kısa bir zamanda bile o kadar alışmış olacağız ki “Aaaa eskiden sualtı fotoğrafları böyle maviydi değil mi” diye şaşıracağız.

• Benzeri bir teknoloji var mıydı yoksa bir öncü mü?

Elbette vardı. 1990’larda dijital kameralar ve sualtı kılıfları ucuzlayıp hayatımıza girdiğinden beri sualtında çekilen fotoğrafların renklerini geri getirmek önemli ve zor bir problemdi. Bunu çözmek için her sene bir düzine algoritma yayınlanıyor. Fakat bunların hiçbirisi tutarlı çalışmıyor. Çünkü hemen hepsi, yanlış (atmosfer için formüle edilmiş) bir görüntü oluşma modelini kullanarak bu renkleri geri getirmeye çalışıyor, hem de kullandıkları modelin yanlış olduğunu bilmeden.

• Siz de bunun üzerine doğru formülasyonu bularak sualtı fotoğraflarını çözen bir model geliştirme gereği duydunuz sanıyorum.

Evet. Çünkü ben de 2015 yılında doktora sonrası çalışmalarıma bu eski algoritmaları kullanarak (daha doğrusu kullanmaya çalışarak) başlamıştım. Bir türlü istediğim sonuçları alamıyordum. “Yahu, bu renkler neden hep tutarsız? Acaba modelde mi bir acayiplik var?” diyerek kafamı kaşıya kaşıya herkesin kullandığı görüntü oluşma modelinin aslında atmosferde çekilen fotoğraflar için formüle edilmiş olduğunu ve sualtında kullanıldığında büyük hatalara yol açtığını keşfettim. Sualtına özel yeni modeli formüle ettim (“Akkaynak-Treibitz modeli”) ve 2018 senesinde CVPR’de yayınladık. Bu yeni model, önceki modelin yok saydığı pek çok değişkeni içeriyor. Yani renkleri geri getirmek için önemli olan etkenlerin neler olduğunu bile bilmiyormuşuz; önceki teknolojilerin aslında hiçbir şansı yokmuş.

“Fizik doğru ifade edilince algoritmanın karmaşık olmasına gerek kalmıyor.”

• Akkaynak-Treibitz modelinden bahsettiniz. Burayı biraz açabilir misiniz? Sea-thru’nu arkasında nasıl bir teknoloji yatıyor?

En çok varsayılan şey, yapay zekâ algoritması olduğu ama değil. Bir öğrenme yok. Sea-thru bir bilgisayarla görme algoritması ama ortada bir programlama mucizesi de yok. Çalışmasını sağlayan şey, fizik kurallarının doğru kullanan Akkaynak-Treibitz görüntü oluşma modeli. Bu model, sualtında ışığın nasıl ilerleyip, kamera sensöründe bir fotoğrafın nasıl oluştuğunu temsil ediyor. Bu modelin altı adet önemli değişkeni var. Bunlar, ışığın suda uğradığı değişimin bir yönünü temsil ediyor, her piksel için belli bir fonksiyonun optimizasyonunu yaparak o parametreleri hesaplıyor, sonra onları denkleme koyup ışığın kaybolma sürecini tersine çeviriyor. Kulağa basit gibi geliyor, çünkü öyle – fizik doğru ifade edilince algoritmanın karmaşık olmasına gerek kalmıyor.

• Patentini de aldınız sanıyorum. Ben hep şunu merak ederim; bilim insanları emek harcadıkları buluşlarından para kazanabiliyor mu yoksa aslan payı şirketlere mi kalıyor?

Ticari olarak değeri olacak bir yazılım olduğunu anladığımızda patent başvurusunu makale yayımlanmadan yaptık. Mucitleri, ben ve Tali (Treibitz) hocayız ama patentin sahibi Hayfa Üniversitesi ve ona bağlı Carmel ve SeaErra şirketleri, yani algoritmanın ticari geleceğini, patentin kime lisanslanacağını üniversite belirleyecek ve gelecek gelirden en büyük payı üniversite ve bu şirketler alacak. Bu pek çok yerde böyle oluyor. İşe başladığınız ilk gün size imzalatılan kağıtlardan birinde, tüm buluşlarınızın üniversiteye ait olacağı maddesi de yazıyor. Siz o ilk gün bunu fark etseniz de iş işten geçtiğinde yapacak bir şey yok. Patent almanın masrafı on binlerce dolar. İşte üniversite o masrafları karşılıyor, mucitlere de ileride gelecek gelirden, teselli ikramiyesi şeklinde, az bir pay veriyor ama geri kalan kâr ona kalıyor. Bir anlamda, 3-4 senelik alın terinizi üniversiteye hediye etmiş oluyorsunuz. Ya da şirket kurup, kendi patentinizin lisansını alıp, ürününüzü geliştirip satabilirsiniz, o zaman daha yüksek getirisi oluyor ama akademiyi bırakıp tam zamanlı iş hayatına atılmanız lazım ya da güveneceğiniz bir iş ortağı bulmanız lazım. Beni heyecanlandıran kısım bilim olduğu için o kısmına girmedim. Ama daha kariyerimin başındayım, ticari değeri olan son projemin Sea-thru olacağını sanmıyorum, ileride belki de girerim.

Birçok alanı etkileyecek; toplumsal faydası da var

• Geliştirmiş olduğunuz teknolojinin etki alanını merak ediyoruz.

Bilimsel olarak deniz biyolojisi/ekolojisi, arkeoloji, jeoloji, bilgisayar bilimleri, iklim bilimleri; ticari olarak amatör veya profesyonel sualtı fotoğrafçılarını, sualtı belgeseli çeken şirketleri, savunma sanayiini, petrol ve maden şirketlerini, cep telefonu ve fotoğraf makinesi üreticilerini, fotoğraf makinelerine sualtı kılıfı üreten şirketleri ve Adobe gibi resim düzenleme yazılımları satan şirketleri etkiliyor.

• Yanlış anlamadıysam Sea-thru, deniz altında çekilen fotoğrafları, sanki karada çekilmiş gibi gösteriyor. Bunun sağladığı avantaj/kolaylıklar neler?

Suya bağlı yeşil/mavi perde kaldırılıp, kaybolan renkler ortaya çıktığında, fotoğrafın içinde ne var ne yok otomatik olarak analiz edilebilecek. Bunları sayacak, tasnif edecek vb yapay zekâ algoritmaları geliştirebileceğiz. Şu an için iki sebepten ötürü sualtı fotoğraflarına (tutarlı olarak) yapay zekâ uygulayamıyoruz: birincisi halihazırdaki yapay zekâ algoritmalarının karada çekilmiş fotoğraflardan “öğrenmeleri” ve sualtı fotoğraflarındaki mavi/yeşil perde ile renk bozulması yüzünden tamamen şaşırmaları, ikincisi de yapay zekâ algoritmalarını sualtı fotoğraflarıyla eğitmek için dünyanın her yerindeki gerçek sualtı koşullarını temsil edecek fotoğraf elde etmenin lojistik olarak imkânsız olması. Sualtı fotoğraflarından suyu çıkarmanın en büyük avantajı ise deniz bilimlerini hızlandırması olacak. Hiç denizle ilginiz olmasa da televizyonda bir sualtı belgeseli seyrettiğiniz zaman bambaşka bir dünya göreceksiniz. Denizler hakkında bilgi sahibi olmak onları bilinçli olarak korumamıza da yol açacak. Yani umuyorum ki bilim insanlarına sağlayacağı kolaylıkların yanında toplumsal bir etki de yapacak.

“Tek kullanımlık plastikler yasaklanmalı; kanunu beklemeden vatandaş olarak yapabileceğimiz çok şey var.”

• Bu teknolojiden bağımsız olarak soracağım: Sualtındaki plastik kirliliği hakkında ne düşünüyorsunuz?

Her yerde plastik var. Ve buna bağlı görüntü kirliliğin dışında, parçalanmış mikro plastik, hayvanların midelerinden bizim içtiğimiz suya kadar her şeyi içinde. Yüzyıllar, belki de bin yıllarca da yok olmayacak. Tek kullanımlık plastik daha 30 sene önce bu kadar hayatımızı teslim almış değildi, şimdi hiç düşünmeden suyu içip şişesini atıyoruz, bazı kişiler, evde bulaşık çıkmasın diye plastik tabak çatalla yemek yiyor her akşam. Kullanıp attığımız plastiğin gerçek maliyetini ödemediğimiz için de bir saniye bile düşünmüyoruz o su şişesini satın alıp sonra atarken. O maliyeti bizim çocuklarımız, torunlarımız faiziyle ödeyecek, hayat kalitelerindeki düşüş, kirlenmiş doğal kaynaklar ve boğuşacakları hastalıklarla. Tabii ki devletin bir vizyonu olup, plastik torbalarda olduğu gibi, tek kullanımlık plastik tabak, çatal, kamış, bardak vs. tüketimini azaltmayı destekleyecek uygulamalar yapması lazım. Ama bizim vatandaş olarak devleti beklememize gerek yok; herkes çantasında evinden getirip götüreceği çatal-bıçak-kaşık, bir kumaş peçete ve bir su matarası taşıyabilir. Ben işyerime de evden el havlusu götürüyorum, çünkü kampüsteki tuvaletlerde kullanılıp atılan, çöpleri dolduran kâğıt peçeteleri görünce sinirlerim bozuluyor. ABD tabii ki tüketme kültürü sayesinde var olan bir ülke, benim evden havlu götürmüş olmam çok acayip, çağdışı, “uncool” bir hareket olarak karşılanıyor.

• Sea-thru’nun ekolojik farkındalığa katkıda bulunacağını düşünüyor musunuz?

Bize sualtıyla ilgili daha çok şey gösterip, merak uyandırıp yeni bilgiler edinmemizi sağlayacağı için düşünüyorum.

• Şimdi biraz geriye dönelim: Son üç buçuk, dört yılınızı bu teknolojiyi geliştirmek için harcadınız. Tek başına mı çalıştınız yoksa bir ekip çalışması mıydı?

3.5 sene boyunca tüm teoriyi ben ve Tali hoca beraber geliştirdik. Yazılım kısmını tamamen ben yaptım. Sualtı deneylerinde pek çok arkadaşım benimle veya benim için dalarak veri toplamama yardımcı oldu. Emeğin büyük kısmı bana ait ama Tali hocanın kurmuş olduğu, tamamen sualtı görüntüleme üzere çalışan laboratuvarın, bana sağladığı maddi, teknolojik, lojistik ve bilimsel destek olmasa bugün gördüğünüz sonuçları bu kadar çabuk elde edemezdik.

• Bu dört yıldaki çalışmalarınız nihayete erene kadar gereken fonu kim karşıladı?

Bu çalışmaların hepsini Hayfa Üniversitesi’nin ve Eilat’taki sualtı araştırma laboratuvarının verdiği doktora sonrası bursla yaptım.

• Bu sizin bugüne kadarki tek çalışmanız değil. Üzerinde çalıştığınız başka ne gibi teknolojiler var?

Sualtı dünyasını hayvanların gözüyle gören bir kamera üzerinde çalışıyorum. Sualtı şartlarında ışık, bizim için olduğundan çok farklı, çok monoton olduğu için onların o hayatı nasıl tecrübe ettiğini merak ediyorum. Eğer mavi/yeşil ışık yüzünden hayvanlar da her şeyi monoton görüyorsa, neden denizin dibinde her şey halen renkli ve gri değildi? O renkler kimin için? Ne amaca hizmet ediyor?

• 

  Dr. Derya Akkaynak’ın bilimsel kariyerinize baktığımızda ODTÜ Uzay Mühendisliği’ni birincilikle tamamlayan, ardından yüksek lisans ve doktorasını M.I.T’de vererek çalışmalarını Florida Atlantic Üniversitesi’ne bağlı Harbor Branch Oşinografi Enstitüsü’nde sürdüren genç ve başarılı bir bilim insanıyla karşılaşıyoruz.

  Peki, niçin su altı görüntüleme ve gözlemleme problemleri üzerinde uzmanlaşmaya karar verdiniz? Bir eksiklik ve açık mı gördünüz?

İlla ki denizle ilgili bir iş yapmak istediğim için ve fotoğraflar, yaptığınız çalışmanın sonucunu, soyut olarak değil de gayet somut ve çekici olarak yansıttığı için kendimi görüntüleme üzerine yoğunlaşmış buldum.

• Ortak yazarlı makalelerinizin Science Mag ve Royal Society Open Science başta olmak üzere birçok önemli dergide yayımlandığını görüyorum. Atıf sayıları nedir?

2013 yılında beri hakemli dergilerden yayınlanmış yaklaşık 30 tane makalem var, toplam 376 atıf almışım, 11 tane makalem 11’den fazla atıf almış (h-index) ve 12 tane de en az 10 adet atıf almış makalem var (i10-index). Rektör olabilir miyim sizce?

“Çocuğunuzu bırakın sevdiği işleri yapsın!”

• Deniz altı ilk olarak ne zaman ilginizi çekmeye başladı? Çocukluğunuza dayanan bir merak hikâyesi var mı?

Yetişkin olarak hayatıma yön veren deniz tutkum çocukluğumun Urla’da geçen günlerine dayanıyor. Ben Ankara doğumluyum, fakat anne tarafından Girit mübadiliyiz. Girit’den gönderilip İzmir’e yerleşen büyüklerimiz, zaman içinde Urla’da deniz kenarında bir ev yapmışlar (o zamanki Urla deyince sakın aklınıza bugünkü sosyetik Urla gelmesin. Doğru düzgün yolu bile olmadığından inşaat malzemelerini denizden getirmişler). Çok şanslı bir çocuktum -- yaz tatillerinde Ankara’dan gelip üç ayımı doğanın ortasındaki o evde geçirir, sabahtan akşama kadar yüzer, kıyının her bir köşesini deniz gözlüğüyle inceler, hayvanları dürtükler, hareketlerini gözlemlerdim. Zaten sudan çıkmadığım için komşular arasında lakabım “ördek”ti. O zamanlar belediye beton dökerek kıyı ekosistemini yok etmemişti; sazlıklar, kargılar, denize dökülen dereler, deniz kuşları vardı; denizin içini de avlayıp bitirmemiştik, evimizin önünden yunuslar geçerdi, hatta balıkçıların ağlarına yavru köpekbalıkları takılırdı. O günler benim sonsuz hayaller kurduğum, kendi kendime keşifler yaptığım, yetişkinlerin hayatlarındaki sıkıntılardan hiç haberimin olmadığı büyülü günlerdi.

• Sualtı ve doğaya ilgisi olan bir çocuğa sahip ebeveynlere ne önerirsiniz?

Eğer çocuğunuzun denize tutkusu varsa (veya kuşlara, böceklere, dansa, sanata, size acayip gelen başka bir şeye...) onun yolunu değiştirip doktor, mühendis, avukat olmaya zorlamayın. “O işten para kazanılmaz” eskide kalmış bir kavram, çünkü internetin ve sosyal medyanın getirdiği olanaklarla, iyi düşünülmüş, iyi icra edilmiş her işten para kazanılabilir. Ve tabii ki para her şey değil; en mutlu insan, en zengin olan değil, hayatına bir anlam katmış, sabah yatağından, yaşamak için heyecanla kalkan insandır. Çocuğunuzun heyecan duyduğu alana yönelmesine destek olun ve sırf siz bu tutkuyu anlamadığınız veya onaylamadığınız için önünü kesmeyin.

Söyleşi: Batuhan Sarıcan

[email protected]

(Bu söyleşi, dergimizin 205. sayısında yayımlanmıştır.)