Подводное компьютерное зрение

Подводное компьютерное зрение — это подобласть компьютерного зрения . В последние годы с развитием подводных аппаратов ( ROV , AUV , планеров ) необходимость иметь возможность записывать и обрабатывать огромные объемы информации становится все более актуальной. Область применения варьируется от обследования подводных сооружений для морской промышленности до идентификации и подсчета рыб для биологических исследований. Однако, каким бы большим ни было влияние этой технологии на промышленность и исследования, она все еще находится на очень ранней стадии развития по сравнению с традиционным компьютерным зрением. Одна из причин этого заключается в том, что в тот момент, когда камера погружается в воду, возникает совершенно новый набор проблем. С одной стороны, камеры должны быть водонепроницаемыми, морская коррозия быстро разрушает материалы, а доступ к экспериментальным установкам и их модификация требуют больших затрат времени и ресурсов. С другой стороны, физические свойства воды заставляют свет вести себя по-разному, меняя внешний вид одного и того же объекта при изменении глубины, органического материала, течений, температуры и т. д.

Приложения

• Исследование морского дна
• Навигация и позиционирование автомобиля
• Биологический мониторинг
• Видеомозаики как визуальные навигационные карты
• Проверка трубопровода
• Визуализация обломков
• Обслуживание подводных сооружений
• Обнаружение утопления, например, безопасность бассейна

Средние

Освещение

В воздухе в пасмурные дни свет исходит со всего полушария, и в нем преобладает солнце. В воде освещение исходит из конечного конуса над сценой. Это явление называется окном Снелла .

Ослабление света

В отличие от воздуха, вода экспоненциально ослабляет свет. Это приводит к размытым изображениям с очень низкой контрастностью. Основными причинами ослабления света являются поглощение света (когда энергия удаляется из света) и рассеяние света, при котором изменяется направление света. Рассеяние света можно далее разделить на рассеяние вперед, приводящее к повышенной размытости, и рассеяние назад, ограничивающее контраст и ответственное за характерную вуаль подводных изображений. Как на рассеяние, так и на затухание сильно влияет количество растворенных или взвешенных в воде органических веществ.

Другая проблема с водой заключается в том, что затухание света зависит от длины волны. Это означает, что разные цвета ослабляются быстрее или медленнее, чем другие, что приводит к ухудшению цвета. Красный и оранжевый свет ослабляются первыми, за ними следуют желтый и зеленый. Синий — это наименее ослабленная длина волны света.

Проблемы

В компьютерном зрении высокого уровня человеческие структуры часто используются в качестве признаков изображения для сопоставления изображений в различных приложениях. Однако морское дно лишено таких особенностей, поэтому найти соответствия на двух изображениях сложно.

Для использования камеры в воде необходим водонепроницаемый корпус. Однако преломление будет происходить на границе раздела вода-стекло и стекло-воздух из-за различий в плотности материалов. Это приводит к нелинейной деформации изображения.

Движение транспортного средства представляет собой еще одну особую проблему. Подводные аппараты постоянно движутся из-за течений и других явлений. Это вносит в алгоритмы еще одну неопределенность, поскольку небольшие движения могут возникать во всех направлениях. Это может быть особенно важно для отслеживания видео . Чтобы уменьшить эту проблему, стабилизации изображения можно применить алгоритмы .

Частые методы

Восстановление изображения

Восстановление изображения Цель – смоделировать процесс деградации, а затем инвертировать его, получив новое изображение после решения. Как правило, это сложный подход, требующий множества параметров. которые сильно различаются в зависимости от состояния воды.

Улучшение изображения

Улучшение изображения пытается лишь создать визуально более привлекательное изображение, не принимая во внимание физический процесс формирования изображения. Эти методы обычно проще и требуют меньше вычислительных затрат.

Цветокоррекция

Существуют различные алгоритмы, выполняющие автоматическую коррекцию цвета . Например, UCM (метод неконтролируемой цветокоррекции) делает это в следующие этапы: во-первых, он уменьшает цветовой оттенок путем выравнивания значений цвета. Затем он усиливает контраст, растягивая красную гистограмму к максимуму и, наконец, оптимизируя компоненты насыщенности и интенсивности.

Подводное стереозрение

Обычно предполагается, что стереокамеры были предварительно откалиброваны геометрически и радиометрически. Это приводит к предположению, что соответствующие пиксели должны иметь одинаковый цвет. Однако это не может быть гарантировано в подводной сцене из-за дисперсии и обратного рассеяния, как упоминалось ранее. Однако можно смоделировать это явление в цифровом виде и создать виртуальное изображение, удалив эти эффекты.

Другие области применения

В последние годы гидролокаторы визуализации становятся все более доступными и приобретают разрешение, обеспечивая более качественные изображения. Гидролокаторы бокового обзора используются для создания полных карт регионов морского дна, объединяющих последовательности гидролокационных изображений. Однако изображениям гидролокатора часто не хватает должного контраста, и они ухудшаются из-за артефактов и искажений из-за шума, изменения положения AUV/ROV, несущего гидролокатор, или неравномерной диаграммы направленности луча. Еще одна распространенная проблема гидролокационного компьютерного зрения — сравнительно низкая частота кадров гидролокационных изображений.