چالش‌های تصویربرداری زیرآبی در محیط‌های آب کدر

درک شفافیت آب کدر و تأثیر آن بر عملکرد دوربین‌های بازرسی زیرآبی

آبی که به‌دلیل وجود مواد مختلفی مانند لجن، جلبک و آشغال آلی کدر شده است، دید زیر سطح آن را بسیار دشوار می‌کند. در حقیقت، طبق تحقیق انجام‌شده توسط اسپرینگر در سال ۲۰۲۳، اکثر مردم در ۷۸ درصد مناطق ساحلی نمی‌توانند بیش از حدود یک متر به عمق آب بنگرند. آنچه اتفاق می‌افتد این است که ذرات ریز موجود، نحوه حرکت نور در آب را مختل می‌کنند. بر اساس مطالعه اخیر منتشرشده توسط نیچر در زمینه نورشناسی آبی، وقتی تنها به عمق پنج متری ستون آب برویم، نور قرمز بسیار سریع‌تر از نور آبی جذب می‌شود. تفاوت بین نرخ جذب نور قرمز و آبی در واقع حدود بیست برابر است! به‌دلیل همین اثر عجیب فیلتر کردن رنگ، دوربین‌های بازرسی زیرآبی پس از فاصله زیاد از سطح، دچار مشکل عملکرد می‌شوند. حسگرهای این دوربین‌ها برای چنین شرایط شدیدی طراحی نشده‌اند، بنابراین اغلب اوقات اپراتورها در بدست آوردن تصاویر واضحی که برای ارزیابی‌های دقیق لازم است، با مشکل مواجه می‌شوند.

• کاهش کنتراست : پراکندگی معکوس ناشی از ذرات نزدیک لنز، لایه‌ای مبهم و مه‌آلود بر روی تصاویر ایجاد می‌کند
• فشرده‌سازی دامنه دینامیکی : تغییرات روشنایی در شرایط دید کم، از قابلیت‌های سنسور ف sobrepas می‌شوند
• خطاهای وفاداری رنگ : الگوریتم‌های استاندارد تعادل سفید قادر به جبران فیلتر شدن طول‌موج‌های خاص توسط آب نیستند

سیستم‌های سنتی دقت تشخیص اشیا را زیر ۲۵٪ حفظ می‌کنند هنگامی که دید زیر ۵۰ سانتی‌متر کاهش می‌یابد، که نشان‌دهنده نیاز به بازطراحی در سطح سخت‌افزار است نه وابستگی به راه‌حل‌های پس‌پردازش

پیشرفت‌های کلیدی فناوری در دوربین‌های بازرسی زیرآبی با وضوح بالا

سنسورهای دوربین بازرسی زیرآبی نسل بعدی با وضوح و حساسیت افزایش‌یافته

جدیدترین سنسورهای CMOS با روشنایی پس‌زمینه همراه با فناوری ترکیب پیکسل، تقریباً دو برابر توان جمع‌آوری نور را نسبت به سنسورهای قدیمی CCD به نمایش می‌گذارند. برخی از مدل‌های پیشرفته می‌توانند تصاویر ۱۲ مگاپیکسلی قابل قبول و حتی ویدئوهای ۴K با سرعت حدود ۲ فریم در ثانیه ضبط کنند که این امر در شناسایی نقص‌ها در شرایط آب بسیار کدر بسیار مفید است. هنگامی که این سنسورها با سنسورهای یک اینچی و تنظیمات هوشمند بهره ترکیب شوند، این سیستم‌های تصویربرداری حتی در شرایطی که نور موجود کمتر از نیم لوکس باشد نیز عملکرد خوبی دارند. این سطح از عملکرد اهمیت زیادی در بازرسی‌های زیرآبی یا نظارت در محیط‌های کدر دارد که دید طبیعی در آن‌ها بسیار محدود است.

نوآوری‌های طراحی نوری که کنتراست تصویر را در محیط‌های کدر بهبود می‌بخشند

عدسی‌های مایع‌پر شده که همراه با فیلترهای دو باند عبور (450–550 نانومتر و 590–650 نانومتر) است، از پراکندگی وابسته به طول موج جلوگیری می‌کنند. این روش که در تحقیقات فناوری دریایی اعتبارسنجی شده است، در مقایسه با اپتیک تمام-طیف، کنتراست را 62٪ بهبود می‌بخشد. جدول زیر بهبودهای کلیدی عملکرد را نشان می‌دهد:

ادغام تصویربرداری با دامنه دینامیکی گسترده برای نوردهی متعادل در شرایط روشنایی متغیر

سیستم‌های مدرن WDR از انباشت نوردهی زمانی (3 تا 5 فریم بر میلی‌ثانیه) و نقشه‌برداری تنالی مبتنی بر یادگیری ماشین برای مدیریت صحنه‌هایی با دامنه دینامیکی بیش از 120 دسی‌بل استفاده می‌کنند. این کار جزئیات موجود در شکاف‌های تاریک را حفظ می‌کند و در عین حال از اضافه نوردهی در مناطق روشن شده توسط نور خورشید جلوگیری می‌کند — که برای بازرسی‌ها در مناطق بین المدی ضروری است.

تصویربرداری محاسباتی و بهبود تصویر برای وضوح برتر

مدرن دوربین بازرسی زیرآبی سیستم‌ها از تصویربرداری محاسباتی برای غلبه بر محدودیت‌های بنیادین انتشار نور در آب استفاده می‌کنند و چالش‌های پراکندگی، تغییر رنگ و دامنه دینامیکی را حل می‌کنند.

روش‌های حذف پراکندگی برای اهداف زیرآبی با استفاده از مدل‌های تصویربرداری محاسباتی

الگوریتم‌هایی که انتشار نور را مدل می‌کنند، می‌توانند سیگنال هدف را از پراکندگی معکوس جدا کنند. یک مطالعه منتشر شده در نیچر در سال ۲۰۲۴ سیستمی ترکیبی را نشان داد که از فیلتر قطبشی و شبکه‌های عصبی استفاده می‌کند و پراکندگی را در آب‌های ساحلی تا ۶۰٪ کاهش می‌دهد. ورودی‌های چندطیفی عملکرد را با بهره‌گیری از تضعیف متفاوت در طول موج‌های مختلف بیشتر ارتقا می‌دهند.

سرکوب بلادرنگ نور پراکنده شده از طریق پردازش پیشرفته سیگنال

سیستم‌های مبتنی بر FPGA بیش از ۱۰۰۰ فریم در ثانیه را پردازش می‌کنند و در عرض ۳ میلی‌ثانیه از برابرسازی هیستوگرام تطبیقی و تبدیل ویولت استفاده می‌کنند. این امر به بازرسان اجازه می‌دهد تا با سرعت ۰٫۵ متر بر ثانیه در محیط‌های کدر حرکت کنند و در عین حال بیش از ۹۰٪ از قابلیت استفاده تصاویر را حفظ کنند.

الگوریتم‌های تصحیح رنگ و بهبود کنتراست برای دید در آب‌های کدر

الگوریتم‌های تعادل سفید با آگاهی از عمق، رنگ‌های واقعی را با مدل‌سازی بازیابی می‌کنند:

• جذب مخصوص به طول موج
• طیف‌های نور مصنوعی
• زاویه‌های پراکندگی

آزمایش‌های میدانی بهبود ۴۰ درصدی در دقت شناسایی زیستی را نسبت به تعادل سفید خودکار استاندارد نشان می‌دهند.

چارچوب‌های بهبود تصویر زیرآبی که یادگیری عمیق و مدل‌های فیزیکی را ترکیب می‌کنند

شبکه‌های عصبی مبتنی بر فیزیک، عملکرد بهتری نسبت به مدل‌های کاملاً مبتنی بر داده دارند و کیفیت ادراکی را ۳۳ درصد افزایش می‌دهند (اسپرینگر ۲۰۲۳). این چارچوب‌های ترکیبی جزئیات ساختاری را حفظ می‌کنند و بیش از ۸۵ درصد از اثرات پراکندگی را حذف می‌کنند — حتی در آب‌هایی با کمتر از ۱ متر دید عمودی.

کاربردهای واقعی دوربین‌های بازرسی زیرآبی با وضوح بالا

بازرسی زیرساخت‌های دریایی با استفاده از دوربین‌های بازرسی زیرآبی با وضوح بالا

مدیران تأسیسات دریایی و تیم‌های عملیات در فراساحل، شروع به استفاده از فناوری تصویربرداری با وضوح بالا کرده‌اند تا زیرساخت‌های زیرآبی مانند تکیه‌گاه‌های اسکله و پی‌های سکوها را بررسی کنند. این سیستم‌های پیشرفته دوربین قادرند حتی در شرایط آب کدر و با دید محدود، ذرات ریز خوردگی و رشد جانوران دریایی را تشخیص دهند. طبق تحقیقات منتشرشده توسط کنسرسیوم فناوری دریایی در سال گذشته، تأسیساتی که این فناوری را به کار گرفته‌اند، فرآیند بازرسی خود را حدود ۴۰٪ کاهش داده‌اند. در عین حال، توانایی آن‌ها در شناسایی به موقع مشکلات به‌طور چشمگیری بهبود یافته و نرخ دقت شناسایی مشکلات ساختاری به تقریباً ۹۲٪ رسیده است. تصاویر دقیق جمع‌آوری‌شده شواهد عینی فراهم می‌کنند که به تیم‌های نگهداری کمک می‌کند تا تعیین کنند کدام مناطق نیاز به توجه فوری دارند و کدام‌ها می‌توانند معطل شوند و این امر تخصیص منابع را در محل‌های مختلف بسیار کارآمدتر می‌کند.

کاربردهای تحقیقات علمی: نظارت بر صخره‌های مرجانی در شرایط کم‌نور و آب کدر

زیست‌شناسان دریایی از سیستم‌های تصویربرداری پیشرفته برای نظارت بر سفیدشدگی مرجان‌ها در آب‌های گرمسیری غنی از مواد مغذی استفاده می‌کنند. برخلاف دوربین‌های معمولی که در عمق زیر ۱۵ متر به دلیل مه سبزرنگ محدودیت دارند، سیستم‌های پیشرفته با استفاده از تصویربرداری محاسباتی، طیف رنگی دقیق را بازیابی می‌کنند. آزمایش‌های میدانی نشان دادند که دقت تشخیص استرس اولیه مرجان‌ها در شرایط کدری ۲ NTU به ۸۶٪ می‌رسد و این امر، نظارت غیرتهاجمی و سالانه بر صخره‌های مرجانی را پشتیبانی می‌کند.

بررسی خطوط لوله زیردریایی با استفاده از تصویربرداری نوری پیشرفته در محیط‌های پراکنده‌کننده نور

اپراتورهایی که روی خطوط لوله‌های زیرآبی کار می‌کنند، اکنون از دوربین‌های خاصی استفاده می‌کنند که اسکن لیزری را با تصویربرداری دینامیک رنج بالا ترکیب می‌کنند تا بخش‌های پنهان زیر لایه‌های ضخیم لجن در کف اقیانوس را بررسی کنند. در مقایسه با دوربین‌های معمولی وسایل نقلیه کنترل از راه دور، این سیستم‌های پیشرفته قادرند تا حدود هشت برابر بهتر از آب کدر و سایر موانع عبور کنند و هم حفره‌های زنگ‌زدگی و هم جابجایی رسوبات اطراف لوله‌ها را تشخیص دهند. یک مطالعه موردی از بازرسی سال گذشته در محیط‌های فراساحلی نیز نتایج چشمگیری نشان داد: آنها مشکلات را ۴۰٪ سریع‌تر شناسایی کردند و در عین حال هشدارهای اشتباه را به کمتر از ۳٪ کاهش دادند. بیشتر مهندسان این نوع تحلیل چندطیفی را متحول‌کننده عملیات نگهداری در محیط‌های دریایی عمیق می‌دانند.

روند آینده در فناوری تصویربرداری زیرآبی

سیستم‌های ترکیبی تصویربرداری که فناوری‌های سونار و دوربین بازرسی زیرآبی نوری را ترکیب می‌کنند

سیستم‌های جدید ترکیبی، قدرت نفوذ عمیق سونار را با جزئیات دقیق دوربین‌های نوری ترکیب می‌کنند تا مشکلات دید در آب‌های کدر را حل کنند. نیروی دریایی در سال ۲۰۲۴ آزمایش‌هایی انجام داد و دریافت که این سیستم‌های ترکیبی زمانی که از حسگرهای چندباندی خاص به صورت همزمان استفاده می‌کردند، می‌توانستند اشیا را ۴۰ درصد بهتر از قبل تشخیص دهند. با کمک هوش مصنوعی که در پس‌زمینه فعالیت می‌کند، سیستم می‌تواند خواندن‌های سونار را به صورت همزمان با تصاویر دوربین تطبیق دهد، که به اپراتورها اجازه می‌دهد نقشه‌های سه‌بعدی نسبتاً دقیقی از مناطق زیرآبی ایجاد کنند، حتی در شرایطی که ذرات زیادی از گِل و لای در حال حرکت در آب وجود دارد. این نوع فناوری تأثیر بزرگی در کارهایی مانند بازرسی بدنه کشتی‌ها یا جستجوی بار گم‌شده در آب‌های بسیار کثیف دارد.

کوچک‌سازی و خودمختاری در سیستم‌های دوربین زیرآبی برای استقرار طولانی‌مدت

ترکیب فناوری میکرو-اپتیک با محاسبات لبه، امکان ایجاد واحدهای دوربین بسیار کوچک با حجمی کمتر از ۱۰ سانتی‌متر مکعب را فراهم کرده است که همچنان توانایی ارائه تصاویر با وضوح بالای ۴K را دارند. هنگامی که این سیستم‌های کوچک اما قدرتمند در وسایل نقلیه خودران زیرآبی (AUV) نصب می‌شوند، مصرف توانی کمتر از ۱۵ وات دارند و به همین دلیل قادرند بدون وقفه بیش از سه روز متوالی عمل کنند، حتی در عمق ۳٬۰۰۰ متری زیر سطح دریا. تحلیلگران صنعت پیش‌بینی شگفت‌انگیزی نیز دارند — رشدی حدود ۲۹ درصدی نسبت به سال قبل در بازار این دوربین‌های پهلوه‌گرد غوطه‌ور. این رشد عمدتاً ناشی از دو نوآوری کلیدی است: مواد بهبودیافته که می‌توانند فشارهایی معادل ۶۰ مگاپاسکال را تحمل کنند و پوشش‌های لنز نوینی که دوربین‌ها را در طول مأموریت‌های طولانی در محیط‌های سخت، با شفافیت ۹۸ درصدی، پاک و عملیاتی نگه می‌دارند.

‫سوالات متداول‬

دوربین‌های زیرآبی در محیط‌های آب کدر با چه چالش‌هایی روبرو هستند؟

دوربین‌های زیرآبی با چالش‌هایی مانند از دست دادن کنتراست به دلیل پراکندگی معکوس، فشرده‌سازی دامنه دینامیکی که در آن تغییرات روشنایی از قابلیت سنسور فراتر می‌رود، و خطاهای وفاداری رنگی به دلیل اینکه الگوریتم‌های استاندارد تعادل سفیدی در مدیریت فیلتر کردن وابسته به طول موج توسط آب با مشکل مواجه می‌شوند، روبرو هستند.

پیشرفت‌های انجام شده در دوربین‌های بازرسی زیرآبی با وضوح بالا چه بوده‌اند؟

پیشرفت‌های کلیدی شامل استفاده از سنسورهای CMOS با نورگیری از پشت و تقسیم پیکسل‌ها برای جمع‌آوری بهتر نور، عدسی‌های پر از مایع با فیلترهای دو بانده برای افزایش کنتراست، و ادغام تصویربرداری با دامنه دینامیکی گسترده برای تعادل نوردهی است.

تصویربرداری محاسباتی چگونه عملکرد دوربین زیرآبی را بهبود می‌بخشد؟

تصویربرداری محاسباتی با استفاده از تکنیک‌هایی مانند حذف پراکندگی، سرکوب نور پراکنده در زمان واقعی و الگوریتم‌های اصلاح رنگ، به چالش‌های پراکندگی، تغییر رنگ و دامنه دینامیکی می‌پردازد تا وضوح و دقت را افزایش دهد.

برخی از کاربردهای واقعی دوربین‌های بازرسی زیرآبی با وضوح بالا چیستند؟

کاربردها شامل بازرسی زیرساخت‌های دریایی، تحقیقات علمی مانند نظارت بر صخره‌های مرجانی و بررسی خطوط لوله زیردریا می‌شود که در آن این دوربین‌ها تشخیص نقص و دقت نظارت را حتی در شرایط دید کم بهبود می‌بخشند.

چه روندهای آینده‌ای در فناوری تصویربرداری زیرآبی در حال ظهور هستند؟

روندهای آینده شامل سیستم‌های ترکیبی هستند که فناوری سونار و نوری را ترکیب می‌کنند، کوچک‌سازی و خودکارسازی در سیستم‌های دوربین برای استقرار طولانی‌مدت، و پیشرفت در مواد و پوشش‌های لنز برای افزایش دوام و عملکرد می‌شود.