Лайлы су ортасында су астындағы бейнелеудің қиындықтары

Лайлы судағы көрінетін ортаны түсіну және оның су астындағы тексеру камерасының өнімділігіне әсері

Түбінде шөгінділер, су өсімдіктері және органикалық қалдықтар сияқты әртүрлі заттар жүзіп жүргендіктен бұлғын су астындағы нәрселерді көруді қиындатады. Шынында да, Springer-дің 2023 жылғы зерттеуіне сәйкес, көпшілік адамдар жағалау аймақтарының 78 пайызында бетінен төменге қарай бір метрден астам тереңдікті көре алмайды. Мұның себебі, суда жарықтың таралуына мұндай ұсақ бөлшектер әсер етеді. Nature журналында судың оптикалық қасиеттері туралы жарияланған соңғы зерттеуге сәйкес, судың бағанасына бес метр тереңдікке түскен сайын қызыл жарық көк жарыққа қарағанда анағұрлым тез сіңіріледі. Қызыл және көк жарықтың сіңіру жылдамдықтары арасындағы айырмашылық шамамен жиырма есе! Бұл қызық түс сүзгіштік әсерге байланысты су астындағы тексеру камералары бетінен алысқа тартылған кезде дұрыс жұмыс істей алмайды. Олардың сенсорлары мұндай қатаң жағдайларға арналмаған, сондықтан операторлар көбінесе бағалау үшін қажетті нақты кескіндерді алуға қиналады.

• Контрастының жоғалуы : Линзаға жақын орналасқан бөлшектерден шағылған сәуле кескіндердің үстіне бұлтыңқы қабат түсіреді
• Динамикалық диапазонды қысу : Жарықтың өзгеруі төменгі көрінетін жағдайларда сенсор мүмкіндіктерінен асып түседі
• Түс дәлдігіндегі қателер : Стандартты ақ тепе-теңдік алгоритмдері су арқылы толқын ұзындығына тәуелді сүзгілеуді компенсациялай алмайды

Дәстүрлі жүйелер көріну 50 см астында төмендегенде нысандарды тану дәлдігін 25%-дан төмен ұстайды, бұл пост-өңдеу шешімдеріне сүйенуге емес, аппараттық деңгейдегі қайта жобалауға қажеттілікті көрсетеді.

Жоғары сапалы су астындағы тексеру камераларындағы негізгі технологиялық жетістіктер

Жаңа буын су астындағы тексеру камерасы сенсорлары жақсартылған сапа мен сезімталдықпен

Пиксельді біріктіру технологиясымен бірге соңғы жабыстырылған CMOS сенсорлары ескі мектептің CCD сенсорларымен салыстырғанда шамамен екі есе көп жарық жинау қабілетін көрсетуде. Кейбір жоғарғы модельдер тіпті секундына 2 кадр шамасында 4K бейнені түсіре алатын, 12 мегапиксельді дәл суреттерді түсіре алады, бұл шынымен лайлы су жағдайларында ақауларды анықтауға көмектеседі. Осындай 1 дюймдік сенсорлармен және ақылды күшейту реттеулерімен жұп болғанда, бұл бейне жүйелері бос кездегі жарықтың жарты люкстен кем болған кезде де қалай болса да жақсы жұмыс істейді. Мұндай өнімділік табиғи түрде көрінетін қабілеті нашар болатын лайлы орталарда су астындағы тексеру немесе бақылау үшін өте маңызды.

Лайлы орталарда бейне контрастын арттыруды жақсартатын оптикалық дизайн жаңашылдықтары

Толқын ұзындығына тән шашырауды болдырмау үшін сұйықпен толтырылған линзалар екі диапазонды сүзгілермен (450–550 нм және 590–650 нм) жұпталады. Теңіз технологиялары бойынша зерттеулерде расталғандай, бұл әдіс толық спектрлі оптикамен салыстырғанда контрасты 62% жақсартады. Төмендегі кестеде негізгі өнімділік артулары көрсетілген:

Әртүрлі жарықтандыру кезінде теңгерілген экспозиция үшін кең динамикалық диапазонды бейнелеуді интеграциялау

Қазіргі заманғы WDR жүйелері 120 дБ асатын динамикалық диапазонға ие сцeналарды басқару үшін уақыттық экспозициялық стекингті (3–5 кадр/мс) және машиналық оқыту тонын карталауды қолданады. Бұл интертидалдық аймақтар бойынша тексерулерде маңызды — күнді жағдайларда экспозицияның артық болуын болдырмау үшін қараңғы саңылауларда детальдарды сақтайды.

Жоғары анықтық үшін есептеуіш бейнелеу және бейне жақсарту

Заманауи су астындағы тексеру камерасы су ішіндегі жарық таралудың негізгі шектеулерін жеңуге бағытталған есептеуіш бейнелеу әдістерін қолданады, шашырауды, түстің ығысуын және динамикалық диапазондағы қиындықтарды шешеді.

Есептеуіш бейнелеу модельдерін қолдана отырып, су астындағы мақсаттар үшін шашырауды азайту әдістері

Жарық таралуын модельдеу алгоритмдері арқылы шашыраудан туындайтын сигналдарды бөліп алуға болады. 2024 жылғы Nature зерттеуі салыстырулық сүзгілеу мен нейрондық желілерді қосатын гибридті жүйенің теңіз жағалауында шашырауды 60% дейін кемітетінін көрсетті. Көп спектрлі кірістер толқын ұзындықтары бойынша дифференциалды жұтылуды пайдалану арқылы тиімділікті одан әрі арттырады.

Дамыған сигнал өңдеу арқылы нақты уақытта шашыраған жарықты басу

FPGA-мен қамтамасыз етілген жүйелер секундына 1000-нан астам кадрды өңдейді және 3 мс кідіріспен адаптивті гистограмманы теңестіру мен вейвлет түрлендірулерін қолданады. Бұл тексерушілерге ластанған ортада 0,5 м/с жылдамдықпен қозғалып, бейнелердің пайдаланылуын 90%-дан аса ұстауға мүмкіндік береді.

Ластанған судағы көрінетіндікті жақсарту үшін түсін дұрыстау және контрастты арттыру алгоритмдері

Тереңдікті ескеретін ақ баланс алгоритмдері мыналарды модельдеу арқылы шынайы түстерді қалпына келтіреді:

• Толқын ұзындығына тәуелді жұту
• Жасанды жарықтандырудың спектрлері
• Шашырату бұрыштары

Сараптамалық тестер стандартты автоақ баланспен салыстырғанда биологиялық анықтаудың дәлдігін 40% жақсартатынын көрсетті.

Терең оқу мен физикалық модельдерді біріктіретін су астындағы кескіндерді жақсарту жүйелері

Физиканы ескеретін нейрондық желілер қабылдану сапасы бойынша таза деректерге негізделген модельдерден 33% жоғары (Springer, 2023). Бұл гибридті жүйелер 1 метрден кем көрінетіндігі бар суда да 85%-дан астам шашырату артефакттерін жоя отырып, құрылымдық детальдарды сақтайды.

Жоғары сапалы су астындағы тексеру камераларының нақты әлемдегі қолданылуы

Жоғары сапалы су астындағы тексеру камераларын қолданып теңіз инфрақұрылымын тексеру

Теңіз объектілерін басқарушылар мен теңізден тыс жұмыс істейтін топтар құрылымдардың (дебалки, платформа негіздері) техникалық күйін тексеру үшін жоғары сапалы бейнелеу технологиясына сүйенуді бастады. Бұл дамыған камера жүйелері мұзды судағы нашар көрінетін жағдайларда да коррозияның және теңіз өсімдіктерінің пайда болуын тіпті өте кішкентай элементтерін анықтай алады. Өткен жылы Теңіз технологиялары консорциумы жариялаған зерттеуге сәйкес, осы технологияны енгізген объектілерде тексеру процесі шамамен 40% қысқартылды. Сонымен қатар, олар құрылымдық ақауларды дер кезінде анықтау деңгейін 92%-ке жуық дәлдікпен жеткізді. Жиналған нақты бейнелер қандай аймақтарға дереу назар аудару керек екенін немесе қайсысын кейінге қалдыруға болатынын шешуге мүмкіндік береді, бұл әртүрлі объектілер бойынша ресурстарды тиімді бөлуге мүмкіндік береді.

Ғылыми зерттеу қолданбалары: Төменгі жарықтылық пен мұзды су жағдайларында мұхит маржан рифтерін бақылау

Теңіз биологтары тропиктік сулардағы маржан қабыршықтарының ақаруын бақылау үшін жақсартылған бейне жүйелерді пайдаланады. 15 метрден төменгі жасыл түсті тұмандылықтан әлсірейтін дәстүрлі камераға қарамастан, алдыңғы қатарлы жүйелер есептеу арқылы бейнелеу арқылы нақты түстерді қалпына келтіреді. Жергілікті сынақтар түбіндегі 2 NTU ластану деңгейінде маржанның бастапқы сатыдағы кернеуін анықтауда 86% дәлдікті көрсетті, бұл инвазиялық емес, жыл бойы рифтерді бақылауға мүмкіндік береді.

Шашыратылған ортада жақсартылған оптикалық бейнелеумен теңіз ішіндегі құбырларды зерттеу

Су астындағы магистральдық құбырлармен жұмыс істейтін операторлар енді лазерлік сканерлеуді жоғары динамикалық диапазонды бейнелеумен үйлестіретін арнайы камера пайдаланып, теңіз түбіндегі саздың қалың қабатының астында жасырынған бөліктерді тексереді. Қашықтан басқарылатын әдеттегі камералармен салыстырғанда, осындай жетілдірілген жүйелер тұманды суды және басқа кедергілерді шамамен сегіз есе жақсырақ көреді, осылайша құбырлардың айналасындағы қою жерлер мен шөгінділердің ығысуын анықтауға мүмкіндік береді. Өткен жылғы офшорлық тексеруден алынған мысал өте қатты нәтижелер көрсетті: олар қате хабарландыруды 3%-дан төменге дейін қысқартып, мәселелерді 40% жылдамырақ тапты. Көптеген инженерлер терең теңіздегі жөндеу жұмыстары үшін осындай көпспектрлі талдаудың ойын өзгерткіш болып табылатынын есептейді.

Су астындағы бейнелеу технологияларының болашақтағы бағыттары

Гидролокациялық және оптикалық су астындағы тексеру камерасы технологияларын үйлестіретін гибридті бейнелеу жүйелері

Жаңа гибридтік жүйелер мұзды су арқылы көру мәселелерін шешу үшін сонардың терең проникновение қабілетін оптикалық камералардың нақты детальдарымен үйлестіреді. Әскери-теңіз күштері 2024 жылы бірнеше сынақтар өткізді және арнайы көпжолақты сенсорларды бірге қолданған кезде осы біріктірілген жүйелер нысандарды бұрынғыдан 40 пайызға дейін жақсырақ көре алатынын анықтады. Артқы планда жасанды интеллект көмектесетін болғандықтан, жүйе сонар көрсеткіштерін камералардың суреттерімен нақты уақыт режимінде сәйкестендіре алады, бұл ластану мен сазбалшықтың көп болуына қарамастан операторлардың су асты аймақтарының қатты дәл 3D карталарын құруына мүмкіндік береді. Мұндай технологиялар кеме корпусын тексеру немесе өте ластанған суларда жоғалтылған жүкті іздеу сияқты мәселелерді шешуде үлкен рөл атқарады.

Ұзақ уақыт пайдалану үшін су асты камера жүйелерінің миниатюризациясы мен автономдылығы

Шеткі есептеу мүмкіндігімен микроскопиялық оптика технологиясының ұштасуы 10 куб сантиметрден кем көлемді, бірақ әлі де таң қалдыратын 4K ажырату сапасында сурет беретін камералар жасауды мүмкін етті. Автономды су асты көліктеріне (AUV) орнатылған кезде бұл шағын, бірақ қуатты жүйелер 15 ватттан аспайтын қуат пайдаланады және теңіз деңгейінен 3000 метр тереңдікте болса да үздіксіз үш күннен астам уақыт жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Салаушылар бұл орналасымды камера дрондары нарығында жыл сайын 29 пайызға жуық өсу болатынын болжайды. Бұл өсу негізінен 60 мегапаскаль қысымға шыдай алатын материалдардың жақсартылуы мен қатты жағдайлардағы ұзақ миссиялар барысында камералардың көріну қабілетін 98 пайыз деңгейінде таза және жұмыс істеу қабілетін сақтайтын инновациялық линзалар қаптамасы сияқты екі негізгі жаңалықтар есебінен қолдау табуда.

Жиі қойылатын сұрақтар

Түбі қою су ортасындағы камералар қандай қиыншылықтарға тап болады?

Су астындағы камералар су әлсіретуіне байланысты контрастының жоғалуы, жарықтың өзгеруі сенсор мүмкіндігінен асып түсуімен динамикалық диапазонның қысылуы және стандартты ақ тепе-теңдік алгоритмдері судың толқын ұзындығына тәуелді сүзуіне бейім болмауы себебінен түстердің дәлдігі бұзылуы сияқты қиыншылықтарға тап болады.

Су астындағы жоғары сапалы тексеру камераларында қандай жетістіктерге қол жеткізілді?

Негізгі жетістіктерге жарықты жақсы жинау үшін артқы жағынан жарықтандырылатын CMOS сенсорлар мен пиксельдерді біріктіру, жақсартылған контраст үшін екі диапазонды сүзгілері бар сұйықпен толтырылған линзалар және экспозицияны теңестіру үшін кең динамикалық диапазонды бейнелеуді интеграциялау жатады.

Есептеу бейнелеуі су астындағы камераның жұмыс істеу сапасын қалай жақсартады?

Есептеу бейнелеуі шашыратуды, түс ығысуын және динамикалық диапазонның қиыншылықтарын шашыратылған жарықтың басылуын нақты уақыт режимінде қосу, түс коррекциясы алгоритмдерін қолдану арқылы анықтық пен дәлдікті жақсарту арқылы шешеді.

Жоғары сапалы су астындағы тексеру камераларының қолданылуының нақты мысалдары қандай?

Қолданыстарға теңіз инфрақұрылымын тексеру, маржан рифтерін бақылау сияқты ғылыми зерттеулер және төменгі көрінетін жағдайларда да ақауларды анықтау мен бақылау дәлдігін жақсартатын камералар қолданылатын теңіз түбіндегі құбырлардың геологиялық зерттеулері жатады.

Су асты бейнелеу технологиясында қандай болашақтағы тенденциялар пайда болуда?

Болашақтағы тенденцияларға сонар мен оптикалық технологияларды біріктіретін гибридті жүйелер, ұзақ уақыт пайдалану үшін камералық жүйелердің миниатюризациясы мен автономдылығы, сондай-ақ беріктікті және функционалдылықты жақсарту үшін материалдар мен линзалар қаптамасындағы жетістіктер жатады.