Các thách thức của việc chụp ảnh dưới nước trong môi trường nước đục

Hiểu về tầm nhìn trong nước đục và tác động của nó đến hiệu suất máy ảnh kiểm tra dưới nước

Nước bị đục do nhiều loại chất lơ lửng như cặn, tảo và mảnh vụn hữu cơ khiến việc quan sát dưới mặt nước trở nên cực kỳ khó khăn. Thực tế, theo nghiên cứu của Springer năm 2023, phần lớn mọi người không thể nhìn sâu quá khoảng một mét trong 78 phần trăm các khu vực ven biển. Điều xảy ra là những hạt nhỏ li ti này làm thay đổi cách ánh sáng truyền qua nước. Ánh sáng đỏ bị hấp thụ nhanh hơn nhiều so với ánh sáng xanh khi chúng ta xuống sâu chỉ khoảng năm mét trong cột nước, như được ghi nhận trong một nghiên cứu gần đây công bố trên tạp chí Nature về quang học dưới nước. Tốc độ hấp thụ ánh sáng đỏ và xanh chênh lệch nhau tới khoảng hai mươi lần! Do hiệu ứng lọc màu kỳ lạ này, các camera kiểm tra dưới nước gặp khó khăn trong việc hoạt động chính xác khi đi quá xa bề mặt. Cảm biến của chúng không được thiết kế cho những điều kiện khắc nghiệt như vậy, vì vậy người vận hành thường gặp khó khăn trong việc thu được hình ảnh rõ nét cần thiết để đánh giá chính xác.

• Mất độ tương phản : Tán xạ ngược từ các hạt gần thấu kính tạo thành lớp màng mờ che phủ hình ảnh
• Nén dải động : Biến thiên độ sáng vượt quá khả năng của cảm biến trong điều kiện tầm nhìn thấp
• Lỗi trung thực màu sắc : Các thuật toán cân bằng trắng tiêu chuẩn không thể bù đắp cho hiện tượng lọc theo bước sóng cụ thể của nước

Các hệ thống truyền thống duy trì độ chính xác nhận dạng vật thể dưới 25% khi tầm nhìn giảm xuống dưới 50 cm, làm nổi bật nhu cầu thiết kế lại ở cấp độ phần cứng thay vì phụ thuộc vào các giải pháp xử lý hậu kỳ.

Các tiến bộ công nghệ chính trong camera kiểm tra dưới nước độ phân giải cao

Cảm biến camera kiểm tra dưới nước thế hệ mới với độ phân giải và độ nhạy được cải thiện

Các cảm biến CMOS chiếu sáng ngược mới nhất kết hợp với công nghệ gộp điểm ảnh đang cho thấy khả năng thu nhận ánh sáng gấp khoảng hai lần so với các cảm biến CCD kiểu cũ. Một số mẫu cao cấp có thể chụp được hình ảnh 12 megapixel rõ nét và thậm chí quay video 4K ở tốc độ khoảng 2 khung hình mỗi giây, giúp phát hiện các khiếm khuyết trong điều kiện nước đục nặng. Khi kết hợp với các cảm biến kích cỡ 1 inch và điều chỉnh độ lợi thông minh, các hệ thống hình ảnh này hoạt động khá hiệu quả ngay cả khi ánh sáng sẵn có dưới mức nửa lux. Hiệu suất như vậy rất quan trọng đối với việc kiểm tra hoặc giám sát dưới nước trong môi trường đục, nơi tầm nhìn tự nhiên kém.

Các đổi mới trong thiết kế quang học nhằm cải thiện tăng cường độ tương phản hình ảnh trong môi trường đục

Các thấu kính chứa chất lỏng kết hợp với bộ lọc hai dải bước sóng (450–550nm và 590–650nm) giúp khắc phục hiện tượng tán xạ phụ thuộc bước sóng. Phương pháp này đã được kiểm chứng trong nghiên cứu công nghệ biển, cải thiện độ tương phản tới 62% so với quang học phổ đầy đủ. Bảng dưới đây nêu bật các cải tiến hiệu suất chính:

Tích hợp chụp ảnh phạm vi rộng động (WDR) để cân bằng phơi sáng trong điều kiện ánh sáng thay đổi

Các hệ thống WDR hiện đại sử dụng kỹ thuật chồng phơi sáng theo thời gian (3–5 khung hình/ms) và ánh xạ tông màu dựa trên học máy để xử lý các cảnh có dải động vượt quá 120dB. Kỹ thuật này bảo tồn chi tiết trong các khe tối đồng thời tránh hiện tượng quá phơi sáng ở những vùng được chiếu sáng bởi ánh nắng mặt trời — yếu tố thiết yếu cho việc kiểm tra tại các khu vực ngập triều.

Chụp ảnh tính toán và tăng cường hình ảnh để có độ rõ nét vượt trội

Hiện đại máy ảnh kiểm tra dưới nước các hệ thống tận dụng chụp ảnh tính toán để khắc phục những hạn chế cơ bản của sự lan truyền ánh sáng trong nước, giải quyết các thách thức về tán xạ, dịch chuyển màu sắc và dải động.

Các phương pháp khử tán xạ cho mục tiêu dưới nước bằng mô hình chụp ảnh tính toán

Các thuật toán mô phỏng sự lan truyền ánh sáng có thể tách biệt tín hiệu mục tiêu khỏi hiện tượng tán xạ ngược. Một nghiên cứu năm 2024 trên tạp chí Nature đã chứng minh một hệ thống lai kết hợp lọc phân cực và mạng nơ-ron, giúp giảm 60% hiện tượng tán xạ ngược trong vùng nước ven biển. Các đầu vào đa phổ làm tăng hiệu suất hơn nữa nhờ khai thác sự suy giảm khác biệt theo các bước sóng.

Ứng dụng xử lý tín hiệu tiên tiến để triệt tiêu ánh sáng tán xạ theo thời gian thực

Các hệ thống dùng FPGA xử lý hơn 1.000 khung hình mỗi giây, áp dụng cân bằng hóa biểu đồ thích nghi và biến đổi wavelet trong độ trễ dưới 3ms. Điều này cho phép người kiểm tra di chuyển ở tốc độ 0,5 m/s qua môi trường nước đục mà vẫn duy trì hơn 90% khả năng sử dụng hình ảnh.

Các thuật toán hiệu chỉnh màu sắc và tăng cường độ tương phản để cải thiện khả năng nhìn trong nước đục

Các thuật toán cân bằng trắng nhận biết độ sâu khôi phục lại màu sắc thực tế bằng cách mô hình hóa:

• Hấp thụ theo bước sóng cụ thể
• Phổ ánh sáng nhân tạo
• Góc tán xạ

Các thử nghiệm thực tế cho thấy cải thiện 40% về độ chính xác nhận dạng sinh học so với chế độ cân bằng trắng tự động tiêu chuẩn.

Các nền tảng tăng cường ảnh dưới nước kết hợp học sâu và các mô hình vật lý

Mạng nơ-ron thông tin vật lý vượt trội hơn 33% so với các mô hình chỉ dựa trên dữ liệu thuần túy về chất lượng cảm nhận (Springer 2023). Các nền tảng lai này bảo tồn các chi tiết cấu trúc đồng thời loại bỏ hơn 85% các hiện tượng nhiễu do tán xạ—ngay cả trong điều kiện nước có tầm nhìn dưới 1 mét.

Ứng dụng thực tế của camera kiểm tra dưới nước độ phân giải cao

Kiểm tra cơ sở hạ tầng biển bằng camera kiểm tra dưới nước độ phân giải cao

Các quản lý cơ sở hàng hải và đội ngũ vận hành ngoài khơi đã bắt đầu dựa vào công nghệ hình ảnh độ phân giải cao để kiểm tra các cơ sở hạ tầng dưới nước như trụ đỡ bến cảng và nền móng giàn khoan. Những hệ thống camera tiên tiến này thực sự có thể phát hiện những vết ăn mòn nhỏ và sự phát triển của sinh vật biển ngay cả khi điều kiện tầm nhìn kém trong môi trường nước đục. Theo nghiên cứu được Consortium Công nghệ Hàng hải công bố năm ngoái, các cơ sở áp dụng công nghệ này đã giảm được khoảng 40% thời gian quy trình kiểm tra. Đồng thời, khả năng phát hiện sớm các vấn đề cũng được cải thiện đáng kể, đạt tỷ lệ chính xác gần 92% trong việc nhận diện các sự cố kết cấu. Những hình ảnh chi tiết thu thập được cung cấp bằng chứng cụ thể giúp đội bảo trì quyết định khu vực nào cần xử lý ngay và khu vực nào có thể trì hoãn, từ đó tối ưu hóa việc phân bổ nguồn lực giữa các địa điểm khác nhau.

Ứng dụng Nghiên cứu Khoa học: Giám sát San hô trong Điều kiện Ánh sáng Yếu, Nước Đục

Các nhà sinh vật học biển triển khai các hệ thống hình ảnh nâng cao để giám sát hiện tượng tẩy trắng san hô trong các vùng nước nhiệt đới giàu dinh dưỡng. Khác với các camera thông thường bị cản trở bởi lớp sương xanh dưới độ sâu 15 mét, các hệ thống tiên tiến có thể phục hồi phổ màu chính xác thông qua xử lý hình ảnh tính toán. Các thử nghiệm thực địa cho thấy độ chính xác 86% trong việc phát hiện tình trạng suy yếu san hô ở giai đoạn đầu dưới điều kiện độ đục 2 NTU, hỗ trợ công tác giám sát bãi san hô quanh năm mà không cần can thiệp xâm lấn.

Khảo sát Đường ống Dưới biển Với Hệ thống Hình ảnh Quang học Nâng cao trong Môi trường Tán xạ

Các kỹ sư làm việc trên các đường ống dưới nước hiện đang sử dụng các camera đặc biệt kết hợp quét tia laser với hình ảnh độ phân giải cao động để kiểm tra các đoạn bị che khuất bên dưới những lớp bùn dày trên đáy đại dương. So với các camera phương tiện điều khiển từ xa thông thường, các hệ thống tiên tiến này có khả năng nhìn xuyên qua nước đục và các vật cản khác tốt hơn khoảng tám lần, cho phép phát hiện cả những điểm gỉ sét lẫn nơi trầm tích đã dịch chuyển xung quanh ống. Một nghiên cứu điển hình từ cuộc kiểm tra ngoài khơi năm ngoái đã cho thấy kết quả ấn tượng: họ phát hiện sự cố nhanh hơn 40% trong khi giảm tỷ lệ cảnh báo sai xuống dưới 3%. Phần lớn các kỹ sư coi loại phân tích đa phổ này là bước đột phá đối với các hoạt động bảo trì trong môi trường biển sâu.

Xu hướng tương lai trong công nghệ hình ảnh dưới nước

Các hệ thống hình ảnh lai kết hợp công nghệ camera kiểm tra dưới nước bằng sóng âm và quang học

Các hệ thống lai mới đang kết hợp khả năng xuyên sâu của sóng âm với độ chi tiết sắc nét từ các camera quang học để giải quyết vấn đề nhìn xuyên qua nước đục. Hải quân đã thực hiện một số thử nghiệm vào năm 2024 và phát hiện ra rằng các hệ thống kết hợp này có thể phát hiện vật thể tốt hơn 40 phần trăm so với trước đây khi sử dụng đồng thời các cảm biến đa dải đặc biệt. Với sự hỗ trợ của trí tuệ nhân tạo phía sau hậu trường, hệ thống có thể ghép nối dữ liệu sóng âm với hình ảnh từ camera ngay khi chúng được thu nhận, cho phép người vận hành xây dựng bản đồ 3D khá chính xác về khu vực dưới nước ngay cả khi có nhiều bùn và cặn lơ lửng. Công nghệ loại này đang tạo ra sự khác biệt lớn trong các hoạt động như kiểm tra thân tàu hoặc tìm kiếm hàng hóa bị mất ở những vùng nước cực kỳ đục.

Thu nhỏ kích thước và tự động hóa trong các hệ thống camera dưới nước nhằm triển khai kéo dài

Sự kết hợp giữa công nghệ vi quang học và điện toán biên đã tạo ra các khối camera siêu nhỏ dưới 10 centimet khối, vẫn có khả năng cung cấp hình ảnh độ phân giải 4K ấn tượng. Khi được lắp đặt trên các phương tiện ngầm tự hành (AUV), những hệ thống nhỏ gọn nhưng mạnh mẽ này tiêu thụ ít hơn 15 watt công suất, cho phép chúng hoạt động liên tục hơn ba ngày liền ngay cả khi lặn sâu tới 3.000 mét dưới mực nước biển. Các nhà phân tích ngành công nghiệp cũng đang dự đoán một điều đáng chú ý — thị trường các thiết bị camera không người lái dạng triển khai này sẽ tăng trưởng khoảng 29 phần trăm theo năm. Sự gia tăng này chủ yếu được thúc đẩy bởi hai đổi mới then chốt: vật liệu cải tiến có khả năng chịu được áp lực lên tới 60 megapascal, và lớp phủ ống kính sáng tạo giúp duy trì độ trong suốt và chức năng hoạt động của camera ở mức độ nhìn rõ 98 phần trăm trong suốt các nhiệm vụ kéo dài tại môi trường khắc nghiệt.

Câu hỏi thường gặp

Các camera dưới nước gặp phải những thách thức gì trong môi trường nước đục?

Các camera dưới nước đối mặt với những thách thức như mất độ tương phản do hiện tượng tán xạ ngược, nén dải động khi biến thiên độ sáng vượt quá khả năng của cảm biến, và sai số trung thực màu sắc vì các thuật toán cân bằng trắng tiêu chuẩn gặp khó khăn với việc lọc theo bước sóng đặc thù của nước.

Những tiến bộ nào đã được thực hiện trong các camera kiểm tra dưới nước độ phân giải cao?

Các tiến bộ chính bao gồm việc sử dụng cảm biến CMOS chiếu hậu và gộp điểm ảnh để cải thiện khả năng thu nhận ánh sáng, ống kính chứa chất lỏng với bộ lọc hai dải tần nhằm tăng cường độ tương phản, và tích hợp công nghệ chụp ảnh dải động rộng để cân bằng phơi sáng.

Tính toán hình ảnh cải thiện hiệu suất camera dưới nước như thế nào?

Tính toán hình ảnh giải quyết các thách thức về tán xạ, dịch chuyển màu sắc và dải động bằng cách sử dụng các kỹ thuật như khử tán xạ, ức chế ánh sáng tán xạ trong thời gian thực và các thuật toán hiệu chỉnh màu sắc để tăng độ rõ nét và độ chính xác.

Một số ứng dụng thực tế của các camera kiểm tra dưới nước độ phân giải cao là gì?

Các ứng dụng bao gồm kiểm tra cơ sở hạ tầng biển, nghiên cứu khoa học như giám sát rạn san hô, và khảo sát đường ống ngầm dưới biển, nơi những camera này cải thiện khả năng phát hiện khuyết tật và độ chính xác trong giám sát ngay cả trong điều kiện tầm nhìn thấp.

Những xu hướng tương lai nào đang nổi lên trong công nghệ hình ảnh dưới nước?

Các xu hướng tương lai bao gồm các hệ thống lai kết hợp công nghệ âm thanh và quang học, thu nhỏ kích thước và tăng tính tự động trong các hệ thống camera để triển khai lâu dài hơn, cũng như các tiến bộ về vật liệu và lớp phủ ống kính nhằm cải thiện độ bền và chức năng.