濁った水の中でも鮮明に見えるようにする新技術

物理

アルゴリズムにより偏光画像の実用化が進み、レスキューなどの水中での用途にも期待できます

研究者らは、濁った水の中でも鮮明な画像を自動的に生成できる新しい手法を開発しました。この新技術は、溺れた人の捜索や、水没した考古学的遺物の記録、水中の農場の監視などに役立つ可能性があります。

水中では、水や水に含まれる粒子が光を散乱させる傾向があるため、鮮明な画像を撮影することは非常に困難です。しかし、散乱光は部分的に偏光しているため、偏光に敏感なカメラを使って撮影することで、水中画像の散乱光を抑えることができます。

研究チームのリーダーである中国・天津大学のHaofeng Hu教授は、「今回の新しい方法は、従来の偏光水中撮影法の限界を克服し、この方法を研究室から現場に移すための基盤となるものです。従来の方法とは異なり、後方散乱光を推定するために画像に背景領域を含める必要がありません。」と述べています。

The Optical Society (OSA)誌のOptics Expressに掲載された論文で、研究チームは、この方法が画像のコントラストを向上させ、大きなノイズを発生させることなく画像の詳細を保持することができることを示しています。この新しい手法は、ほとんど見通すことができないほど濁った高濃度の濁水でも機能します。

「私たちの偏光イメージング法は、濁った水だけでなく、さまざまな散乱媒体でも画質を向上させることができます。私たちが使った原理は、霧や霞、煙などの他の散乱媒体を使ったイメージングにも拡張できると考えています。」とHu氏は語っています。

実用的な水中イメージング

研究者たちは、従来の偏光イメージング装置を使って、濁った水の中に沈んでいるさまざまな物体を撮影した。

研究者たちは、従来の偏光イメージング装置を使って、濁った水の中に沈んでいるさまざまな物体を撮影した。このシンプルなセットアップと新しいアルゴリズムを組み合わせることで、予備知識や背景領域がなくても鮮明な水中画像を得ることができました。©Haofeng Hu, Tianjin University

従来の水中撮影では、撮影領域や画像の背景に関する事前知識を利用して、散乱光の計算や除去を行っていました。これらの方法は、通常、手動で処理する必要があり、画像の背景が見えるとは限らず、事前の情報が得られない場合もあるため、現場での実用性は限られています。

これらの課題を克服するために、研究チームは、従来の偏光イメージングのセットアップと、散乱光を抑制するための最適なパラメータを自動的に見つける新しいアルゴリズムを組み合わせました。これにより、画像のコントラストが大幅に改善され、鮮明な画像が得られるようになっただけでなく、撮影領域の事前知識がなくても、背景領域の有無にかかわらず、画像に使用することができます。

「私たちのアプローチは、実験室で見られる『理想的な』水中環境を超えて、水中偏光イメージングの実用化を可能にする明確な改善を示しています。この手法は、クリアな視界が重要であるにもかかわらず、濁った水のために画質が低下するようなさまざまな用途に適用できるでしょう。」とHu氏は述べています。

濁った水を見通す

背景のないシーンに対して、低濃度と高濃度の散乱媒質の条件下で、異なる手法を用いた比較結果とその拡大図。

背景のないシーンに対して、低濃度と高濃度の散乱媒質の条件下で、異なる手法を用いた比較結果とその拡大図。左から、元々の画像、背景なしの元画像、HSI、CLARE、本研究の偏光イメージング法©Haofeng Hu, Tianjin University

研究者たちは、実験室で濁った液体混合物中の画像を取得して、この新技術をテストしました。まず、水を入れた透明なタンクを用意し、そこにさまざまな量の牛乳を混ぜることで、濁度の異なる水中環境を模倣しました。また、木、プラスチック、セラミックなど、さまざまな素材の物体を撮影しました。

「実験の結果、濁度の異なる水中のさまざまな物体を撮影する際に、散乱の抑制、ディテールの復元、ノイズの低減という点で、我々の手法が優れていることがわかりました。」とHu氏は言います。「濁りの濃度が高い水では背景部分が見えないことが多いのですが、私たちの手法はこのような環境でもクリアな視界を得ることができました。」とHu氏は述べています。

研究室でこの方法が実証されたので、研究者たちは、海などの実用的な水中環境でテストすることを計画しています。また、実際の水中環境で使用できるように、撮像距離を改善することも計画しています。

Published by The Optical Society, Tianjin University. Hongyuan Wang et al, Automatic underwater polarization imaging without background region or any prior, Optics Express (2021). DOI: 10.1364/OE.434398

 

 

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