(來源:MIT News)
海洋里生機盎然,色彩豐富,但除非近距離觀察,否則大部分海洋世界都很容易被忽視。這是因為水本身就像一層天然的“隱形斗篷”,當光線穿過海洋時,會發生彎曲、散射并在水體和懸浮顆粒的干擾下迅速衰減。這使得在非近距離拍攝的情況下,幾乎無法準確還原水下物體的真實色彩。
如今,麻省理工學院(MIT)和伍茲霍爾海洋研究所(WHOI)的研究團隊開發了一款名為“SeaSplat”的圖像分析工具,它能夠消除水體光學干擾,生成仿佛“排干海水”般的真實水下場景圖像。該團隊將這種顏色校正工具與一個計算模型相結合,可將二維圖像轉換為三維虛擬水下世界,供科學家自由探索。
“SeaSplat”的名稱源自其水下應用(Sea)和核心技術“3D 高斯潑濺”(3D Gaussian Splatting, 3DGS)。后者通過拼接多角度拍攝的圖像,構建出可從任意視角觀察的完整三維場景。
“借助 SeaSplat,可以明確模擬水體的光學效應,從而在一定程度上‘移除’水的干擾,生成更精確的水下 3D 模型?!甭槭±砉W院研究生 Daniel Yang 表示。
研究團隊在美屬維爾京群島等海域,利用潛水器和水下機器人拍攝的海床圖像測試該工具,生成的 3D 場景在色彩真實性和細節豐富度上均顯著優于傳統方法。
團隊指出,SeaSplat 可幫助海洋生物學家高效監測珊瑚礁等生態系統的健康狀況。例如,當水下機器人探索珊瑚礁并拍攝圖像時,SeaSplat 可同步處理這些圖像,生成真實色彩的三維模型??茖W家們能夠以自己的節奏和路徑虛擬“飛越”其中,檢查珊瑚白化等跡象。
“近距離觀察時,珊瑚的白化現象呈現白色,但遠看可能因水體散射顯得模糊發藍,難以識別?!?WHOI 副科學家 Yogesh Girdhar 解釋道,“借助 SeaSplat 的真實色彩成像,珊瑚白化和不同珊瑚物種將更容易被識別?!?/p>
還原海洋真實色彩的科技突破
在海洋中,物體的顏色和清晰度會被光線在水中的傳播效應所扭曲。近年來,研究人員開發了多種旨在重現海洋真實色彩的校正工具,部分技術源自陸地環境(如霧天場景的色彩還原)。近期一項研究通過“Sea-Thru”的算法實現了海洋真實色彩的精準還原,但其需要巨大的計算資源,用于生成三維場景模型時面臨挑戰。
與此同時,三維高斯潑濺(3DGS)也取得重大進展:該技術可無縫拼接多角度圖像,并通過智能填補空白以構建完整三維場景。這種“新視角合成”技術允許觀察者從任意角度和距離探索生成的三維世界。
然而,3DGS 迄今僅成功應用于陸地環境。水下三維重建面臨兩大光學挑戰:后向散射:光線在海洋微粒上反射形成的霧狀光暈;衰減效應:特定波長光線隨距離減弱的現象(例如遠距離觀察時紅色物體比藍色物體更易褪色)。
陸地環境中,物體顏色基本不受觀察角度和距離影響;但在水中,顏色會隨視角迅速變化。當 3DGS 嘗試拼接水下圖像時,后向散射和衰減效應會導致不同角度的物體顏色失真,使模型無法準確解析物體。
“我們對水下機器人視覺的愿景是:想象移除海洋中的水后,會看到什么?” MIT 機械工程系教授 John Leonard 說。
SeaSplat 如何重塑水下三維視覺
在新研究中,Yang 及其團隊開發了一種色彩校正算法,能夠精確計算后向散射與衰減效應對圖像中每個像素的扭曲程度,并通過逆向運算還原像素的真實色彩。
隨后,研究人員將該算法整合至 3DGS 模型,最終構建了 SeaSplat 系統。它可快速分析水下場景圖像,生成真實色彩的三維虛擬模型,支持從任意角度和距離進行細節探索。
團隊將 SeaSplat 應用于多個水下場景,包括紅海、庫拉索島加勒比海海域、巴拿馬附近太平洋等不同水況條件的圖像(部分來自現有數據集),并在美國維爾京群島通過遙控水下機器人拍攝的圖像進行測試。
結果顯示:SeaSplat 生成的三維場景中,物體即使從不同角度和距離觀察,色彩均保持真實穩定,完全規避了實際海水中常見的“褪色現象”。
“生成三維模型后,科學家可以像潛水一樣‘暢游’其中,以真實色彩細致觀察細節?!?Yang 表示。
目前該方法需依賴高性能臺式計算機,雖暫無法搭載于水下機器人,但適用于系纜作業——通過纜線將水下設備拍攝的圖像實時傳輸至船載計算機處理。
“這是首個能快速構建高精度彩色水下三維模型的技術,且渲染速度極快,”WHOI 副科學家 Yogesh Girdhar強調,“這將助力生物多樣性量化評估,以及珊瑚礁等海洋生態系統的健康監測?!?/p>
https://news.mit.edu/2025/imaging-technique-removes-water-effect-underwater-scenes-0520
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