Wypatrzy bomby pod wodą. Jeszcze zanim wejdą nurkowieAktualizacja:
Podwodna amunicja to nie tylko spektakularne miny morskie znane z wojennych zdjęć. Chodzi o szeroką kategorię UXO, czyli unexploded ordnance. To niewybuchy i porzucone środki bojowe, które nie eksplodowały albo zostały celowo zatopione, ale nadal mogą być groźne. Mogą leżeć w mule, obrastać organizmami morskimi, częściowo znikać pod osadem i z czasem coraz bardziej przypominać zwykły element dna.
Właśnie dlatego ich szukanie jest tak trudne. W płytkiej wodzie sonar, czyli urządzenie wykorzystujące fale dźwiękowe do widzenia pod wodą, nie zawsze jest idealnym rozwiązaniem na dużych obszarach. Z kolei zwykłe zdjęcia z powietrza psuje falowanie, załamanie światła, odbicia i zmienna przejrzystość wody. Obiekt może być blisko powierzchni, a mimo to dla kamery wyglądać jak rozmazana plama.
Zespół z Florida Keys połączył nowoczesną technologię Fluid Lensing z aktywnym obrazowaniem MiDAR, żeby zgrabnie obejść ten problem. Dron przelatuje nad płytkim akwenem i zbiera obrazy dna w wielu zakresach światła. Następnie AI analizuje dane i szuka kształtów oraz cech, które bardziej pasują do amunicji niż do kamieni, śmieci, roślinności albo przypadkowych cieni. To ma sens szczególnie tam, gdzie trzeba najpierw zawęzić obszar poszukiwań, zanim do pracy wejdą nurkowie, roboty podwodne albo saperzy morscy.
Jak pisaliśmy w tekście: Bałtyk to potężne pole minowe. W końcu wysłaliśmy na nie cichego łowcę , współczesna walka z minami coraz mniej przypomina pływanie na wyczucie , a coraz bardziej pracę sieci sensorów, sonarów, robotów i systemów dowodzenia. Dron obserwujący dno z powietrza byłby rozwiązaniem idealnym.
Fale oszukują kamerę. Fluid Lensing ma ten obraz naprawić
Najważniejszą częścią eksperymentu jest technologia Fluid Lensing. Pozwala ona poprawiać obraz dna zniekształcony przez falującą powierzchnię wody. Każdy, kto próbował zobaczyć kamień na dnie przez marszczącą się taflę, zna ten problem: obiekt niby jest blisko, ale obraz pływa, wygina się i zmienia kształt.
Fluid Lensing wykorzystuje fakt, że fale działają jak ruchome soczewki. Zamiast traktować ten efekt wyłącznie jako przeszkodę, to system analizuje serię obrazów i odzyskuje szczegóły, które normalnie zostałyby zniekształcone. Dzięki temu z powietrza można uzyskać bardzo dokładny obraz płytkiego dna.
Drugim elementem jest MiDAR, czyli Multispectral Imaging, Detection, and Active Reflectance. To aktywne obrazowanie wielospektralne. Aktywne w tym przypadku oznacza, że system nie polega tylko na świetle zastanym, lecz sam oświetla scenę w wybranych zakresach. Wielospektralne oznacza z kolei, że patrzy nie jednym kolorem, ale kilkoma pasmami światła. Różne materiały, kolory i powierzchnie mogą w tych pasmach zachowywać się inaczej, więc AI dostaje bogatszy zestaw wskazówek.
W testach użyto zakresów od ultrafioletu po światło widzialne. Szczególnie dobrze wypadły pasma niebieskie i zielone, bo woda przepuszcza je korzystniej niż część innych długości fali. To bardzo istotne, bo różne materiały odbijają te długości fal w inny sposób: metalowa obudowa amunicji, nawet częściowo skorodowana i obrośnięta, daje inny sygnał niż piasek, skały czy roślinność. Dzięki temu algorytm może wychwycić subtelne różnice w odbiciu światła i wskazać obiekt, który dla ludzkiego oka wygląda jak zwykły fragment dna.
AI uczyła się na atrapach amunicji
Badacze nie wrzucili oczywiście do wody prawdziwych bomb. W eksperymencie wykorzystano obojętne, bezpieczne cele imitujące amunicję. Rozmieszczono je na terenie stacji badawczej Broad Key na Florida Keys, czyli w środowisku pełnym naturalnego i ludzkiego bałaganu na dnie.
Cele zostawiono pod wodą na około dwa miesiące. W tym czasie zaczęły obrastać i łapać osad, czyli dokładnie to, co dzieje się z prawdziwą amunicją zalegającą na dnie. Potem drony zebrały obrazy, a model AI miał znaleźć obiekty w miejscach, których wcześniej nie znał.
Sama sztuczna inteligencja bazowała na modelu typu YOLO. To popularna rodzina algorytmów do wykrywania obiektów na obrazach. Nazwa pochodzi od angielskiego You Only Look Once , bo model potrafi szybko wskazywać obiekty i ich położenie w obrazie bez wieloetapowego przeszukiwania każdego fragmentu. W tym przypadku nie chodziło jednak tylko o narysowanie prostokąta wokół podejrzanego przedmiotu, lecz także o segmentację, czyli możliwie dokładne wyznaczenie kształtu obiektu na tle dna.
Model trenowano na 2,7 tys. sztucznie rozszerzonych próbek utworzonych z obrazów 9 celów. Zbieranie dużych baz danych pod wodą jest kosztowne i trudne. Augmentacja, czyli sztuczne tworzenie wariantów obrazów, pozwala pokazać modelowi więcej możliwych sytuacji: inne oświetlenie, lekki szum, rozmycie czy przesunięcie.
Wynik wygląda świetnie, ale nie zamyka tematu
W testach system wykrył i zlokalizował wszystkie 14 rozmieszczonych celów. To bardzo mocny wynik, zwłaszcza że część obiektów była obrośnięta, częściowo przykryta osadem albo znajdowała się w otoczeniu przypominającym śmietnik natury i człowieka. W najlepszych wariantach aktywny MiDAR dawał precyzję w zakresie mniej więcej od 0,8 do 0,9, a wynik F1, czyli miara łącząca skuteczność wykrywania i liczbę błędnych wskazań, mieścił się w przedziale od 0,83 do 0,89.
To nie znaczy jednak, że można już wysłać takie drony nad każdy port świata i oczekiwać bezbłędnej mapy bomb. Autorzy badań sami zaznaczają ograniczenia. Testy dotyczyły konkretnego miejsca, ograniczonego zestawu celów i płytkich, optycznie dostępnych wód. W bardziej mętnej wodzie, przy innym dnie, większej głębokości, mocniejszym falowaniu albo większym zróżnicowaniu amunicji wyniki mogą być słabsze.
Szczególnie trudne pozostają obiekty zakopane głębiej w mule. Optyka widzi to, co da się zobaczyć przez wodę. Jeżeli bomba albo mina jest całkowicie przykryta osadem, nadal potrzebne będą metody akustyczne, magnetyczne albo profilowanie poddenne. Innymi słowy: dron z AI nie zastępuje wszystkich narzędzi. Może jednak świetnie sprawdzić się jako szybki zwiad nad płytkimi akwenami.
Dno morza już dawno przestało być spokojnym zapleczem
Ta technologia jest ciekawa nie tylko dla naukowców, lecz także dla wojska, służb portowych, ekologów i firm budujących infrastrukturę na morzu. Podwodna amunicja jest problemem bezpieczeństwa, ale też środowiska. Z czasem metalowe skorupy korodują, a toksyczne substancje mogą przedostawać się do otoczenia. Do tego dochodzi ryzyko dla rybaków, nurków, plażowiczów i ekip pracujących przy kablach, rurociągach czy farmach wiatrowych.
Nasz Bałtyk jest tu szczególnie mocnym przykładem. Po dwóch wojnach światowych i powojennym zatapianiu amunicji na dnie zostały ogromne ilości niebezpiecznych materiałów. Część jest dobrze opisana, część nadal pozostaje problemem rozproszonym i trudnym do systematycznego oczyszczania. Im więcej inwestycji morskich, tym częściej trzeba będzie wiedzieć, co dokładnie leży pod wodą.
Jak pisaliśmy w tekście: Dno morza staje się frontem. Podwodne drony ruszą do akcji przestrzeń pod powierzchnią mórz staje się obszarem rywalizacji, ochrony infrastruktury i rozpoznania. Nowa metoda wykrywania amunicji może pomóc. Granica między technologią środowiskową, ratowniczą i wojskową jest tu bardzo cienka.
Widać to również poza klasycznym wojskiem. Jak pisaliśmy w tekście: Gaz tanieje. Takich cen dawno nie widzieliśmy , miny morskie mogą wpływać nawet na tempo odblokowywania kluczowych szlaków handlowych. Jedna groźna strefa na morzu potrafi stać się problemem dla transportu, energetyki i cen surowców.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
O nowych technologiach zaczął pisać jeszcze w 2012 r. na łamach portalu Telix. Później przez pewien czas pisał dla Komputer Świata i PCLabu. Epizod dziennikarski zaliczył także w lokalnej gazecie i w dziale blogowym SpeedTest. Współzałożyciel agencji BlueCopy, zajmującej się copywritingiem i poligrafią. Przez pewien czas właściciel firmy transportowej. Prywatnie fan starych polskich oper mydlanych (oglądanych obowiązkowo z konkubiną), dumny opiekun kotki brytyjskiej i pasjonat-amator druku 3D.