DZK 33UX250: Bildverarbeitung zur Verbesserung der Sicherheit von maritimen Infrastrukturen

Überblick

Im Laufe des letzten Jahrhunderts hat die Komplexität der maritimen Infrastrukturen dramatisch zugenommen. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) erforscht an seinem Institut für den Schutz maritimer Infrastrukturen Methoden und Technologien zur Verbesserung der Sicherheit von maritimen Infrastrukturen wie Offshore-Anlagen, Häfen und Schiffen. Dazu gehören insbesondere bildverarbeitungsbasierte Systeme zur verbesserten Überwachung und Aufklärung von unterseeischen Infrastrukturen. Dr. Enno Peters, Wissenschaftler am Institut, hat mit der Industriekamera DZK 33UX250 von The Imaging Source gearbeitet, die mit dem Polarsens-Sensor von Sony ausgestattet ist. Die On-Chip-Polarisationstechnologie des Sensors erfasst multidirektional polarisierte Bilder und ermöglicht so eine Reihe von Vorteilen bei der Bildverarbeitung, wie z. B. verbesserter Kontrast und reduzierte Blendung.

Die Herausforderung

Die Sicht durch die Wasseroberfläche zur Aufnahme des Meeresbodens, beispielsweise von Drohnen aus, sowie die Detektion und Identifizierung von getauchten Objekten wird durch die Brechung des Lichts an der Wasseroberfläche erschwert, da dies zu verzerrten Darstellungen und Lokalisationen am falschen Ort führen kann. Polarisationsmessungen lassen sich nutzen, um Informationen über die Orientierung von Objektoberflächen zu erhalten. Klassischerweise wird dabei im sogenannten "Shape-from-Polarization"-Verfahren diffus reflektierte Strahlung genutzt. Für die Rekonstruktion der Wasseroberfläche wird hingegen spiegelnd reflektiertes Himmelslicht genutzt. Da die Fresnel-Koeffizienten für die s- und p- Komponente des reflektierten Lichts unterschiedlich sind, wird die reflektierte Strahlung abhängig von der Blickgeometrie partiell polarisiert. Die Herausforderung liegt darin, dass bei jeder Messung das an der Oberfläche spiegelnd reflektierte Licht mit aus dem Wasserkörper aufsteigendem Licht überlagert wird. Letzteres wird beim Wiederaustritt an der Oberfläche gebrochen und dadurch ebenfalls partiell polarisiert, beide Komponenten wirken also gegeneinander.

Wie es gemacht wurde

In einer Forschungsstudie wurde die DZK 33UX250 genutzt, um ein Verfahren zu erforschen, das mit spektralen Langpassfiltern arbeitet und so den Beitrag von Licht aus dem Wasser unterdrückt. Die Wirkung basiert darauf, dass die Absorption von flüssigem Wasser stark im Infraroten ansteigt. Weiterhin wurde ein Algorithmus entwickelt, der pixelgenau aus den Polarisationsmessungen die lokale Neigung der Oberfläche berechnet und dabei die Projektion (paraxiale Approximation) kompensiert, also auch für kurze Brennweiten geeignet ist. Aufbauend darauf wurde erfolgreich demonstriert, dass sich die gewonnenen Daten der Wasseroberfläche nutzen lassen, um die durch Brechung verursachte Verzerrung in Aufnahmen des Meeresgrunds zu kompensieren. Die Ergebnisse wurden in einem wissenschaftlichen Beitrag in der Fachzeitschrift Applied Optics veröffentlicht.

Weitere Entwicklung

Im Fokus notwendiger Weiterentwicklungen steht die Reduktion der Belichtungszeit, um die Methode auch bei bewegten Oberflächen nutzen zu können. Auch das Verhalten bei verschiedenen Wetterbedingungen und in unterschiedlichen Gewässertypen wird untersucht, da die momentane Methode auf unpolarisierte Einstrahlung (Bewölkung) angewiesen ist. In einem 2-Kanal System könnte die PolarSens dann mit einer herkömmlichen Kamera, die den Meeresboden aufnimmt, kombiniert werden.