Nauka

Inteligentne zdjęcia podwodne na ratunek zagrożonym gatunkom

Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego opracowali opartą na sztucznej inteligencji technologię kamery, która pozwoli na stworzenie autonomicznych systemów monitorowania do śledzenia zagrożonych gatunków. Urządzenie jest wyposażone w moduł Intel Edison.

Ekosystemy oceaniczne są w poważnym niebezpieczeństwie. Na całej kuli ziemskiej rosnące temperatury oceanu, zakwaszenie, nadmierne połowy i niszczenie siedlisk zagrażają niezliczonym gatunkom morskim. Gatunki takie jak morświn kalifornijski — najbardziej zagrożony ssak morski na świecie — są na skraju wyginięcia z powodu destrukcyjnego wędkarstwa i kłusownictwa, a niezliczone inne gatunki są w niebezpieczeństwie ze względu na coraz większe połowy i niszczenie siedlisk. Wiele populacji zwierząt morskich pozostaje tajemnicą dla biologów i ekologów, za co w dużej mierze odpowiada brak odpowiedniej technologii do efektywnego monitorowania gatunków zamieszkujących ogromne, burzliwe oceany.

Grupa studentów zbudowała inteligentny zatapialny system, który — jak sądzą — może stanowić przełom dla zagrożonych podwodnych gatunków. „Opracowaliśmy autonomiczną podwodną kamerę reagującą na dźwięk” — mówi Antonella Wilby, doktorantka wydziału informatyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego (UCSD), która kieruje projektem.

spherecam_components_web-e1485280534265

„Zaczęliśmy prace nad projektem systemu kamer, aby umożliwić biologom monitorowanie morświnów kalifornijskich, których nigdy wcześniej nie udało się sfotografować pod wodą. Po rozmowach z wieloma biologami i badaczami zdaliśmy sobie sprawę z tego, że nasz system może mieć wiele innych zastosowań”.

Badacze z UCSD mają nadzieję, że system kamer nie tylko umożliwi zrobienie pierwszych podwodnych zdjęć morświnów kalifornijskich, ale przyda się również badaczom morskim zajmującym się różnymi innymi gatunkami.

System podwodnych kamer może potencjalnie zbierać dane dotyczące nigdy wcześniej nieobserwowanych w ich naturalnym środowisku gatunków i ich zachowań. Projekt nie wymaga dużych nakładów finansowych, a wydajność cyfrowa kamer jest imponująca.

Oceany nad przepaścią

Ekolodzy uważają, że wiele ekosystemów znajduje się na skraju katastrofy ze względu na nadmierne połowy oceaniczne i niewystarczającą ochronę morskich zwierząt. Niektórym gatunkom, takim jak morświny, grozi wyginięcie w ciągu kilku lat. Inne muszą przystosowywać się do coraz bardziej zmieniających się warunków i w związku z tym również trafiają na listę gatunków wymierających lub zagrożonych wyginięciem. Wilby twierdzi też, że istnieje wiele gatunków, na temat których brak wystarczających danych, by stwierdzić, czy grozi im wyginięcie.

Badacze z UCSD chcą pomóc biologom i specjalistom ds. ochrony przyrody, zapewniając im innowacyjne narzędzie do biologicznego monitoringu tych rzadko obserwowanych gatunków. Zbudowali urządzenie SphereCam wyposażone w moduł obliczeniowy Intel Edison z hydrofonem, który zaczyna filmowanie po usłyszeniu głosu morskiego zwierzęcia.

fieldteam_web-e1485280602897

Projektem szybko zainteresowało się towarzystwo geograficzne National Geographic Society, przyznając Wilby dotację dla młodych badaczy (Young Explorers Grant) na pokrycie kosztu początkowych prac terenowych z wykorzystaniem systemu monitorowania morświnów kalifornijskich w Zatoce Kalifornijskiej. Obecnie zespół badaczy rozszerza zakres zastosowań SphereCam i bada za jego pomocą różne gatunki graników na Kajmanach i w liściastych lasach San Diego.

Wilby jest zdania, że SphereCam to wyjątkowe urządzenie, które wykrywa, w jakiej odległości od kamery znajduje się zwierzę w oparciu o siłę sygnału przechwyconego przez hydrofon. Tym samym przewyższa kamery poklatkowe, które robią głównie zdjęcia… wody. Hydrofon zaczyna filmowanie, kiedy „usłyszy” odpowiedni akustyczny sygnał w określonej odległości.

Okrągła SphereCam jest mniej więcej półtora raza większa od piłki nożnej. Wilby zaczęła nad nią pracować w 2014 roku.

 

W poszukiwaniu właściwej technologii podwodnej

Doktor Ryan Kastner, profesor informatyki i inżynierii na UCSD, który nadzoruje projekt, twierdzi, że kluczem do powodzenia SphereCam jest znalezienie technologii, która poradzi sobie w trudnym środowisku i dostarczy naukowcom potrzebnych danych.

„Problem z nagraniami wideo polega na tym, że wymagają dużej mocy i dostarczają mnóstwa danych” — mówi doktor Kastner. Kastner szukał technologii, która byłaby nie tylko energooszczędna, ale również włączała i wyłączała urządzenie tak, aby naukowcy dostawali tylko dane i obrazy, na których im zależy.

spherecam_web

Badacze wykorzystali moduł Intel Edison, ponieważ daje im on gwarancję elastyczności, wydajności energetycznej i mocy obliczeniowej, jakich potrzebują. Moduł działa na bateriach nawet przez tydzień i mieści się we wnętrzu kamery SphereCam, dzięki czemu nie ulegnie zalaniu. Można też zaprogramować go tak, by wykonywał dokładnie to, czego chcą naukowcy, czyli na przykład przetwarzał dźwięk.

System kamer korzystający z czujników akustycznych i optycznych wykorzystuje cechy charakterystyczne odgłosów wydawanych przez określone gatunki morskie i w oparciu o nie wyzwala nagrywanie wideo. Jest zintegrowany z ultradźwiękowym hydrofonem (wyzwalacz) i komputerem pokładowym, który próbkuje dźwięk, zapisuje dane i przetwarza sygnały. Sześć kamer, które składają się na system, umożliwia zapisywanie wysokiej jakości filmu sferycznego w formacie 1080p.

Jednak zaprogramowanie modułu Edison do przetwarzania dźwięków wydawanych przez morświny wymagało złożonego algorytmu, który analizowałby różne ultradźwięki, wykrywając fale o częstotliwości 139 kHz. „W końcu naukowcy zdecydowali się na skorzystanie z uczenia maszynowego, by mieć pewność, że SphereCam odróżni dźwięki wydawane przez morświny od innych odgłosów morskich głębin” — mówi Kastner.

shutterstock_169125239-e1485280697735

„Nie chcemy nagrywać wielorybów” — dodaje Andrew Hostler, student na wydziale inżynierii elektrycznej na Politechnice Stanowej w Kalifornii (California Polytechnic State University) w San Luis Obispo, który razem z Ethanem Sletterym z wydziału inżynierii komputerowej Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz dołączył do zespołu Wilby i Kastnera, aby pomóc im zaimplementować przetwarzanie dźwięku.

„Boczny sonar nie powinien być słyszalny. Chcemy wykrywać tylko ultradźwięki, a później wzmacniać je i przetwarzać na sygnał cyfrowy” — mówi Hostler.

Chociaż urządzenie nie jest dopracowane do perfekcji, zespół UCSD sądzi, że jest to pierwsze rozwiązanie, które umożliwi sfotografowanie morświnów. SphereCam została zatopiona w Zatoce Kalifornijskiej we wrześniu, jednak dwa tygodnie później trzeba było ja wyłowić ze względu na nielegalnych wędkarzy. Zespół planuje ponownie uruchomić system na wiosnę.

„Nie będzie łatwo” — mówi Wilby. „Ale nie poddajemy się. Niezliczonym gatunkom morskim grozi wyginięcie. Mam nadzieję, że nasz system wejdzie za jakiś czas do kanonu narzędzi biologów pomagających w poznawaniu ekosystemów naszej planety i przyczyni się do zmniejszenia tego zagrożenia”.

 

Od redakcji: Więcej informacji znajdziesz w raportach z badań „Autonomous Acoustic Trigger for Distributed Underwater Visual Monitoring Systems” i „Design of a Low-Cost and Extensible Acoustically-Triggered Camera System for Marine Population Monitoring”.

Materiał opracowano z pomocą Kena Kaplana.

Share This Article

Related Topics

Nauka Innowacje techniczne

Read This Next

Read Full Story