对于远程操作的水下机器人而言，浑浊和动荡的水域往往是个难题。当机器人在海底安置或挖掘沙床时，会搅起沉积物云，使得机载摄像头难以看清周围环境。通常，唯一的办法是等待海洋尘埃沉降，才能安全行动。但麻省理工学院和伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）工程师们开发的一种新型水下映射技术，可能让机器人能够在低能见度的水域中看清周围。该方法将光学相机的视觉图像与声纳传感器的声学数据融合，允许机器人在低能见度水域中快速绘制周围环境的整体形状。机器人可以朝着声纳映射环境中的某些形状移动，接近到足以让光学相机清晰识别具体物体的程度。这一技术类似于将海豚的回声定位与海龟的近距离视觉结合，以实时方式穿越浑浊水域。研究团队在水箱实验中测试了该方法，能够控制水的能见度。即使在最浑浊的条件下，该系统也能透过沉积物映射水箱环境，并可视化水箱中物体的厘米级细节。团队正在进一步改进这一技术，命名为Sonar-MASt3R。他们设想这一映射方法能够安全引导水下机器人穿越浑浊环境，适用于科学探索、水下施工与维护以及深海回收等多种应用。麻省理工学院航空航天系的研究生Amy Phung表示：“我们希望这项工作能使我们在这些具有挑战性的低能见度环境中进行更多操作，并帮助在今天难以操作的区域提供更多覆盖。”
为了在水下看清，科学家们通常采用选择性的方法，使用光学相机或声纳传感器来引导方向。光学相机能提供清晰的视觉图像，但仅在相对清澈和光线良好的水域中有效。相反，声纳传感器在清澈和浑浊水域中表现同样良好；通过发射声波并测量返回的时间和角度，声纳传感器可以确定环境中物体的确切形状、距离和深度，尽管声纳图缺乏任何视觉细节。为获得两者的最佳效果，科学家们寻求通过一种称为“光声融合”的新方法将两者结合。在一些早期的研究中，研究团队合并了声纳和光学数据，创建主要针对物体识别和重建工作环境的映射技术。大多数技术需要时间来同步和处理数据，因此无法实时工作，只有少数能够在3D环境中进行映射。至今，没有任何技术能在浑浊的水下条件下进行高分辨率映射。
Phung和她的导师Camilli的目标是开发一种光声融合技术，能够在低能见度条件下实时生成水下环境的详细3D地图。团队的动机部分源于安全回收未爆水下地雷的挑战。“在某些区域可能存在旧炸药，使得船只无法安全进入，而安全处理这些炸药的最好方法是使用机器人，”Camilli表示。“但许多炸药设置在浪区环境中，能见度的缺乏增加了安全处理的难度。这是我们技术可以用于的众多应用之一。”
Sonar-MASt3R方法基于法国研究人员开发的现有技术MASt3R。MASt3R是一种图像匹配算法，经过训练可以接收同一场景的视觉图像，并快速估算每个像素的相对深度。通过这种方式，MASt3R可以基于相机的2D图像生成实时的环境3D地图。“缺点是没有尺度感，”Phung说。“它会说‘这个像素距离比这个像素近五个单位’，但不能判断这是5米还是5英尺。”幸运的是，声纳提供了绝对尺度的测量。声纳反射的时间可以直接转换为物体的具体深度和距离，以及它们的形状和轮廓。在新研究中，Phung和Camilli利用声纳数据纠正MASt3R的缩放，生成水下环境的精确3D地图。即使在浑浊水域，该方法的声纳校正地图也能使机器人知道物体的精确位置，从而安全移动至更近的观察距离，随后机器人可使用传统光学相机进行更详细的观察。
团队在一个装满水、沉积物和各种物体（如小卵石、咖啡杯和包装箱）的水箱中测试了Sonar-MASt3R。水箱内，他们还设置了一只机械臂，并在其上安装了水下相机和声纳传感器。在每次实验运行中，首先进行一次扫掠轨迹，让机械臂缓慢从水箱一侧扫到另一侧，以捕捉声纳和视觉数据。通过这次扫掠，Sonar-MASt3R迅速创建了基于声纳的粗略形状和轮廓地图。然后，该粗略地图用于记录物体的近距离相机图像，从而提高地图的分辨率。“关键帧”方法迅速将每个新图像帧与最后一个关键帧进行比较。如果一个帧提供了新信息而不是最后一个关键帧包含的内容，则将其添加为新关键帧。如果相似，则立即丢弃。通过这种方式，该方法能够实时快速填充地图的相关视觉细节。研究人员在水下测试了他们的新方法，测试了通过搅动水箱沉积物而创建的八种不同浑浊度。与其他光声融合方法相比，Sonar-MASt3R生成了更准确的3D地图，并在更浑浊的条件下解决了更小的厘米级细节。在最浑浊的条件下，机械臂的摄像头无法看清，但其声纳传感器能够生成水箱隐藏物体的粗略地图。这个初步地图使机械臂能够安全穿越浑浊水域，靠近特定物体，水下相机随后可以更详细地进行可视化。
“可以类比为你在黑暗中进入一家瓷器店，试图找到特定的咖啡杯而不打翻东西，”Camilli表示。“这将使你能够做到这一点。”团队计划在自然水下条件下测试该方法，他们怀疑映射任务会更简单。“在水箱中，就像是一个回声室，”Camilli说。“就像在一个有趣的镜子环境中，产生了各种失真、回声和虚影，真正使处理复杂化。如果在真实世界中进行，应该会更简单。”他们表示，Sonar-MASt3R可以帮助科学家安全探索浑浊、混浊的水下区域。“这项工作的真正价值在于，我们可以在当前无法处理的任务场景中应用这项技术，”Phung说。“因为我们没有观察或感知能力，存在很多无法处理的任务。”这项研究得到了NASA和国家科学基金会的部分支持。
博主点评： Sonar-MASt3R的技术突破将显著提升水下探测与操作的能力，尤其是在能见度极低的环境中。通过有效结合声纳与光学数据，该系统展现了光声融合的巨大潜力，为未来的水下科学探索和实际应用开辟了新的可能性。期待其在实际应用中的表现！