[論文レビュー] Design and Implementation of a 3D Undersea Camera System

Xida Chen, Steve Sutphen+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2015

Infrared Target Detection Methodologies参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、構造化光（グレイコード）法を用いて、ミリメートル精度の連続的3次元再構成を実現する、複数のカメラおよびプロジェクタを備えた恒久的に設置された3次元水中カメラシステムを提案する。このシステムは低コストでハードウェアを用い、リアルタイム制御が可能であり、時間分解能とデータの連続性においてROV/AUV調査を上回る。

ABSTRACT

In this paper, we present the design and development of an undersea camera system. The goal of our system is to provide a 3D model of the undersea habitat in a long-term continuous manner. The most important feature of our system is the use of multiple cameras and multiple projectors, which is able to provide accurate 3D models with an accuracy of a millimeter. By introducing projectors in our system, we can use many different structured light methods for different tasks. There are two main advantages comparing our system with using ROVs or AUVs. First, our system can provide continuous monitoring of the undersea habitat. Second, our system has a low hardware cost. Comparing to existing deployed camera systems, the advantage of our system is that it can provide accurate 3D models and provides opportunities for future development of innovative algorithms for undersea research.

研究の動機と目的

• 間欠的ROV/AUV調査の限界（高コスト、頻度の低いデータ収集、GPSの不正確さ）を是正すること。
• 高い時間分解能を備えた、連続的で長期的な水中生態系モニタリングを可能にすること。
• 生態的・環境的調査に適した正確な3次元モデルを提供する、低コストで恒久的に設置可能なシステムの開発。
• 水中の屈折と大容量のデータが原因で生じる3次元再構成の課題を克服すること。
• 将来的な水中モニタリングおよび生態系分析におけるアルゴリズム開発のためのスケーラブルなプラットフォームを提供すること。

提案手法

• 深海への設置を想定した防水・耐圧性ハウジングに、8台のカメラと3台のプロジェクタをネットワーク化して設置する。
• Web-Iパワー・リレーボードを介して、遠隔地からソフトウェア制御で全システム部品の電源オン／オフを可能にする二重PCアーキテクチャを採用する。
• グレイコードパターンを用いた構造化光スキャンを実施し、水中シーンの高精度3次元再構成を実現する。
• カメラの内部パrameterと相対的なカメラ姿勢（水中による歪み補正を含む屈折界面補正を含む）を求めるためのシステムキャリブレーションを実施する。
• キャプチャした画像および3次元モデルを直接リモートサーバーにアップロードするデータパイプラインを実装し、オンボードストレージの必要を最小限に抑える。
• 地上からのリアルタイムデータストリーミングとシステム制御を可能にするために、イーサネットスイッチを介したケーブル接続アーキテクチャを採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 恒久的に設置された低コストカメラシステムは、水中生態系のミリメートル精度の3次元再構成を達成できるか？
• RQ2 濁った屈折性の高い水中環境において、複数のプロジェクタを用いた構造化光スキャンは、従来のステレオビジョンに比べて3次元再構成精度をどのように向上させるか？
• RQ3 遠隔電源制御とリアルタイムデータストリーミングを備えたシステムは、海底生態系の連続的で長期的モニタリングをどの程度可能にするか？
• RQ4 キャリブレーションによって、水中屈折が3次元再構成精度に与える影響をどの程度軽減できるか？
• RQ5 本システムは、より高い時間分解能を備えた生態モニタリングのための、ROV/AUV調査の代替手段として実用的でスケーラブルな選択肢を提供できるか？

主な発見

• 実験室条件下でグレイコード構造化光を用いた3次元再構成において、サンゴ礁モデルでミリメートル精度を達成した。
• 3次元再構成結果は、[15]で用いられたPMVS2手法と比較して、表面のテクスチャーや微細構造をより優れた精度で捉えていた。
• 設置直後から連続的な画像キャプチャと3次元再構成が可能であり、長期運用の可能性が確認された。
• ソフトウェアプログラマブルなWeb-Iリレーボードの使用により、全デバイスの遠隔制御が可能となり、特に光の干渉を抑えるためにプロジェクタの選択的起動が可能になった。
• 小さなプロジェクタのずれにより部分的な3次元再構成が観測されたが、これはキャリブレーションエラーであり、今後のバージョンで是正可能であることが判明した。
• データの連続性と時間分解能において、ROV/AUVベースのモニタリングを上回り、年2回の調査から、オンデマンドまたは毎時のデータ収集が可能になった。