Mit künstlicher Intelligenz zu rauschfreien Unterwasserbildern

Das Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung (IGD) ist eine Einrichtung für angewandte Forschung rund um Visual Computing. Visual Computing ist eine bild- und modellbasierte Teildisziplin der Informatik. Vereinfacht gesagt, geht es dabei um die Fähigkeit, Informationen in Bilder umzuwandeln und aus Bildern Informationen zu gewinnen.

Ein Referenzprojekt des Fraunhofer IGD ist die Bildbe- und -verarbeitung von Unterwasseraufnahmen. Der Nutzen dieser Technologie umfasst ein breites Spektrum: Von der Qualitätsverbesserung der Bilder über die Vermessung bis zu 3-D-Rekonstruktionen. Denn obwohl mehr als zwei Drittel der Erdoberfläche von Wasser bedeckt sind, weiss die Menschheit mehr über die Rückseite des Mondes als über unsere Meere. Unterwasserkameras spielen beim Entdecken und Aufklären eine wichtige Rolle, beispielsweise zur Inspektion von Unterwasserbauwerken, bei der Erkennung von Munitionsaltlasten oder der Erforschung des Meeresgrunds.

Unterwasseraufnahmen stellen viel höhere Anforderungen an eine Kamera als herkömmliche Fotos, die an Land geschossen werden. Zum einen muss die Aufnahme- und Beleuchtungstechnik wasserdicht sein und je nach Wassertiefe auch einem hohen Druck standhalten. Durch die optischen Eigenschaften des Wassers wird das Licht zudem anders beeinflusst als bei Aufnahmen, die überwasser gemacht wurden. Zusätzlich beeinflussen die im Wasser vorhandenen Schwebteilchen die Bildqualität: im schlimmsten Fall entsteht ein Rauschen oder das Foto ist unscharf.

Der Qualitätsunterschied ist gut sichtbar (Source: Fraunhofer IGD)

Eines der Ziele des Fraunhofer-Instituts ist es, Verfahren für die effiziente Erstellung, Aufbereitung und Auswertung von Unterwasseraufnahmen zu erforschen. Momentan benötigen solche noch ein extrem hohes Mass an Vor- und Nachbearbeitung, welche meist manuell vorgenommen werden muss.

Das Projekt "Underwater Vision" verfolgt daher mehrere Teilziele:

• Eine optionale Erfassung von Stereoaufnahmen unter Wasser (Einzelbilder wie auch Videoaufnahmen) mit flexibler Stereobasis.

• Eine automatisierte Bildverbesserung der Aufnahmen mit den Schwerpunkten Farbkorrektur, Rauschminderung und Bildschärfe.

• 3-D-Rekonstruktionen aus Unterwasser-Stereobildern/-sequenzen.

Netzwerke trainieren sich gegenseitig

Neu ist der Einsatz von künstlicher Intelligenz in Form sogenannter Autoencoder und Generative Adversarial Networks bei der Bildbearbeitung und –verbesserung. Das eingesetzte künstliche neuronale Netzwerk erkenne die zu verbessernden Parameter und passe diese selbstständig an. Ein weiteres solches Netzwerk ist für das Training verantwortlich. Es generiert künstliche Trainingseinheiten, welche im normalen Ablauf rar sind. Durch diese Einbindung der künstlichen Intelligenz müssen keine Parameter mehr manuell eingestellt werden. Die Netzwerke trainieren sich und entwickeln sich selbstständig weiter und liefern so immer bessere Ergebnisse.

So sieht ein durch KI-bearbeitetes Bild aus. (Source: Fraunhofer IGD)

Die KI-gestützte Bildverbesserung bereitet die Aufnahmen in Echtzeit auf. So sollen Unterwasseraufnahmen effektiver und schneller möglich sein. Die Lösung lasse sich für eingebettete Systeme in smarten Kameras oder auf Unterwasserfahrzeugen lizenzieren. Vorteilhaft sei insbesondere, dass das intelligente Bildverbesserungssystem bei geringem Stromverbrauch arbeitet.

Vom 17. bis am 19. März findet in London die Oceanology International statt. Die grösste Ausstellung für Meerestechnik findet alle zwei Jahre statt und feiert 2020 ihr 50-jähriges Jubiläum. Mehr als 500 Aussteller zeigen den 8'000 Teilnehmern alles rund um Erforschung, Überwachung, Entwicklung oder Schutz der Weltmeere. Diverse Live-Demonstrationen und interaktive Seminare runden den Anlass ab. Auch die Lösungen der Fraunhofer IGD werden dort vorgeführt.