Lichtreflexionen, Schwebteilchen, Fehlfarben: Hochwertige und damit aussagekräftige Videoaufnahmen unter Wasser sind bis heute schwer zu produzieren. Das Fehlen eines »klaren Durchblicks« ist für Hobbytaucher ärgerlich. Bei der Inspektion von Schiffen und Offshore-Windparks, bei der Erforschung maritimer Lebensräume oder beim Betrieb von Aquakulturen hingegen macht es Unterwasservideos als Analysewerkzeug oft unbrauchbar. Mit einer Reihe von Verfahren und Lösungen für die Bildverarbeitung von Unterwasseraufnahmen lässt sich die Aussagekraft der Unterwasserbilder jetzt erheblich steigern.

Kavitationsfraß ist eine mögliche Ursache für mechanische Schäden an der Oberfläche eines Körpers im Wasser. Die Entstehung und Implosion von Blasen  führt bei Schiffspropellern dazu, dass ihre Antriebsleistung über ihren Lebenszyklus hinweg immer weiter abnimmt. Aber: Sind die Schäden bereits so groß, dass ein Austausch jetzt schon erforderlich ist? Und wie sieht es mit Bewuchs und Schmutzablagerungen oder Schäden am Lackanstrich des Rumpfes aus? Eine Möglichkeit, diese Fragen zu beantworten, ist der Weg ins Trockendock. Eine erheblich günstigere: eine Inspektion mit Unterwasserkameras. Die Aussagekraft von Videoaufnahmen unter Wasser ist allerdings oft nicht gut genug, um - im wahrsten Sinne des Wortes - Klarheit zu schaffen. Ursache dafür sind nicht etwa eine ungenügende Aufnahmetechnik, sondern die speziellen Bedingungen des Mediums Wasser: Denn Erstens muss die Kamera in ein wasserdichtes Gehäuse verpackt werden. Die  Kamera filmt also durch eine Scheibe hindurch, was zu Verzerrungen durch Brechung führt. Zweitens ist Wasser bei Weitem nicht so durchsichtig wie Luft. Kleinstlebewesen und Schwebteilchen behindern die klare Sicht der Kamera auf das zu filmende Objekt zusätzlich. Und Drittens herrschen unter Wasser naturgemäß ausgesprochen schwierige Lichtverhältnisse. Licht wird im Wasser wellenlängenabhängig absorbiert. Mit der Entfernung von der Lichtquelle nehmen Farbverschiebungen in den Videoaufnahmen immer mehr zu. So werden Rottöne bereits wenige Meter unter dem Wasserspiegel weitgehend geschluckt. Die Folge sind schlechte Sicht und stark verrauschte Bilder.

Fraunhofer-Forscher verbessern Unterwasseraufnahmen. Bild: Fraunhofer IGD

Die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Graphische Datenverarbeitung IGD am Standort Rostock entwickeln spezialisierte Verfahren und Lösungen, die auf die Bedingungen bei Unterwasseraufnahmen abgestimmt sind. Herzstück dabei ist die nachträgliche Aufbereitung der Videoaufnahmen, mit der sich eine deutliche Verbesserung der Wiedergabequalität von Unterwasservideos erzielen lässt. »Filmaufnahmen werden nun in erheblich größerem Umfang als bisher zu einem leistungsfähigen Analysewerkzeug für wissenschaftliche und industrielle Anwendungsbereiche«, so Matthias Vahl vom Fraunhofer IGD. »Bisher war es zum Beispiel alles andere als trivial, in den Aufnahmen zu erkennen, ob kleine Objekte Anlagerungen auf der Bordwand oder einem Unterwasserbauwerk sind oder nur Schwebteilchen im Wasser«. Intelligente Bildanalyseverfahren können das nun zuverlässig bestimmen und bei der Auswertung der Videoaufnahmen ausblenden. Grundlage dafür sind Algorithmen, mit denen die Objekte in den Videobildern über die Zeit verfolgt werden. Auch für die Vermessung von Objekten in Unterwasseraufnahmen entwickeln die Forscher zuverlässig arbeitende Lösungen. Hierbei werden die Videos mit zwei Kameras aus unterschiedlichen Blickwinkeln aufgenommen. Aus den Differenzen der Bilder lässt sich dann auf die Entfernungen von Objekten und zwischen zwei Punkten schließen.

Eine besondere Herausforderung bei Unterwasseraufnahmen stellt die realitätsgetreue Darstellung der Farben von Objekten, Lebewesen und maritimen Szenerien dar. Verschiebungen im Farbspektrum gibt es auch bei Kameraaufnahmen an Land. Und praktisch jede Kamera beherrscht heute Verfahren zum Weißabgleich, um je nach Lichtquelle oder Sonneneinstrahlung etwa einen Blaustich in den Videoaufnahmen zu vermeiden. Unter Wasser sind diese Verfahren allerdings bei Weitem nicht ausreichend. Denn während in der Luft die Farbverschiebungen unabhängig von der Entfernung zu den Objekten nahezu identisch auftreten, verändert sich die Farbwiedergabe unter Wasser bereits innerhalb weniger Meter sehr stark. »Um dieses Problem zu lösen, müssen je nach Entfernung der Bildinhalte unterschiedliche Filter zur Farbkorrektur miteinander kombiniert und eingesetzt werden«, so Vahl. In einem ersten Schritt entwickeln die Forscher eine Umsetzung, bei der die Bildinhalte zuerst in Vorder- und Hintergrund aufgeteilt und dann entsprechend mit unterschiedlichen Filtern bearbeitet werden. Noch wesentlich realistischere Farbverbesserungen wollen sie künftig durch die Verwendung von Tiefeninformationen erreichen. Dafür werden aus Videoinhalten Tiefenkarten berechnet, mit der die Lage der einzelnen Objekte bestimmt werden kann.

Durch die verbesserten Unterwasseraufnahmen, dienen z.B. Screenshots aus Filmaufnahmen als aussagekräftige Analysewerkzeuge. Bild: Fraunhofer IGD

Zum Einsatz kommen die vom Fraunhofer IGD entwickelten Verfahren und Werkzeuge zur automatisierten Verbesserung von Unterwasservideos nicht nur im Bereich der Inspektion von Schiffen, Bohrinseln oder Unterwasserbauwerken. Sie unterstützen beispielsweise auch Meeresbiologen bei Untersuchungen von maritimen Lebensräumen. Automatische Videoanalysen sollen künftig dazu in der Lage sein, Fischarten zu erkennen, zu klassifizieren und zu zählen. Beim Betrieb von Aquakulturen ermöglicht die verbesserte Aussagekraft von Videobildern auch eine Kontrolle des Fischbestands. Ungewöhnliche Verhaltensmuster einzelner Fische können so festgestellt werden. Wenn sich Fische vom Schwarm lösen oder deutlich langsamer bewegen als ihre Artgenossen, kann dies auf Erkrankungen hinweisen. Klare Sicht mit der Unterwasserkamera benötigen zudem auch Archäologen für die Rekonstruktion versunkener Schiffe oder für die Bestimmung früherer Flussverläufe.

Das Fraunhofer IGD plant den Forschungsbereich der Unterwasserbildverarbeitung in Zukunft noch weiter auszubauen. Als Projektpartner steht ihm das Fraunhofer IOSB mit seinen weitreichenden Erfahrungen im Bereich der Bildrestauration zur Seite. (stw)

Keine Kommentare vorhanden

Das Kommentarfeld darf nicht leer sein
Bitte einen Namen angeben
Bitte valide E-Mail-Adresse angeben
Sicherheits-Check:
Zwei + = 3
Bitte Zahl eintragen!
image description
Experte
Alle anzeigen
Matthias Vahl
  • Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD
Weitere Artikel
Alle anzeigen
Sicher, aber nicht benutzbar?
Boom des Binären
Der Zauber von Marktkonformität und Usability
Stellenangebote
Alle anzeigen