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Development of underwater active 3D scanning techniques and analysis on underwater structures

Research Project

Project/Area Number 20H00611
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 61:Human informatics and related fields
Research InstitutionKyushu University

Principal Investigator

川崎 洋  九州大学, システム情報科学研究院, 教授 (80361393)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 巻 俊宏  東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (50505451)
小池 賢太郎  国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, 港湾空港技術研究所, 主任研究員 (30781992)
佐藤 啓宏  京都先端科学大学, 工学部, 講師 (00607591)
唐 毅  北見工業大学, 工学部, 助教 (10975486)
古川 亮  近畿大学, 工学部, 教授 (50295838)
佐川 立昌  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 情報・人間工学領域, 研究チーム長 (30362627)
THOMAS DIEGO  九州大学, システム情報科学研究院, 准教授 (10804651)
岩口 尭史  九州大学, システム情報科学研究院, 助教 (50845526)
高松 淳  奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 客員教授 (90510884)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥44,330,000 (Direct Cost: ¥34,100,000、Indirect Cost: ¥10,230,000)
Fiscal Year 2024: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
Fiscal Year 2023: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000)
Fiscal Year 2022: ¥12,610,000 (Direct Cost: ¥9,700,000、Indirect Cost: ¥2,910,000)
Fiscal Year 2021: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000)
Fiscal Year 2020: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
Keywordsアクティブ3次元計測 / 水中ROV / 水中AUV / 水中SLAM / 水中構造物計測 / SLAM
Outline of Research at the Start

水中での形状計測や解析に対する関心が高まっている。本研究では、高密度・高精度に広範囲の水中の3次元形状を計測する手法を開発する。提案手法は、単画像から形状復元可能なため、複数画像間の複雑な屈折の関係や見え方の違いなどを考慮する必要がなく、水中での計測に適している。さらに、視点移動が可能なことから、ROVやAUVなど水中ロボットに搭載し、移動しながら水中の3次元形状を取得し、これらを位置合わせすることで、GPSの使えない水中においても広範囲の形状を計測できる。提案システムにより、海底の詳細な地形図の作成や水中構造物の定点観測による老朽化の解析など、幅広い応用や実社会での利用が期待される。

Outline of Annual Research Achievements

水中での形状計測に対する関心が高まっていることから、本研究では、高密度・高精度に広範囲の水中の3次元形状を計測する手法を開発する。提案手法では、ROVやAUVなどに水中ロボットに、本課題で開発した計測装置を搭載し、移動しながら水中の3次元形状を取得・統合することで、GPSの使えない水中において広範囲の形状計測を実現する。
具体的には、水中3次元計測の課題である、①屈折や光量減衰、ベースライン不足によるアクティブ計測の精度低下、②電波が届かず見通しの悪い水中での自己位置推定の困難さ、さらに③複数の3次元形状を統合・解析手法を提案する。
初年度は、水中アクティブ3次元センサの基礎アルゴリズムの開発および、水中ロボットを用いたテストを屋内プールにて実施し特許出願した。
2021年度は、開発した水中アクティブ3次元センサを用いた性能評価と、広範囲計測のためのアルゴリズム開発および、水中ロボットに3次元センサを設置して水中で形状計測するための実験を屋外(横浜港湾)にて実施した。その結果、屋外では水質が非常に悪いこと、また水中GPSの位置決め精度が空中のGPSなどに対して非常に低いことなどが判明した。そこで、2022年度は、音響ソナー(DVL)を用いた自己位置を初期値として、広域な水中を復元するSLAMにおける基礎アルゴリズムを開発した。さらに、そうして得られた初期値を用いて全体最適化を実現するバンドル調整法を開発した。また、港湾などにおける低画質の水中画像を、より鮮明かつカラーバランスの正しい画像に改善する深層学習手法を新たに開発した。それらの成果は国内外の著名な会議に採択され発表した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度(2022年度)は、以下に述べる大きく3つのテーマで研究開発を行った。それぞれの進捗状況を鑑みるに、概ね順調に進展していると言える。
(A) 光切断法によるライン形状のブロック化によるSLAM手法:提案手法は、光切断法による3次元センサを動かしながら得られた複数フレームの3次元形状を統合することで、広域な水中の地形や構造物を取得するSLAMアルゴリズムである。本年度は、個々の復元におけるスパースな3次元点群と、撮影された画像特徴点を用いて得られた個々のカメラ位置姿勢を初期値として、バンドル調整により全体最適化する手法において、フレーム単位だと形状がスパースなため不安定となることから、40フレーム程度をブロック化することで安定した処理を実現した。成果を、画像の認識・理解シンポジウム(MIRU2022)にて発表した。
(B) 音響ソナーとカメラの自己校正による広域の水中3次元復元:また、港湾など屋外の水中シーンでは透明度が低いことや、堆積物により表面が単一色であることから、撮影画像から特徴点を抽出することが困難な場合が多い。そこで、水中ロボットに音響ソナーを設置して初期位置・姿勢を得るシステムを構築した。音響ソナーと、3次元計測用カメラとの間の位置姿勢の関係は未知のため、これを校正するアルゴリズムを開発した。成果を、情報処理学会CVIM研究会にて発表した。
(C) 深層学習による水中画像の画質改善手法の開発:実際に港湾などにおいて計測した画像を検査に用いるためには、より鮮明かつカラーバランスの正しい画像が必要であることが判明したため、深層学習により水中画像の画質改善を実現する手法を新たに開発した。Neural ArchitectureSearch (NAS)を用いた手法を提案したところ既存手法を上回る性能を示した。成果は国際的に著名なACCV会議に採択され、発表した。

Strategy for Future Research Activity

2022年の港湾における実験の結果、実際の環境においては、水質が悪いことがほとんどであり透明度が著しく低く、アクティブ3次元センサの計測範囲が数メータ以内にとどまることが判明した。また、水中GPSセンサも水中構造物によるマルチパスやベースライン不足などのため不安定であることが判明した。
このため、2023年度は、音響センサ・ソナーを使用することで、水中ロボットのグローバルな位置や姿勢精度を向上・安定化させるアルゴリズムを開発する。さらに、音響センサの一つであるDVLセンサによる速度情報を用いて、これまで開発してきたアクティブ3次元センサの計測結果を安定して統合するアルゴリズムを開発する。具体的には、得られた個々の光切断法による3次元点群と、DVLやIMUで得られた位置姿勢、および音響ソナーで得られた初期形状の全てを用いて、バンドル調整により全体最適化する手法を開発する。
また、昨年度と同様、水中ロボットに3次元センサを設置して水中で形状計測するための実験を実施する。水中ロボットは、九州大にあるBlueRoboticsおよび、東京大学にあるTritonを対象として、九州大学のプールおよび東大巻研究室の管理する実験水槽または平塚・下田の海域試験場にて計測テストやアルゴリズムの検証、精度評価等を実施する。その際に、水中構造物や障害物を検知し、衝突を回避する経路探索る手法を開発する
それらの計測結果を基に、水中構造物の計測・検査システムの開発を行う。前年度に引き続き、現状の港湾構造物の見学や維持管理者との打ち合わせ、さらに現地でのテスト計測を実施し、水中構造物検査の課題を明らかにするとともに、具体的な検査システム開発を進める。

Report

(4 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Comments on the Screening Results   Annual Research Report
  • Research Products

    (105 results)

All 2023 2022 2021 2020 Other

All Int'l Joint Research (3 results) Journal Article (51 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Peer Reviewed: 48 results,  Open Access: 23 results) Presentation (40 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 5 results) Book (2 results) Remarks (6 results) Patent(Industrial Property Rights) (3 results)

  • [Int'l Joint Research] Rice大学/MIT/Microsoft(米国)

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      Volume: - Pages: 120-137

    • DOI

      10.1007/978-3-031-26313-2_8

    • ISBN
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      Volume: 34 Issue: 5 Pages: 1024-1032

    • DOI

      10.20965/jrm.2022.p1024

    • ISSN
      0915-3942, 1883-8049
    • Year and Date
      2022-10-20
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      Volume: - Pages: 4243-4247

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      Volume: 0 Pages: 1-6

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      Volume: - Pages: 8286-8291

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      川崎洋 ,古川亮 , 佐川立昌
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      精密工学会誌

      Volume: Vol. 87 No.(8) Pages: 656-661

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      Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering: Imaging & Visualization

      Volume: 10 Issue: 5 Pages: 540-548

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      Volume: - Pages: 7551-7555

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      Volume: 9 Pages: 67432-67443

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      パターン認識・メディア理解研究会 (PRMU)2020, Vol.120 , No.187
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  • [Presentation] ドライブレコーダーデータから深層学習により推定した天候情報を用いた急ブレーキ推定2020

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      張ハンウェイ, 佐藤祐大, 川崎洋, 峯恒憲, 小野晋太郎
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      第18回ITSシンポジウム2020
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  • [Presentation] 深層学習による車載カメラ映像の半自動ラベル付けと交通事故シーンの認識2020

    • Author(s)
      レ チュンギア, 小野晋太郎, 杉本晃宏, 川崎洋
    • Organizer
      第18回ITSシンポジウム2020
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  • [Presentation] バックワードプローブによる交通状態推定のための 対向観測手法の検討2020

    • Author(s)
      河合 克哉, 竹之内 篤, 桑原 雅夫, 佐藤 祐大, 張 涵王韋, 峯 恒憲, 川崎 洋, 小野 晋太郎
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      第18回ITSシンポジウム2020
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 符号化開口を鍵とする情報秘匿方式の基礎検討2020

    • Author(s)
      水俣友希, 石田祥馬, 濱崎弘樹, 川崎洋, 長原一, 小野智司
    • Organizer
      情報処理学会 第83回全国大会
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  • [Book] 情報工学レクチャーテキスト 11 レクチャー マルチメディア 基礎からわかる音・画像・映像の情報処理2022

    • Author(s)
      川崎 洋, 柳井啓司, 佐川立昌, 森山 剛, 古川 亮
    • Total Pages
      232
    • Publisher
      数理工学社
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  • [Book] Active Lighting and Its Application for Computer Vision - 40 Years of History of Active Lighting Techniques -2020

    • Author(s)
      Katsushi IkeuchiYasuyuki MatsushitaRyusuke SagawaHiroshi KawasakiYasuhiro MukaigawaRyo FurukawaDaisuke Miyazaki
    • Total Pages
      303
    • Publisher
      springer
    • ISBN
      9783030565770
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  • [Remarks] 複数の十字平面レーザの自校正による水中アクティブ3次元計測手法

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      https://www.cvg.ait.kyushu-u.ac.jp/ja/research/Underwater_Laser_Calib_and_Reconst.html

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  • [Remarks] 水中高密度3次元復元のためのDNNによるマーカーベースのキャリブレーション手法

    • URL

      https://www.cvg.ait.kyushu-u.ac.jp/ja/research/Underwater_AR_Calib.html

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  • [Remarks] ライトフィールドカメラによる屈折フリー画像生成

    • URL

      http://www.cvg.ait.kyushu-u.ac.jp/ja/research/lytro_refraction_undist.html

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  • [Remarks] 水中におけるMulti-scaleCNNを用いたパターン投影ステレオ

    • URL

      http://www.cvg.ait.kyushu-u.ac.jp/ja/research/underwater_projectedpatternstereo.html

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  • [Remarks] ジオメトリ設定を一般化した水中Structure-from-Motionの研究

    • URL

      http://www.cvg.ait.kyushu-u.ac.jp/ja/research/uncalibrated_sfm_underwater.html

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  • [Remarks] 時空間レーザースペックルパターンの低次元埋め込みによる物体表面の微小運動の推定

    • URL

      http://www.cvg.ait.kyushu-u.ac.jp/ja/research/speckle2020.html

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  • [Patent(Industrial Property Rights)] 3次元形状計測装置2022

    • Inventor(s)
      川崎洋, 古川亮, 長枝浩、他3名
    • Industrial Property Rights Holder
      川崎洋, 古川亮, 長枝浩、他3名
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2022
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  • [Patent(Industrial Property Rights)] 測距装置及び測距方法2022

    • Inventor(s)
      ラ ブンヒン、岩口 尭史、長原 一、佐川 立昌, 川崎 洋
    • Industrial Property Rights Holder
      ラ ブンヒン、岩口 尭史、長原 一、佐川 立昌, 川崎 洋
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2022
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  • [Patent(Industrial Property Rights)] 画像生成処理装置、3次元形状の復元システム、画像生成処理方法およびプログラム2021

    • Inventor(s)
      川﨑 洋
    • Industrial Property Rights Holder
      川﨑 洋
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2021-119944
    • Filing Date
      2021
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Published: 2020-04-28   Modified: 2024-12-25  

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