海洋科考中的ROV成像、采样系统需求分析 - 海底岩石采样装备

Sealien：

全文共 4400字，阅读大约需要 8分钟。（文末的腾讯广告，每点击一次，我们就会获得0.5元的收入，您的爱心都会捐赠给贫困地区的孩子，我们会定期公布捐赠用途。感谢您长期以来的支持！❤）

前面我们针对6000米级ROV在科考任务中的机械手、传感器及通用需求进行了简要分析，并对相关性能进行了介绍。但实际上，每次大深度下潜，都需要尽可能多的获取大量科考信息。本篇将围绕ROV的成像系统、采样系统进行介绍和分析。

BBC纪录片：探访深海盐池里的外星世界

©BBC

▼

关闭

观看更多

更多

退出全屏

视频加载失败，请刷新页面再试

刷新

视频详情

深  海  智  人     用  智  慧  点  亮  深  海编辑 | 火体虫

排版 | 三叶虫

1

成像系统

3D高清摄像机

拥有3D视频功能并没有什么优势，它很少能够用于研究或教育。由于视频内容复杂、数据存储占用大量空间以及缺乏应用和市场，许多科学家表示，他们对该技术在ROV上的应用持怀疑态度。该技术对ROV操作人员的导航、采样和机械手使用都是有利的。一些科学家表示，这有助于外部拓展和教育培训。3D高清摄像机在深海的成熟应用还需要一段时间。

Bowtech 水下高清3D相机

©互联网

▼

4K摄像机

大多数科学家赞成4K视频作为ROV标准的视频格式。4K视频是视频纪录片的基本要求了，并将很快在消费市场得到广泛使用。科考应用者更关注它的数据容量、易用性和存储。

APEX SeaCam 4K水下高清摄像机，适用水深6000米

©互联网

▼

云台及变焦功能

所有受访科学家都认为，ROV至少配置一个变焦摄像机的云台，以便扩大视野，变焦功能用于远距离观察生物。

一般推荐使用配置

成像系统的设计应使科学家能够控制至少一个主摄像机。记录一些信息，这样可以校准图像。变焦最好以数字形式上传。配备一个4k广角相机和一个变焦相机，主相机也必须具备全局视野。在很多情况下，最高分辨率的相机可用于三维重建。低感光高分辨率相机。生物发光的成像需要10E-5 勒克斯的照明。视频的注释和存档。摄像机应放在耐压容器内再部署到ROV上。优先考虑高分辨率和广角视野。

SubAtlantic 水下多功能云台

©互联网

▼

高分辨率静止图像捕获

所有受访科学家表示，静止图像捕获用于分辨精细尺度的生物特征，对于科研、教育、出版刊物是至关重要的。

对于从高分辨率（4K）视频中提取高分辨率静止图像（抓帧）的软件能力存在不同的看法，有时候折中考虑可以不强调采用这种技术。在机器视觉应用程序中使用抓帧会遇到素材交错，运动模糊和各种压缩伪像的问题。编解码器会在光线不足的区域进行压缩，从而在处理图像的这些区域时造成双重问题。具有良好校准的定焦镜头（最好是广角）和强大的闪光灯的原始记录高分辨率静态相机将是一项巨大的开支。

深海高分辨率相机捕获的超高清静止图像

©互联网

▼

全光谱LED照明

照明是水下机器人很讲究的一门技术，对于这一话题科学家提出了不同的意见，包括:

ROV应具备动态调整照明场的配置（强度，投影角度）能力，尤其是在近距离拍摄，视频勘察之间切换时。仅拥有695或700nm的LED光是不够的，因为许多深海生物都可以看到短波光的余晖。需要切断滤光片才能阻止这些较短的波长。此外，对于荧光成像，除了深蓝色的照明外，还需要照相机使用黄色滤光片。所有的摄影和摄像工作都需要尽可能合理采用最佳照明。如果使用LED光，必须使用全光谱。可调光很理想，这是因为一些深海物种可以看到不同波长光。最重要的是安装的灯的色温不会混淆，即所有的灯都相同。混合温度会产生斑驳的图像。应将LED朝蓝色优化，以尽可能达到目标。一些从事水上动物区系调查的人确实需要红外线来进行非侵入性生体测量。应该提供各种照明角度，包括上方的条形照明灯和侧面的照明灯，可以打开或关闭这些照明灯以扩展主摄像机和任务摄像机的视野。更直接的向下照明灯照亮采样篮也很重要。这些灯都应该是可调光的。

Bowtech 各种类型的水下灯光

©互联网

▼

录音功能

一些人普遍关注录音功能，因为迄今为止在这方面所做的工作很少。人们普遍认为，只有在使ROV静音时才能实现，从而使麦克风能够真正收听，如果ROV具有中央液压动力装置，则录音将主要受其噪音的干扰。应当指出的是，具有比人类音频频带（至少200 kHz的带宽）更宽的记录频谱是最好的。更多的科学家则表示，他们没有使用音频数据。

支持多格式/编解码器的视频记录系统

科学家们对这个问题的观点不尽相同。许多人认为拥有多格式/编解码器选项至关重要，以便可以为各种用途选择适当的文件大小和数据量。其他人则指出，建立高质量标准以确保连续记录高质量视频非常重要，但是目前市场上有许多格式和编解码器，因此提供标准格式并引导用户使用转换工具是个不错的选项。

抓帧器

抓帧器用于自动生成潜水活动的可视化摘要、出版图像、网站、新闻，以及随后的潜水活动分类。不需要设置数码静态相机来捕捉图像确实有很多好处。有人建议确保系统中有文档软件，这样图片就可以附带注释。此外，还提到手动抓帧也很有用，特别是对于由摄像机跟踪的样品采集和仪器部署的实时记录。如果没有这个功能的话，你就不得不请一个人回到岸上专门做这个重复性劳动。

成像系统的一般建议

最好的视频也仅仅能形成漂亮的图片，除非可以非常准确地定位，进行水下场景重建。许多科学用户没有办法将视频观测结果转换成数字拼接。为选定目标提供快速、系统地处理照片镶嵌的程序，将会改变我们的可视化和通信能力。同时覆盖传感器和导航数据。成像可能是ROV上传感器系统的最重要功能。 需要保证成像组件非常出色（光线充足）。带遮光罩的相机可以挡住其他LED闪光灯，减少操作员的精力分散。为了便于定量测量，必须对所有摄像机的固有参数和外部参数进行校准。同时要考虑ROV上所能为成像系统提供的有效荷载。每一部相机都应该有其特定的功能，且相互补充。视频再美无法提取环境信息也可能是个鸡肋。对于主成像系统来说，激光标定也很重要。1

采样系统

采水器

对许多特定科考来说，取水将是非常重要的，取水听着简单，但实则不易。为了从样品中获得良好的科学性，采样器必须是不透水和不透气的，不可反应的，并且可能需要进行温度控制。搭载在ROV侧面的瓶子会很快变脏，甚至被ROV夹带的水混杂也降低了这些样品的有效性。用于热水流体的钛采样器也很重要。

采水器配置建议：

从海底流出的流体/气体取样很重要，但是要获得良好的样品，需要将进样口系统放入流场中，这很难做到，采样器中可能会混入天然气，形成水合物。使用搭载在ROV的Niskin瓶收集少量（<10升）环境海水样品的能力非常重要。在底栖生物附近收集精确定位的水样对于许多研究也很重要。ROV的采样工具还应包括用于收集高温热液的标准750毫升钛合金注射器，并且ROV将需要执行器来触发这些注射器，并需要一个存储所收集注射器样品的场所（每次潜水至少要两个）。即时取水是个很实用的功能。比如集成PMEL HFS系统或WHOI SUPR采样器类似或更好的一些自动化软件。基本的工具如WHOI钛注射器，Lupton气密性工具等。ROV维修人员唯一易于维护的是钛合金注射器。其它采样器必须尽可能简化，以便用户和供应商都可以轻松地共同维护和使用这种系统。

工作人员正在检查安装在ROV上的Niskin 采水瓶

©互联网

▼

多腔吸入式取样器

绝大多数科学家都赞成将此采样器作为ROV的常规附件使用。它具有通用性，这对于收集小型生物和颗粒物质非常有用。科学家们希望这种取样器得到大量应用。

多腔吸入式取样器配置建议

腔室的大小至少应为一升或半升左右，但也应有20个或更多的腔室-取样沉积物，例如：火山地层层序中的火山岩，需要在多层岩层取样。

考虑在软管的入口处有安装振动凿子，以疏松结实的岩土，但这种方式对坚硬的岩石不起作用。

多腔吸入式取样器

©互联网

▼

推芯取样

这种设备不算贵，也是ROV采样器的一部分，用来取样软质沉积物。

推芯取样配置建议

ROV应有一个托盘，用于安装4-6个推芯管机架。确保推芯机架的结构强度，该系统带有底部限位器，可以在复位后将其从机架上卸下。理想情况下，推芯应放在12个管中，并且可在前采样篮上配置，以适应各种科学潜水需求。

ROV在海底操作推芯取样器

©互联网

▼

凿岩机/切割机/分流器/取芯

这种设备饱受争议，只有少数人认为有用。这种原位“锯”很容易被锯缝夹住。有效载荷和下潜时间对这类作业的影响很大。最初的ROV设计至少应考虑必要的有效负载能力和辅助液压动力，以操作诸如岩石锯之类的重型科考工具。如果有这类专门的工具那是非常好的，但是如果研制出来又不好用也挺让人沮丧。还有一种附带抽吸管的振动凿子据说很实用。

科学家们使用这种岩心钻在单次下潜中收集了多个质量很好的沉积物芯，仿佛就像是外科手术一样的水平。英国ISIS和台湾的一台科考ROV已经使用了。

凿岩机/切割机/分流器/取芯关键分析

如何保持恒定的钻头压力（因为ROV一直在飘着，用推进器很难实现精确控制）？如何从岩石中取出岩心（假设没有钻透，而是需要在岩壁内部将其折断）?在钻进时如何操作ROV（因为如果ROV和钻头牢固连接，那么钻头将ROV死死固定在一个点上）?钻取时如何保持垂向对齐?看看建造者如何在混凝土墙上打圆孔。想一想在水下如何做到？确实很难！

一种基于ROV动力的岩芯取样装置

©互联网

▼

多室绝缘生物箱(用于脆弱动物)

这种工具普遍被认为很重要，科学家们建议将隔间设为各种大小。该设备对于活体动物取样至关重要，对于基因研究来说也是最合适的保存方法。深海采样要求生物箱绝缘良好。除了用于底部样品的生物箱之外，还可能需要用于中层水样品的碎屑取样器。

多室绝缘生物箱

©互联网

▼

深海加压取样器

该系统有在压力下爆炸的风险，例如，对约2000m以下的微生物进行加压采样以及对气体水合物进行采样。一旦样品返回地面，还需要设计一个系统来处理它们。

多个科学家称这种系统为装有炸弹的ROV。有人指出，可以在上浮过程中稍微泄压。可能需要考虑轻微的打嗝现象，但由于水几乎不可压缩，因此风险很小。

生物采样系统一般建议

大多数人都会带上自己的采样设备，因此重点应放在ROV系统中已经集成的设备（抽吸采样器，锯/分流器）。需要中层水碎屑取样器。近年来，注射器采样器对于微生物垫和沉积物的采样变得非常重要。从简单到复杂，已经进行了各种设计。有些使用机械臂上的液压柱塞作为执行器（例如Major和Gastight采样器），而另一些使用液压系统功能，泵和计算机控制来操作。杰森（Jason）的系统比较低端，而西华盛顿大学（WesternWashington University）的系统比较高端。应该包括带收集漏斗的加压采样器。可以将其连接到ROV框架，类似于水采样器。

深水加压生物采样器

©互联网

▼

今天的内容就介绍到这里，希望能为ROV的科考工作带来一定的帮助，用更合理的成像系统和采样系统去探索海底深处的奥秘。

商务合作及文章转载须知：1、与【深海智人 Sealien】合作，让您的产品大量、精准曝光，如有需求，请联系微信：Shouhuihua888。2、文章部分图片和信息引自互联网。3、转载请在文章开头处注明“转自深海智人”。

往期推荐

硬货：全球主要载人航行器大检阅

6000米级ROV在海洋科考中的任务需求分析

海洋科考中的ROV通用任务、典型传感器及机械手任务分析

深海装备抵抗千钧水压，少不了这个组件

水下机械手的应用现状与进化之路

-END-

在【添加好友】-【搜索公众号】中查找【深海智人】并关注或长按识别下方二维码

subscribe to us search Sealien-2017 in Wechat public account

转发是最好的鼓励

传播海洋强国离不开“智友”的支持