成像技术消除水下场景中水体影响

麻省理工学院（MIT）与伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）的团队开发出一种图像分析工具，能够穿透海洋光学效应，生成仿佛排干海水般的海底环境图像，还原水下场景的真实色彩。该团队将此色彩校正工具与计算模型结合，可将场景图像转化为三维水下"世界"，支持虚拟探索。

研究人员将该工具命名为"SeaSplat"，名称既体现水下应用特性，又指代其核心技术——三维高斯溅射（3DGS）。该方法通过采集场景多角度图像进行拼接融合，生成可从任意视角细致观察的完整三维模型。

"SeaSplat能精准建模水体光学效应，本质上实现了'排水'效果，进而生成更精确的水下场景三维模型，"MIT研究生杨丹尼尔指出。

研究人员在美属维尔京群岛等多处海域，利用潜水员及水下航行器采集的海床图像测试SeaSplat。相比传统方法，该技术生成的三维"世界"色彩更真实、鲜艳且层次丰富。

该团队表示SeaSplat可助力海洋生物学家监测特定生态群落。例如水下机器人勘探珊瑚礁时，SeaSplat能同步处理图像并渲染真彩三维模型，科学家随后能以自定义路径和速度进行虚拟"巡航"，细致检测珊瑚白化等迹象。

"白化现象近观呈白色，远观却显蓝朦胧状难以识别，"WHOI副科学家尤格什·吉尔德哈尔解释，"通过SeaSplat还原海洋真彩，不同珊瑚物种及其白化状态将更易检测。"

吉尔德哈尔与杨丹尼尔将在IEEE机器人与自动化国际会议（ICRA）发表SeaSplat技术论文，合作作者包括MIT机械工程系教授约翰·伦纳德。

水体光学特性

海洋中光线传播会扭曲物体色彩与清晰度。近年研发的色彩校正工具虽致力于还原海洋真彩，但多基于陆地环境算法改进（如雾景色彩还原）。近期"Sea-Thru"算法虽能准确复现海洋真彩，却因超高计算需求难以构建三维场景模型。

与此同时，三维高斯溅射技术取得突破性进展：通过智能填补图像间隙，实现场景无缝拼接形成完整三维版本。这类三维世界支持"新视角合成"，用户可突破原始图像视角限制自由探索场景。

但3DGS技术此前仅成功应用于水上环境。水下三维重建主要受两大光学效应制约：后向散射与衰减。后向散射指海洋微粒反射光线形成雾状光幕；衰减则是特定波长光线随距离减弱的现象（例如海洋中红色物体比蓝色物体更易随距离褪色）。

陆地环境中物体色彩不受观测距离及角度显著影响，而水下色彩会随视角快速变化消退。当3DGS尝试拼接水下图像时，因水体后向散射与衰减导致物体色彩随角度畸变，无法实现连贯三维重建。

"我们水下机器视觉的终极梦想是：若抽干海水，世界将如何呈现？"伦纳德教授如是说。

模型应用突破

本研究团队开发出可校正后向散射与衰减效应的色彩还原算法。该算法计算每像素受水体光学效应扭曲的程度，逆向消除这些影响后推算出像素真实色彩。

杨丹尼尔将此色彩校正算法整合入三维高斯溅射框架，创建出SeaSplat系统。该系统能快速解析水下场景图像，生成真彩三维虚拟模型，支持多角度、多距离的精细探索。

团队在红海、库拉索岛加勒比海域及巴拿马附近太平洋等多处水域测试SeaSplat。测试数据集涵盖不同海域环境条件，包含美属维尔京群岛水下机器人实拍影像。

SeaSplat生成的每个海洋场景真彩三维世界中，研究人员可进行虚拟探索（如场景缩放、多视角观察）。测试发现，即使切换视角与距离，场景物体仍保持真实色彩，而非真实海水中常见的褪色现象。

"生成三维模型后，科学家能像潜水般'游弋'其中，以真实色彩高清观察细节，"杨丹尼尔描述道。

目前该方法需依赖台式机级计算资源，尚无法搭载于水下机器人。但SeaSplat适用于系缆作业模式——连接母船的探测设备采集图像后实时回传处理。

"这是首个能快速构建高精度真彩水下三维模型的技术，其高速渲染能力将助力生物多样性量化及珊瑚礁等海洋群落健康评估，"吉尔德哈尔总结道。

本研究获WHOI科学投资基金及美国国家科学基金会支持。