Этим летом ледокол Healy береговой охраны США (USCG) принимает участие в путешествии через Северный полюс и делает снимки Арктики для дальнейшего изучения этого быстро меняющегося региона. Исследователи Лаборатории Линкольна установили систему камер на борту Healy, когда он находился в порту Сиэтла, прежде чем 11 июля он отправился в трехмесячную научную миссию. Полученный набор данных, который станет одним из первых в своем роде, будет использоваться для разработки инструментов искусственного интеллекта, которые могут анализировать арктические изображения.
«Этот набор данных не только может помочь морякам более безопасно ориентироваться и работать более эффективно, но и помочь защитить нашу страну, предоставляя критически важную информацию о морской области и улучшая понимание того, как анализ ИИ может применяться в этой сложной и уникальной среде», — говорит Джо Курукар, исследователь из группы архитектур и алгоритмов программного обеспечения ИИ в лаборатории Линкольна, которая руководила этим проектом.
По мере того, как планета нагревается, а морской лед тает, арктические проходы становятся все более открытыми для движения как военных судов, так и судов, ведущих незаконный промысел. Эти перемещения могут представлять угрозу национальной безопасности Соединенных Штатов. Открытие Арктики также оставляет вопросы о том, как меняются ее климат, дикая природа и география.
Сегодня существует очень мало наборов данных изображений Арктики для изучения этих изменений. Изображения сверху со спутников или самолетов могут предоставить лишь ограниченную информацию об окружающей среде. Камера внешнего обзора, прикрепленная к кораблю, может зафиксировать больше деталей обстановки и различных ракурсов объектов, таких как другие корабли, в сцене. Затем эти типы изображений можно использовать для обучения инструментов компьютерного зрения ИИ, которые могут помочь Береговой охране США планировать морские миссии и автоматизировать анализ. По словам Курукара, активы Береговой охраны США в Арктике разбросаны, и они могут извлечь большую выгоду из инструментов ИИ, которые могут действовать как мультипликатор силы.
Healy — крупнейший и наиболее технологически совершенный ледокол USCG. Учитывая его текущую миссию, он был подходящим кандидатом на оснащение новым датчиком для сбора этого набора данных. Группа лабораторных исследований сотрудничала с Центром исследований и разработок Береговой охраны США, чтобы определить требования к датчику. Вместе они разработали Платформу визуализации и наблюдения в холодных регионах (CRISP).
«Лаборатория Линкольна имеет отличные отношения с Береговой охраной, особенно с Центром исследований и разработок. За десять лет мы установили связи, которые позволили развернуть систему CRISP», — говорит Амна Гривз, руководитель проекта CRISP и помощник руководителя группы архитектур и алгоритмов программного обеспечения ИИ. «У нас крепкие связи не только благодаря ветеранам Береговой охраны США, работающим в лаборатории и в нашей группе, но и потому, что наши технологические миссии дополняют друг друга. Сегодня они развертывали инфракрасное зондирование в Арктике, а завтра они могут управлять четвероногими роботами-собаками на быстродействующем катере».
Система CRISP включает в себя длинноволновую инфракрасную камеру производства Teledyne FLIR (для инфракрасного излучения переднего обзора), которая предназначена для суровых морских условий. Камера может стабилизироваться во время волнения на море и снимать в полной темноте, тумане и ярком свете. Он работает в паре с синхронизированными по времени часами с поддержкой GPS и сетевым видеомагнитофоном для записи как видео, так и неподвижных изображений вместе с данными о местоположении GPS.
Камера установлена в передней части флайбриджа корабля, а электроника размещена в прочной стойке на мостике. Системой можно управлять вручную с мостика или перевести в автономный режим наблюдения, в котором она медленно перемещается вперед и назад, записывая 15 минут видео каждые три часа и неподвижное изображение каждые 15 секунд.
«Установка оборудования была уникальным и интересным опытом. Как и в случае с любым хорошим проектом, наши ожидания, связанные с установкой, не оправдались», — говорит Майкл Эмили, системный администратор проекта, приехавший в Сиэтл для установки. Работая с экипажем корабля, команда лаборатории должна была быстро скорректировать маршрут прокладки кабелей от камеры к станции наблюдения после того, как они обнаружили, что ожидаемые точки доступа на самом деле недоступны. «Для этого проекта мы сделали 100-футовые кабели только на случай такого сценария, и это было хорошо, потому что у нас было всего несколько лишних дюймов», — говорит Эмили.
Команда проекта CRISP планирует опубликовать набор данных, размер которого, как ожидается, составит около 4 терабайт, после завершения научной миссии Береговой охраны США осенью.
Цель выпуска набора данных — дать возможность более широкому исследовательскому сообществу разработать более совершенные инструменты для тех, кто работает в Арктике, особенно по мере того, как этот регион становится более судоходным. «Сбор и публикация данных позволяют добиться более быстрого и значительного прогресса, чем то, чего мы могли бы добиться самостоятельно», — добавляет Курукар. «Это также позволяет лаборатории использовать более продвинутые приложения искусственного интеллекта, в то время как другие вносят дополнительные улучшения, используя набор данных».
Помимо предоставления набора данных, команда лаборатории планирует предоставить базовую модель обнаружения объектов, на основе которой другие смогут добиться прогресса в своих собственных моделях. Более продвинутые приложения ИИ, которые планируется разработать, — это классификаторы для конкретных объектов на сцене и возможность идентифицировать и отслеживать объекты на изображениях.
По словам Пола Мецгера, руководителя группы программных архитектур и алгоритмов ИИ, помимо помощи миссиям Береговой охраны США, этот проект может создать влиятельный набор данных для исследователей, желающих применить ИИ к данным из Арктики, чтобы помочь в борьбе с изменением климата.
Мецгер добавляет, что для группы было честью участвовать в этом проекте, и она рада видеть достижения, которые дает применение ИИ для решения новых задач, стоящих перед Соединенными Штатами: «Я очень горжусь тем, как наша группа применяет ИИ для решения самых приоритетных задач в нашей стране, от прогнозирования вспышек Covid-19 и помощи Европейскому командованию США в их поддержке Украины до использования ИИ в Арктике для обеспечения осведомленности на море».
Как только набор данных будет доступен, его можно будет бесплатно загрузить на веб-сайте набора данных лаборатории Линкольна.