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Atividade Financiada

Plataforma de Aceleração para Reconstrução 3D de Grutas Subaquáticas em Tempo-Real

Accelerator Framework for Real-Time 3D Reconstruction of Underwater Caves

Referência
2022.04020.PTDC
Data de Início do Projeto
2023-03-10
Data de Fim do Projeto
2025-03-09
Investigador Principal
Coinvestigador Principal
Área Científica
Ciências da engenharia e tecnologias
Programa de Financiamento
Concurso de Projetos de I&D em Todos os Domínios Científicos - 2022 - PEX

Resumo

As águas subterrâneas, particularmente em aquíferos cársicos, são um dos principais recursos de água doce utilizados para a agricultura, indústria, e consumo humano. O Maciço Calcário Estremenho (MCE) é um dos mais importantes maciços calcários de Portugal, não só devido à sua extensão mas também devido ao seu conjunto diversificado de formas cársicas e nascentes, que são utilizadas como principal fonte de abastecimento de água para vários municípios. Os aquíferos cársicos são um ecossistema sensível e vulnerável que não só é susceptível à poluição por fontes industriais e domésticas, como também é frequentemente afetado por utilização excessiva, pondo em perigo o ecossistema circundante. Uma das principais ferramentas utilizadas para a conservação destes sistemas hidrogeológicos é o mapeamento e modelação volumétrica de grutas inundadas, criadas pelo fluxo de água dos aquíferos. Estes modelos proporcionam um valioso conhecimento sobre a rede de condutas subterrâneas, em termos de geografia, profundidade, geomorfologia e dinâmicas sazonais/episódicas do fluxo de água. Devido ao ambiente subaquático, a exploração, mapeamento e caraterização de grutas inundadas é tradicionalmente feita por mergulhadores especializados, recorrendo a medições manuais de profundidade, distância e azimute. No entanto, técnicas recentes de detecção remota (por exemplo, LiDAR), fotogrametria, e/ou outros métodos de visão por computador, abrem um novo conjunto de possibilidades para o mapeamento de ambientes subaquáticos. Em particular, técnicas de Localização e Mapeamento Simultâneo (SLAM) e de Odometria Visual (VO) são utilizadas para acompanhar a posição de um agente em relação ao seu ambiente circundante, de acordo com dados obtidos por sensores visuais. Estimativas precisas de escala e estrutura de objectos e cenas 3D podem ser obtidos com SLAM visual/inercial (VI-SLAM), conjugando dados de câmaras e sensores de unidades de medição inercial (IMU), permitindo, a geração de modelos volumétricos precisos do ambiente circundante. Contudo, a utilização destas técnicas em grutas inundadas apresenta alguns desafios. Nomeadamente no que toca à sua operação sobre sequências de imagem obtidas nas condições tipicamente encontradas nestes ambientes, tais como refracção e absorção da luz, falta de luz natural, e a presença de suspensão na água, o que pode fazer com que o algoritmo tenha problemas de seguimento e localização. Assim, são necessárias soluções algoritmicas inovadoras para permitir a utilização destas técnicas em ambientes de gruta subaquática. Para o transporte de sensores através das grutas subaquáticas, alternativamente à utilização de veículos operados à distância (ROVs), que podem ficar presos em formações rochosas e danificar a caverna, estes podem ser facilmente acoplados a Veículos de Propulsão de Mergulhadores (DPVs). Estes veículos são tipicamente utilizados por mergulhadores para se deslocarem debaixo de água, podendo, assim, ser utilizados para recolher passivamente dados, mais tarde utilizados para a reconstrução 3D da gruta. No entanto, uma vez que os dados recolhidos são processados com ferramentas de modelação que exigem computação de elevado desempenho, pode ser necessário efetuar múltiplos mergulhos para mapear uma única secção de gruta. Uma solução é a implementação de aceleradores de baixo consumo, especializados para VI-SLAM, com base em dispositivos de FPGA, e com o objetivo de obter estimativas do modelo final em tempo real, de modo a acelerar o processo de mapeamento 3D. Assim, este projeto exploratório visa dar os primeiros passos no sentido de desenvolver uma plataforma científica para a caracterização volumétrica de ambientes de gruta subaquática, com o objectivo de auxiliar a exploração, estudo e conservação dos recursos de águas subterrâneas. Para atingir este objetivo, neste projeto será desevolvido um protótipo de um acelerador em laboratório, como prova de conceito para a geração em tempo real de modelos 3D a partir de imagens e dados de sensores obtidos em grutas subaquáticas. Para tal, o projeto conta com uma colaboração multidisciplinar entre parceiros académicos e uma Organização Não Governamental (ONG) nacional, que enfrentará este desafio em três frentes distintas: 1) investigação de novas técnicas para permitir a utilização de algoritmos VI-SLAM em grutas subaquáticas; 2) implementação de um protótipo de acelerador baseado em FPGA para reconstrução 3D em tempo real com base em multiplos sensores; 3) criação de um repositório de sequências de imagem de grutas subaquáticas e de dados de sensores obtidos por mergulhadores especializados nas principais grutas inundadas do MCE, para o desenvolvimento de novos algoritmos e de protótipos de hardware. O sucesso des projeto servirá como base para a proposta de um projeto futuro que irá visar o desafio de desenvolver uma plataforma científica submersível, como ferramenta de caracterização de grutas subaquáticas para estudos científicos.

Instituições

Instituições Principais

  • Instituto de Engenharia de Sistemas e Computadores Investigação e Desenvolvimento em Lisboa (INESC-ID)

Outras Instituições

  • Universidade de Lisboa Instituto de Sistemas e Robótica (ULISBOA ISR)
  • Sociedade Portuguesa de Espeleologia (SPE)

Financiamento 49.951,60 €

Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) - Portugal

49.951,60 €