Scienza

Uno strumento per l’acquisizione intelligente di immagini sottomarine mira a salvare le specie a rischio di estinzione

Dei ricercatori dell’Università della California di San Diego hanno realizzato una tecnologia per videocamere dotate di intelligenza artificiale basata sul modulo Intel Edison che potrebbe portare a sistemi di monitoraggio autonomo per tenere traccia delle specie in via di estinzione.

Gli ecosistemi oceanici del pianeta sono in serio pericolo. In tutto il mondo il riscaldamento delle temperature degli oceani, l’acidificazione delle acque, lo sfruttamento eccessivo delle risorse ittiche e la distruzione dell’habitat stanno minacciando innumerevoli specie marine. Specie come la focena vaquita, il mammifero marino più a rischio di estinzione al mondo, stanno per scomparire a causa di pratiche di pesca distruttive e della pesca di frodo, mentre miriadi di altre specie sono in pericolo per le pressioni esercitate dalla pesca e dalla distruzione dell’habitat. Molte popolazioni di animali marini sono poco comprese da biologi e ambientalisti, dato che in molti casi non esiste una tecnologia in grado di monitorare efficacemente una specie che vive nell’immensità dell’oceano.

Un gruppo di studenti universitari ha realizzato un sistema intelligente sommergibile che può essere un punto di svolta per le specie sottomarine a rischio di estinzione. “Abbiamo sviluppato una videocamera sottomarina autonoma che viene attivata acusticamente”, ha detto Antonella Wilby, una dottoranda di informatica presso l’Università della California di San Diego (UCSD), e la ricercatrice capo del progetto.

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“Il sistema della videocamera è partito come un modo per fornire ai biologi un metodo per monitorare la focena vaquita, che non è mai stata fotografata sott’acqua prima d’ora. Dopo aver parlato con molti biologi e ricercatori che si occupano di difesa dell’ambiente, ci siamo resi conto che il sistema della videocamera offre applicazioni di vasta portata che vanno ben oltre la vaquita.”

I ricercatori della UCSD sperano che il sistema della videocamera non solo registri le prime immagini sottomarine della focena vaquita, ma si riveli utile ai ricercatori marini che studiano una vasta schiera di specie.

Il sistema sommergibile ha il potenziale di produrre dati su specie e comportamenti specifici che non sono mai stati osservati prima nel loro habitat naturale, il tutto a basso costo e in modo digitalmente efficiente.

Oceani al limite

Gli ambientalisti considerano gli oceani del pianeta eccessivamente sfruttati dalla pesca e troppo poco protetti, con molti ecosistemi al collasso. Alcune specie, come la vaquita, sono a rischio di estinzione nei prossimi anni. Altre devono affrontare cambiamenti sempre più numerosi del loro ambiente e, di conseguenza, vengono registrate nell’elenco delle specie in pericolo o a rischio di estinzione. Wilby ha affermato che molte specie sono state studiate talmente poco che gli scienziati non hanno dati sufficienti per stabilire se sono in pericolo.

I ricercatori della UCSD stanno lavorando per assistere i biologi marini e gli ambientalisti fornendo loro uno strumento innovativo per il monitoraggio biologico di queste specie osservate di rado. Hanno creato SphereCam, un dispositivo basato sul modulo di elaborazione Intel Edison e dotato di un idrofono che inizia a registrare video quando sente una vocalizzazione creata da un animale marino.

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La National Geographic Society ha aderito al progetto fin dagli inizi, assegnando a Wilby una borsa di studio Young Explorers per finanziare la raccolta di dati nel mare di Cortez, utilizzando il sistema per monitorare la focena vaquita. Ora il team di ricerca sta ampliando le applicazioni di SphereCam, usando il sistema per investigare sulle varie specie di cernia nelle Isole Cayman e sulle foreste di laminaria al largo di San Diego.

Wilby ha dichiarato che la SphereCam è unica perché è in grado di rilevare quanto è distante un animale dalla videocamera in base alla forza del segnale rilevato dall’idrofono. Questo dispositivo migliora i modelli basati su riprese al rallentatore che hanno dedicato parecchio tempo a registrare immagini di acqua, e poco altro. Quando l’idrofono della videocamera “sente” segnali acustici di interesse entro una certa distanza, inizia a filmare.

Le dimensioni di una SphereCam, che è rotonda, equivalgono a una volta e mezzo un pallone da calcio. Wilby ha iniziato a sviluppare la SphereCam nel 2014.

Trovare la tecnologia sottomarina adatta

Ryan Kastner, il professore di informatica e ingegneria presso la UCSD che sovrintende al progetto, ha detto che la chiave della SphereCam è stata trovare la tecnologia in grado di tollerare la durezza dell’ambiente e continuare a fornire ai ricercatori i dati necessari.

“Il problema del video è che consuma tantissima energia e si ricevono molti dati”, ha spiegato Kastner. Voleva una tecnologia in grado non solo di funzionare con un basso consumo, ma anche di imparare ad attivarsi e disattivarsi per fare in modo che i ricercatori ricevessero solo i dati e le immagini di cui hanno bisogno.

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I ricercatori hanno incorporato Intel Edison perché rende possibile la flessibilità, l’efficienza energetica e la potenza di elaborazione adatta alle loro esigenze. Il modulo non solo funziona a batterie fino a una settimana e può essere facilmente integrato nella SphereCam, evitando di bagnarsi, ma può anche essere programmato per fare esattamente quello che vogliono i ricercatori, come ad esempio elaborare il suono.

Adottando sensori acustici e ottici, il sistema della videocamera sfrutta i segnali acustici di determinate specie marine e le utilizza per attivare in modo autonomo la videoregistrazione. Integra un idrofono ultrasonico (trigger) e un computer di bordo che campiona audio, registra dati ed elabora segnali. Sei videocamere consentono al sistema di registrare video con una visuale completa a 360 gradi nel formato 1080p di alta qualità.

Programmare il modulo Edison per elaborare i click emessi dalla vaquita però ha richiesto un complesso algoritmo in grado di tradurre le frequenze ultrasoniche prima di identificare quelle a 139 kilohertz. In sostanza, ha detto Kastner, i ricercatori vogliono utilizzare l’apprendimento automatico per essere certi che la SphereCam faccia distinzione tra i click per l’ecolocalizzazione della vaquita e il concerto di suoni delle profondità dell’oceano.

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“Non vogliamo sentire i suoni della balena”, ha spiegato Andrew Hostler, uno studente del dipartimento di ingegneria alla California Polytechnic State University di San Luis Obispo. Insieme a Ethan Slattery del dipartimento di ingegneria informatica dell’Università della California di Santa Cruz, si è unito a Wilby e Kastner per aiutarli a implementare l’elaborazione del suono.

“Non vogliamo sentire sonar a scansione laterale. Vogliamo solo i click per l’ecolocalizzazione, ultrasonici. Vogliamo poi amplificarli e digitalizzarli”, ha detto Hostler.

Anche se il dispositivo è una soluzione imperfetta, il team della UCSD sostiene che si tratta del primo dispositivo che tenta di registrare in modo autonomo immagini della vaquita. La SphereCam è entrata nel Golfo della California a settembre, ma ha dovuto essere rimossa due settimane dopo in seguito ad attività di pesca illegale nell’area rifugio. Il team ha in programma di implementare nuovamente il sistema a primavera.

“È ancora un’ipotesi azzardata”, ha affermato Wilby. “Ma noi continueremo a provarci. L’estinzione minaccia innumerevoli specie marine e mi auguro che alla fine questo possa essere un altro strumento nell’arsenale dei biologi per capire gli ecosistemi del pianeta e mettere fine all’estinzione.”

Nota della redazione: Approfondite i dettagli leggendo gli articoli delle ricerche “Autonomous Acoustic Trigger for Distributed Underwater Visual Monitoring Systems” e “Design of a Low-Cost and Extensible Acoustically-Triggered Camera System for Marine Population Monitoring.”

Ken Kaplan ha contribuito a questo articolo.

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