摘要：海洋里生机盎然，色彩丰富，但除非近距离观察，否则大部分海洋世界都很容易被忽视。这是因为水本身就像一层天然的“隐形斗篷”，当光线穿过海洋时，会发生弯曲、散射并在水体和悬浮颗粒的干扰下迅速衰减。这使得在非近距离拍摄的情况下，几乎无法准确还原水下物体的真实色彩。

海洋里生机盎然，色彩丰富，但除非近距离观察，否则大部分海洋世界都很容易被忽视。这是因为水本身就像一层天然的“隐形斗篷”，当光线穿过海洋时，会发生弯曲、散射并在水体和悬浮颗粒的干扰下迅速衰减。这使得在非近距离拍摄的情况下，几乎无法准确还原水下物体的真实色彩。

如今，麻省理工学院（MIT）和伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）的研究团队开发了一款名为“SeaSplat”的图像分析工具，它能够消除水体光学干扰，生成仿佛“排干海水”般的真实水下场景图像。该团队将这种颜色校正工具与一个计算模型相结合，可将二维图像转换为三维虚拟水下世界，供科学家自由探索。

“SeaSplat”的名称源自其水下应用（Sea）和核心技术“3D 高斯泼溅”（3D Gaussian Splatting, 3DGS）。后者通过拼接多角度拍摄的图像，构建出可从任意视角观察的完整三维场景。

“借助 SeaSplat，可以明确模拟水体的光学效应，从而在一定程度上‘移除’水的干扰，生成更精确的水下 3D 模型。”麻省理工学院研究生 Daniel Yang 表示。

研究团队在美属维尔京群岛等海域，利用潜水器和水下机器人拍摄的海床图像测试该工具，生成的 3D 场景在色彩真实性和细节丰富度上均显著优于传统方法。

团队指出，SeaSplat 可帮助海洋生物学家高效监测珊瑚礁等生态系统的健康状况。例如，当水下机器人探索珊瑚礁并拍摄图像时，SeaSplat 可同步处理这些图像，生成真实色彩的三维模型。科学家们能够以自己的节奏和路径虚拟“飞越”其中，检查珊瑚白化等迹象。

“近距离观察时，珊瑚的白化现象呈现白色，但远看可能因水体散射显得模糊发蓝，难以识别。” WHOI 副科学家 Yogesh Girdhar 解释道，“借助 SeaSplat 的真实色彩成像，珊瑚白化和不同珊瑚物种将更容易被识别。”

还原海洋真实色彩的科技突破

在海洋中，物体的颜色和清晰度会被光线在水中的传播效应所扭曲。近年来，研究人员开发了多种旨在重现海洋真实色彩的校正工具，部分技术源自陆地环境（如雾天场景的色彩还原）。近期一项研究通过“Sea-Thru”的算法实现了海洋真实色彩的精准还原，但其需要巨大的计算资源，用于生成三维场景模型时面临挑战。

与此同时，三维高斯泼溅（3DGS）也取得重大进展：该技术可无缝拼接多角度图像，并通过智能填补空白以构建完整三维场景。这种“新视角合成”技术允许观察者从任意角度和距离探索生成的三维世界。

然而，3DGS 迄今仅成功应用于陆地环境。水下三维重建面临两大光学挑战：后向散射：光线在海洋微粒上反射形成的雾状光晕；衰减效应：特定波长光线随距离减弱的现象（例如远距离观察时红色物体比蓝色物体更易褪色）。

陆地环境中，物体颜色基本不受观察角度和距离影响；但在水中，颜色会随视角迅速变化。当 3DGS 尝试拼接水下图像时，后向散射和衰减效应会导致不同角度的物体颜色失真，使模型无法准确解析物体。

“我们对水下机器人视觉的愿景是：想象移除海洋中的水后，会看到什么？” MIT 机械工程系教授 John Leonard 说。

SeaSplat 如何重塑水下三维视觉

在新研究中，Yang 及其团队开发了一种色彩校正算法，能够精确计算后向散射与衰减效应对图像中每个像素的扭曲程度，并通过逆向运算还原像素的真实色彩。

随后，研究人员将该算法整合至 3DGS 模型，最终构建了 SeaSplat 系统。它可快速分析水下场景图像，生成真实色彩的三维虚拟模型，支持从任意角度和距离进行细节探索。

团队将 SeaSplat 应用于多个水下场景，包括红海、库拉索岛加勒比海海域、巴拿马附近太平洋等不同水况条件的图像（部分来自现有数据集），并在美国维尔京群岛通过遥控水下机器人拍摄的图像进行测试。

结果显示：SeaSplat 生成的三维场景中，物体即使从不同角度和距离观察，色彩均保持真实稳定，完全规避了实际海水中常见的“褪色现象”。

“生成三维模型后，科学家可以像潜水一样‘畅游’其中，以真实色彩细致观察细节。” Yang 表示。

目前该方法需依赖高性能台式计算机，虽暂无法搭载于水下机器人，但适用于系缆作业——通过缆线将水下设备拍摄的图像实时传输至船载计算机处理。

“这是首个能快速构建高精度彩色水下三维模型的技术，且渲染速度极快，”WHOI 副科学家 Yogesh Girdhar 强调，“这将助力生物多样性量化评估，以及珊瑚礁等海洋生态系统的健康监测。”

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来源：麻省理工科技评论APP