Massachusetts Institute of Technology: Ein neuer Datensatz arktischer Bilder wird die Forschung im Bereich der künstlichen Intelligenz vorantreiben

Oct 31, 2023

Während der Eisbrecher Healy der US-Küstenwache (USCG) diesen Sommer an einer Reise über den Nordpol teilnimmt, nimmt er Bilder der Arktis auf, um die Erforschung dieser sich schnell verändernden Region voranzutreiben. Forscher des Lincoln Laboratory installierten im Hafen von Seattle ein Kamerasystem an Bord der Healy, bevor sie am 11. Juli zu einer dreimonatigen wissenschaftlichen Mission aufbrach. Der resultierende Datensatz, der einer der ersten seiner Art sein wird, wird zur Entwicklung künstlicher Intelligenz verwendet Geheimdiensttools, die arktische Bilder analysieren können. „Dieser Datensatz kann nicht nur Seefahrern dabei helfen, sicherer zu navigieren und effizienter zu operieren, sondern auch zum Schutz unserer Nation beitragen, indem er das Bewusstsein für wichtige maritime Bereiche vermittelt und ein besseres Verständnis dafür vermittelt, wie KI-Analysen eingesetzt werden können.“ „Diese herausfordernde und einzigartige Umgebung“, sagt Jo Kurucar, Forscher in der AI Software Architectures and Algorithms Group des Lincoln Laboratory, die dieses Projekt leitete. Während sich der Planet erwärmt und das Meereis schmilzt, werden arktische Passagen für mehr Verkehr geöffnet, sowohl für Militärschiffe und Schiffe, die illegale Fischerei betreiben. Diese Bewegungen könnten für die Vereinigten Staaten eine Herausforderung für die nationale Sicherheit darstellen. Die beginnende Arktis wirft auch Fragen darüber auf, wie sich ihr Klima, ihre Tierwelt und ihre Geographie verändern. Heutzutage gibt es nur sehr wenige Bilddatensätze der Arktis, um diese Veränderungen zu untersuchen. Overhead-Bilder von Satelliten oder Flugzeugen können nur begrenzte Informationen über die Umgebung liefern. Eine nach außen gerichtete Kamera, die an einem Schiff angebracht ist, kann mehr Details der Umgebung und verschiedene Winkel von Objekten, beispielsweise anderen Schiffen, in der Szene erfassen. Diese Arten von Bildern können dann zum Trainieren von KI-Computer-Vision-Tools verwendet werden, die der USCG bei der Planung von Marinemissionen und der Automatisierung von Analysen helfen können. Laut Kurucar sind die Ressourcen der USCG in der Arktis dünn gesät und können stark von KI-Werkzeugen profitieren, die als Kraftmultiplikator wirken können. Der Healy ist der größte und technologisch fortschrittlichste Eisbrecher der USCG. Angesichts seiner aktuellen Mission war es ein geeigneter Kandidat, mit einem neuen Sensor zur Erfassung dieses Datensatzes ausgestattet zu werden. Das Laborforschungsteam arbeitete mit dem USCG Research and Development Center zusammen, um die Sensoranforderungen zu ermitteln. Gemeinsam entwickelten sie die Cold Region Imaging and Surveillance Platform (CRISP). „Das Lincoln Laboratory unterhält hervorragende Beziehungen zur Küstenwache, insbesondere zum Forschungs- und Entwicklungszentrum.“ Im Laufe eines Jahrzehnts haben wir Beziehungen aufgebaut, die den Einsatz des CRISP-Systems ermöglichten“, sagt Amna Greaves, CRISP-Projektleiterin und stellvertretende Leiterin der AI Software Architectures and Algorithms Group. „Wir haben enge Beziehungen, nicht nur wegen der USCG-Veteranen, die im Labor und in unserer Gruppe arbeiten, sondern auch, weil unsere Technologiemissionen sich ergänzen. Heute wurden Infrarotsensoren in der Arktis eingesetzt. Morgen könnte es vierfüßige Roboterhunde auf einem schnell reagierenden Kutter bedienen.“ Das CRISP-System besteht aus einer Langwellen-Infrarotkamera, hergestellt von Teledyne FLIR (für zukunftsweisendes Infrarot), die für raue maritime Umgebungen konzipiert ist. Die Kamera kann sich bei rauer See selbst stabilisieren und bei völliger Dunkelheit, Nebel und Blendung fotografieren. Es ist mit einer GPS-fähigen zeitsynchronisierten Uhr und einem Netzwerk-Videorecorder gekoppelt, um sowohl Videos als auch Standbilder zusammen mit GPS-Positionsdaten aufzuzeichnen. Die Kamera ist an der Vorderseite der Flybridge des Schiffes montiert und die Elektronik ist in einem robusten Rack auf der Brücke untergebracht. Das System kann manuell von der Brücke aus bedient oder in einen autonomen Überwachungsmodus versetzt werden, in dem es langsam hin und her schwenkt und alle drei Stunden 15 Minuten Video und alle 15 Sekunden ein Standbild aufzeichnet. „Die Installation der Ausrüstung war ein einzigartiges und lustiges Erlebnis. Wie bei jedem guten Projekt erfüllten unsere Erwartungen bei der Installation nicht die Realität“, sagt Michael Emily, der IT-Systemadministrator des Projekts, der für die Installation nach Seattle gereist ist. In Zusammenarbeit mit der Schiffsbesatzung musste das Laborteam schnell die Route für die Kabelführung von der Kamera zur Beobachtungsstation anpassen, nachdem es feststellte, dass die erwarteten Zugangspunkte tatsächlich nicht zugänglich waren. „Wir haben für dieses Projekt nur für den Fall eines solchen Szenarios 100 Fuß lange Kabel anfertigen lassen, was eine gute Sache war, da wir nur ein paar Zentimeter übrig hatten“, sagt Emily. Das CRISP-Projektteam plant, den Datensatz öffentlich zu veröffentlichen. Sobald die USCG-Wissenschaftsmission im Herbst endet, wird die Größe voraussichtlich etwa 4 Terabyte groß sein. Ziel der Veröffentlichung des Datensatzes ist es, der breiteren Forschungsgemeinschaft die Entwicklung besserer Werkzeuge für diejenigen zu ermöglichen, die in der Arktis tätig sind, insbesondere da diese Region besser schiffbar wird . „Das Sammeln und Veröffentlichen der Daten ermöglicht schnellere und größere Fortschritte, als wir es alleine erreichen könnten“, fügt Kurucar hinzu. „Es ermöglicht dem Labor außerdem, sich an fortgeschritteneren KI-Anwendungen zu beteiligen, während andere mithilfe des Datensatzes schrittweise Fortschritte erzielen.“ Zusätzlich zur Bereitstellung des Datensatzes plant das Laborteam die Bereitstellung eines grundlegenden Objekterkennungsmodells, mit dem andere Fortschritte machen können an ihren eigenen Modellen. Zu den fortgeschritteneren KI-Anwendungen, die für die Entwicklung geplant sind, gehören Klassifikatoren für bestimmte Objekte in der Szene und die Fähigkeit, Objekte über Bilder hinweg zu identifizieren und zu verfolgen. Über die Unterstützung bei USCG-Missionen hinaus könnte dieses Projekt einen einflussreichen Datensatz für Forscher erstellen, die KI auf Daten aus der Arktis anwenden möchten um zur Bekämpfung des Klimawandels beizutragen, sagt Paul Metzger, der die AI Software Architectures and Algorithms Group leitet. Metzger fügt hinzu, dass es für die Gruppe eine Ehre sei, Teil dieses Projekts zu sein, und er sei gespannt auf die Fortschritte, die sich aus der Anwendung von KI auf neuartige Herausforderungen ergeben den Vereinigten Staaten: „Ich bin äußerst stolz darauf, wie unsere Gruppe KI bei den Herausforderungen mit der höchsten Priorität in unserem Land einsetzt, von der Vorhersage von Ausbrüchen von Covid-19 über die Unterstützung des US-Europakommandos bei der Unterstützung der Ukraine bis hin zum jetzigen Einsatz von KI in den Vereinigten Staaten.“ Arktis für maritimes Bewusstsein.“ Sobald der Datensatz verfügbar ist, kann er kostenlos auf der Datensatz-Website des Lincoln Laboratory heruntergeladen werden.