Un nuevo conjunto de datos de imágenes del Ártico impulsará la investigación de IA

El rompehielos Healy de la Guardia Costera de EE. UU. (USCG) participará en un viaje al Polo Norte este verano tomando fotografías del Ártico para explorar más a fondo esta región que cambia rápidamente. Los investigadores del Laboratorio Lincoln instalaron el sistema de cámaras a bordo del Healy mientras estaba en el puerto de Seattle, antes de embarcarse en una misión científica de tres meses el 11 de julio. El conjunto de datos resultante, que será uno de los primeros de su tipo, se utilizará para desarrollar herramientas de inteligencia artificial que puedan analizar imágenes del Ártico.

“Este conjunto de datos no solo puede ayudar a la gente de mar a navegar de manera más segura y operar de manera más eficiente, sino que también ayuda a proteger a nuestra nación al proporcionar conocimiento sobre los dominios marítimos clave y una mejor comprensión de cómo se pueden aplicar los análisis de IA en este entorno desafiante y único”, dice Jo Kurucar, investigador del Grupo de Algoritmos y Arquitecturas de Software de IA en el Laboratorio Lincoln, que dirigió este proyecto.

A medida que el planeta se calienta y el hielo marino se derrite, los Pasajes del Ártico se abren a más tráfico, tanto para embarcaciones militares como para embarcaciones dedicadas a la pesca ilegal. Estos movimientos pueden representar un desafío para la seguridad nacional en los Estados Unidos. El Ártico inicial también deja preguntas sobre cómo está cambiando su clima, vida silvestre y geografía.

Actualmente existen muy pocos conjuntos de datos de imágenes del Ártico para estudiar estos cambios. Las imágenes aéreas de satélites o aviones solo pueden proporcionar información limitada sobre el medio ambiente. Una cámara orientada hacia el exterior adjunta al barco puede capturar más detalles del posicionamiento y diferentes ángulos de los objetos, como otros barcos, en la escena. Estos tipos de imágenes se pueden usar para entrenar herramientas de visión de IA que pueden ayudar a la USCG a planificar misiones navales y automatizar el análisis. Según Kurucar, los recursos de la USCG en el Ártico están dispersos y podrían beneficiarse enormemente de las herramientas de inteligencia artificial que pueden actuar como un multiplicador de fuerza.

Healy es el rompehielos más grande y tecnológicamente más avanzado de la USCG. Dada su misión actual, era un candidato adecuado para equiparse con un nuevo sensor para recopilar este conjunto de datos. El equipo de investigación del laboratorio trabajó con el Centro de Investigación y Desarrollo de la USCG para determinar los requisitos del sensor. Juntos, desarrollaron la Plataforma de Vigilancia e Imagen de la Región Fría (CRISP).

“Lincoln Laboratory tiene una excelente relación con la Guardia Costera, especialmente con el Centro de Investigación y Desarrollo. En el transcurso de una década, hicimos las conexiones que permitieron la implementación de CRISP”, dice Amna Greaves, gerente de proyectos de CRISP y líder adjunta del Grupo de Algoritmos y Arquitecturas de Software de IA. “Tenemos fuertes lazos no solo por los veteranos de la USCG que trabajan en el laboratorio y en nuestro grupo, sino también porque nuestras misiones tecnológicas son complementarias.

El sistema CRISP incluye una cámara infrarroja de onda larga fabricada por Teledyne FLIR (para futuros infrarrojos) diseñada para entornos marinos hostiles. La cámara puede estabilizarse durante mares agitados y tomar fotografías en total oscuridad, niebla y deslumbramiento. Se combina con un reloj GPS sincronizado con la hora y una grabadora de video en red para grabar videos e imágenes fijas junto con datos de posición GPS.

La cámara está montada en la parte delantera del flybridge del barco y los componentes electrónicos están alojados en un gabinete reforzado en el puente. El sistema se puede operar manualmente desde el puente o ponerse en un modo de vigilancia autónomo donde se mueve lentamente hacia adelante y hacia atrás, capturando 15 minutos de video cada tres horas y una imagen fija cada 15 segundos.

“La instalación del equipo fue una experiencia única y divertida. Como con cualquier buen proyecto, nuestras expectativas para la instalación no se materializaron”, dice Michael Emily, administrador de sistemas de TI del proyecto, quien viajó a Seattle para la instalación. El equipo de laboratorio, en colaboración con la tripulación del barco, tuvo que redirigir rápidamente los cables de la cámara a la estación de observación después de descubrir que los puntos de acceso previstos no estaban disponibles. “Hicimos cables de 100 pies para este proyecto, en caso de que ocurriera este tipo de escenario, lo cual fue bueno porque solo teníamos unas pocas pulgadas de sobra”, dice Emily.

El equipo del proyecto CRISP planea hacer público el conjunto de datos, que se espera que sea de alrededor de 4 terabytes, cuando la misión científica de la USCG finalice en el otoño.

El propósito de hacer que el conjunto de datos esté disponible es permitir que la comunidad de investigación en general desarrolle mejores herramientas para quienes operan en el Ártico, especialmente a medida que la región se vuelve más navegable. “La recopilación y publicación de datos permite un progreso más rápido y mayor que el que podríamos lograr solos”, agrega Kurucar. “También permite que el laboratorio participe en aplicaciones de IA más avanzadas, mientras que otros hacen un progreso más incremental utilizando el conjunto de datos”.

Además de proporcionar el conjunto de datos, el equipo de laboratorio planea compartir un modelo básico de detección de objetos que otros pueden usar para avanzar en sus propios modelos. Las aplicaciones de IA más avanzadas planificadas para el desarrollo incluyen clasificadores para objetos específicos en una escena y la capacidad de identificar y rastrear objetos en imágenes.

Además de ayudar con las misiones de la USCG, este proyecto podría crear un conjunto de datos influyente para los científicos que buscan aplicar IA a los datos del Ártico para ayudar a combatir el cambio climático, dice Paul Metzger, quien dirige el Grupo de Algoritmos y Arquitecturas de Software de IA.

Metzger agrega que el grupo ha tenido el honor de ser parte de este proyecto y está entusiasmado con el progreso logrado al aplicar la IA a los nuevos desafíos que enfrenta Estados Unidos: “Estoy extremadamente orgulloso de cómo nuestro grupo está aplicando la IA a los desafíos más importantes de nuestro país, desde predecir brotes de COVID-19 y ayudar al Comando de EE. UU. en Europa a apoyar a Ucrania, hasta usar la IA en el Ártico para aumentar la conciencia marítima”.