Aux limites de l’innovation

Des images sous-marines intelligentes pour sauver les espèces marines menacées

Des chercheurs de l’université de Californie à San Diego ont créé une technologie de caméra artificiellement intelligente propulsée par un module Intel® Edison, qui pourrait donner le jour à des systèmes de surveillance autonomes pour suivre les espèces menacées.

Les écosystèmes océaniques du monde entier se trouvent sérieusement en danger. Sur toute la Terre, le réchauffement de la température des océans, l’acidification des océans, la surpêche et la destruction des habitats menacent d’innombrables espèces marines. Des espèces comme le marsouin du golfe de Californie, mammifère marin le plus gravement menacé de disparition au monde, sont sur le point de s’éteindre à cause de la pêche destructive et du braconnage, tandis qu’une multitude d’autres espèces sont menacées en raison de la pression exercée par la pêche et de la destruction des habitats. De nombreuses populations d’animaux marins sont encore mal comprises par les biologistes et les défenseurs de l’environnement car, dans de nombreux cas, il n’existe aucune technologie pour surveiller efficacement une espèce qui vit dans le vaste océan hostile.

Un groupe d’étudiants a construit un système submersible intelligent. Les universitaires sont persuadés que ce système peut inverser la tendance pour les espèces sous-marines menacées. « Nous avons développé une caméra sous-marine autonome déclenchée acoustiquement », déclare Antonella Wilby, étudiante en doctorat de science informatique à l’University of California, San Diego (UCSD), et chercheuse principale du projet.

spherecam_components_web-e1485280534265

« Dans un premier temps, ce système de caméra avait pour but de fournir aux biologistes un moyen de surveiller le marsouin de Californie, qui n’avait jamais été photographié sous l’eau auparavant. Après avoir discuté avec de nombreux biologistes et chercheurs, nous nous sommes rendu compte que ce système possède des applications de grande portée, au-delà du marsouin. »

Les chercheurs de l’UCSD espèrent que le système de caméra capturera non seulement les premières images sous-marines du marsouin de Californie, mais sera également utile pour les chercheurs marins qui étudient un large éventail d’espèces.

Ce système submersible est capable de produire des données sur des espèces et des comportements spécifiques qui n’ont jamais été observés dans la nature, à l’aide d’une méthode numérique économique et efficace.

Des océans menacés

Les écologistes constatent que les océans du monde entier sont victimes de la surpêche et d’une protection insuffisante, avec de nombreux écosystèmes sur le point de s’effondrer. Certaines espèces, comme le marsouin, sont menacées d’extinction dans les années à venir. D’autres affrontent des changements croissants de leur environnement et se retrouvent donc sur la liste des espèces en danger. Antonella Wilby affirme que de nombreuses espèces ont été si peu étudiées que les scientifiques ne disposent pas de suffisamment de données pour déterminer si elles sont menacées.

Les chercheurs de l’UCSD travaillent pour aider les biologistes marins et les défenseurs de l’environnement en fournissant un outil novateur pour la surveillance biologique de ces espèces rarement observées. Ils ont créé le SphereCam, appareil équipé d’un module de calcul Intel® Edison et d’un hydrophone qui commence à filmer une vidéo lorsqu’il entend des vocalises provenant d’un animal marin.

fieldteam_web-e1485280602897

La National Geographic Society s’est engagée dès le début du projet, accordant à Antonella Wilby une bourse Young Explorers pour les premiers travaux dans la mer de Cortez, qui utilisent le système pour surveiller le marsouin. L’équipe de recherche étend désormais les applications du SphereCam, afin de se servir du système pour étudier les diverses espèces de mérou dans les îles Caïmans et les forêts de kelp au large de San Diego.

Pour Antonella Wilby, le SphereCam est unique car il peut détecter la distance d’un animal par rapport à la caméra, en se basant sur la force du signal détecté par l’hydrophone. Cet appareil améliore les modèles basés sur des images accélérées (time lapse), qui passaient beaucoup de temps à enregistrer des images d’eau, et pas grand-chose d’autre. Lorsque l’hydrophone de la caméra « entend » des signatures acoustiques intéressantes dans une certaine portée, il commence à filmer.

Le SphereCam rond est environ 1,5 fois plus grand qu’un ballon de football. Antonella Wilby a commencé à développer le SphereCam en 2014.

Trouver la bonne technologie sous-marine

Le Dr. Ryan Kastner, professeur de science et d’ingénierie informatiques à l’UCSD qui supervise le projet, explique que le principal défi du SphereCam consistait à trouver une technologie capable de résister à un environnement difficile tout en fournissant les données dont les chercheurs avaient besoin.

« Le problème de la vidéo, c’est qu’elle est très gourmande en puissance et fournit de nombreuses données », dévoile le Dr. Kastner. Il voulait une technologie consommant non seulement peu d’énergie, mais également capable d’apprendre à s’allumer et s’éteindre pour que les chercheurs obtiennent uniquement les données et images nécessaires.

spherecam_web

Les chercheurs ont intégré le module Intel Edison car il leur offrait la flexibilité, l’efficacité énergétique et la puissance de calcul répondant à leurs besoins. Le module fonctionne non seulement jusqu’à une semaine sur batterie et se loge à l’intérieur du SphereCam, ce qui empêche qu’il soit mouillé, mais il pouvait également être programmé pour faire exactement ce que voulaient les chercheurs, par exemple traiter le son.

Des capteurs acoustiques et optiques permettent au système d’exploiter la signature acoustique de certaines espèces marines et de les utiliser pour déclencher l’enregistrement vidéo de façon autonome. Il intègre un hydrophone à ultrasons (déclencheur) et un ordinateur embarqué qui réalise l’échantillonnage audio, consigne les données et traite les signaux. Six caméras permettent au système de capturer une vidéo à 360 degrés et au format 1080p.

En revanche, la programmation du module Edison pour traiter les clics des marsouins a nécessité un algorithme complexe qui traduisait les fréquences des ultrasons avant d’identifier ceux de 139 kilohertz. Ryan Kastner poursuit en expliquant que les chercheurs voulaient finalement utiliser l’apprentissage automatique (machine learning) pour s’assurer que le SphereCam fasse la distinction entre les clics d’écholocalisation du marsouin et le concert des sons de l’océan profond.

shutterstock_169125239-e1485280697735

« Vous ne voulez pas entendre les sons des baleines », indique Andrew Hostler, étudiant en ingénierie électrique à la California Polytechnic State University de San Luis Obispo. Avec Ethan Slattery du département d’ingénierie informatique à l’université de Californie de Santa Cruz, il s’est joint à Antonella Wilby et au Dr. Kastner pour implémenter le traitement du son.

« Vous ne voulez pas entendre le sonar latéral. Vous voulez uniquement les ultrasons et les clics d’écholocalisation. Ensuite, vous voulez les amplifier et les numériser », révèle Andrew Hostler.

Même si l’appareil représente une solution imparfaite, l’équipe de l’UCSD affirme que c’est le premier à tenter de capturer de façon autonome des images du marsouin. Le SphereCam a été immergé dans le golfe de Californie en septembre, mais il a dû être retiré deux semaines plus tard en raison d’une activité de pêche illégale dans l’abri. L’équipe prévoit de redéployer le système au printemps.

« Le chemin est encore long », conclut Antonella Wilby. « Mais nous n’abandonnerons pas. D’innombrables espèces marines sont menacées d’extinction, et j’espère que ce système constituera un autre outil dans l’arsenal des biologistes pour comprendre les écosystèmes de la planète et mettre fin à l’extinction. »

Note du rédacteur : Explorez en détail les articles de recherche « Autonomous Acoustic Trigger for Distributed Underwater Visual Monitoring Systems » et « Design of a Low-Cost and Extensible Acoustically-Triggered Camera System for Marine Population Monitoring ».

Ken Kaplan a contribué à cet article.

Partager cet article

Thèmes associés

Innovation technologique Sciences

Lire ensuite