图：副教授Fadel Adib和研究助理Waleed Akbar展示无电池水下相机
为了保持尽可能低的功耗，研究人员使用了超低功率成像传感器。但是这些传感器只能捕获灰度图像。而且，由于大多数水下环境缺乏光源，他们也需要开发一个低功率的闪光灯。
Adib说：「我们试图尽可能地减少硬件，这对如何建立系统、发送信息和进行图像重建带来了新的限制。我们费了很大脑筋才想出这个办法。」
研究人员使用红色、绿色和蓝色LED主动照明解决了这两个问题。
当相机要拍摄图像时，先用红色LED作为照明，使用图像传感器来拍摄照片。然后再分别用绿色和蓝色LED作为照明，再进行拍摄。
Akbar解释说，尽管图像看起来是黑白的，但红、绿、蓝三色的光在每张照片的白色部分都有反射。当图像数据在后期处理中被结合起来时，就可以重建彩色图像了。
图：主动照明下的水下反向散射成像
「当我们还是孩子的时候，在美术课上，老师就教我们，用三种基本颜色，就能制作出所有的颜色。对于我们在电脑上看到的彩色图像，也遵循同样的规则。我们只需要红色、绿色和蓝色这三原色，就可以构建彩色图像，」Akbar说。
如何用声音发送数据一旦捕捉到图像数据，它们就被编码为比特（1和0），并通过一个称为水下反向散射的过程，一次一个比特地发送到接收器。
接收器将声波通过水传送到照相机，照相机就像一面镜子，反射这些波。
相机要么将波反射回接收器，要么将其镜子改为吸收器，这样就不会反射回来。
发射器旁边的一个水听器感知是否有信号从摄像机反射回来。
如果它收到一个信号，那就是位1，如果没有信号，那就是位0。该系统使用这种二进制信息来重建和后处理图像。
Sayed Saad Afzal说：「这整个过程，因为它只需要一个开关将设备从非反射状态转换为反射状态，所以比典型的水下通信系统消耗的功率要少五个数量级。」
研究人员在水下环境中测试了该相机。
他们拍摄了漂浮在新罕布什尔州池塘中的塑料瓶的彩色图像。
他们能够拍摄到非洲海星的高质量照片，其手臂上的小瘤子清晰可见。
该相机还能有效地在黑暗环境中对水下植物Aponogeton ulvaceus进行反复成像，并在一周内监测其生长。
图：使用水下反向散射成像获得的样品图像
现在，他们已经展示了一个工作原型，研究人员计划加强该设备，使其在现实世界环境中的部署是实用的。他们希望增加相机的内存，以便实时拍摄照片和运动图像，甚至拍摄水下视频。
未来，研究人员还想进一步扩大相机的使用范围。目前已经成功在离接收器40米的地方实现了数据传输，但未来打算这个范围推得更广，使相机能够在更多的水下环境中使用。
图：研究人员尝试扩大相机使用范围的实验结果
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校电气和计算机工程助理教授Haitham Al-Hassanieh说：「这将为低功耗物联网设备以及水下监测和研究开辟巨大的研究机会，很遗憾他没有参与这项研究。」
参考资料：
https://news.mit.edu/2022/battery-free-wireless-underwater-camera-0926
https://www.nature.com/articles/s41467-022-33223-x
