Design of an in-sensor refraction-correcting optical system for underwater-to-air object tracking

Abstract

물속에서 공중의 물체를 관측하고 추적하는 기술은 해안 감시, 해양 보안, 그리고 자율 무인 잠수정(AUV) 시스템 통합 등 다양한 응용 분야에서 필수적이다. 기존의 수중 이미징 시스템은 공기-물 경계면에서 발생하는 굴절로 인한 왜곡을 카메라 내부 또는 외부 소프트웨어에 통합된 후처리 알고리즘을 통해 보정하는 방식을 사용해왔다. 그러나 이러한 방식은 상당한 계산 부하를 초래하며, 실시간 데이터 처리 효율을 저해한다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 센서 내부에서 굴절 왜곡을 보정하는 개념을 적용한 광학 이미징 시스템이 연구될 예정이다. 이 시스템에서는 곡면 이미지 센서 위에 픽셀을 불균일하게 배열함으로써 굴절로 인한 이미지 왜곡을 본질적으로 보정하도록 설계된다. 기존의 소프트웨어 기반 보정 방식과 달리, 제안된 접근법은 픽셀 배열과 광학계를 공동으로 최적화하여 센서 단에서 굴절 왜곡을 직접적으로 완화한다. 이 방법은 계산 복잡도를 크게 줄이며, 수중에서 공중을 관측하는 상황에서도 견고하고 정밀한 물체 추적을 가능하게 한다.|Observation and tracking of airborne objects from underwater environments are essential for various applications, including coastal surveillance, maritime security, and integrated autonomous underwater vehicle (AUV) systems. Conventional underwater imaging systems typically compensate for refraction-induced distortions at the air- water interface through post-processing algorithms integrated within cameras or external software. However, this approach imposes significant computational overhead, limiting the efficiency of real-time data processing. To address these challenges, an optical imaging system incorporating an in-sensor refraction correction concept will be studied. In this system, pixels on a curved image sensor are arranged in an inhomogeneous distribution to intrinsically compensate for refraction-induced image distortions. In contrast to conventional software-based correction methods, the proposed approach employs a co-optimized pixel arrangement and optical system design to intrinsically mitigate refraction-induced distortions at the sensor level. This method significantly reduces computational complexity, thereby enabling robust and precise object tracking in underwater-to-air observation applications.