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Spécial SURFO: Comment prendre une photo parfaite… sous l'eau?

Chaque été, la Graduate School of Oceanography (GSO) de l'Université du Rhode Island accueille des étudiants de premier cycle de tout le pays pour participer à la recherche océanographique. Ces boursiers de recherche d'été de premier cycle (SURFO) ont non seulement travaillé avec des scientifiques du BSG, mais ils ont également passé une partie de leur temps à apprendre à communiquer cette science au public. Bien que leur expérience de recherche ait été virtuelle cet été, ils ont quand même fait un travail fantastique. Lisez la suite pour découvrir ce qu'ils ont fait et pourquoi tout le monde devrait être aussi enthousiasmé qu'eux par leur travail.

Samuel Bultman est senior à l'Université de Caroline du Nord à Charlotte, avec une majeure en génie mécanique et une mineure en mathématiques. Cet été, il a travaillé avec le Dr Chris Roman (conseiller) et David Casagrande (mentor) sur la conception d'un stroboscope sur mesure pour prendre de meilleures photos sous l'eau. Lisez ci-dessous pour en savoir plus sur son travail!

Prendre la photo parfaite

Tout le monde aime une bonne image – une prairie de fleurs sauvages, un paysage de montagne rustique, une plage de sable blanc par une journée ensoleillée. Pour obtenir ces superbes photos, le photographe doit avoir un sens aigu du détail. L'éclairage, le sujet et tout le reste doivent s'harmoniser parfaitement jusqu'à ce que l'instantané parfait de votre environnement soit visible. C'est vraiment au photographe de faire ou de casser l'image.

Pour prendre des photos sous l'eau, les photographes doivent souvent enfiler du matériel de plongée sous-marine (en haut) ou utiliser des véhicules télécommandés (en bas). Crédit d'images: NOAA

Imaginez maintenant que nous retirons complètement le photographe de l'image (jeu de mots prévu). Nous avons mis la caméra sur une minuterie à la place. Comment saurons-nous si nous prenons une bonne photo? Et maintenant, changeons encore plus. Jetons la caméra sous l'eau. Au fond, à des centaines de pieds sous la surface. Comment diable pourrons-nous jamais avoir une bonne image maintenant?

Des questions comme celles-ci tourmentent constamment les scientifiques et les chercheurs océaniques. Ils veulent de meilleures photos sous l'eau – pour examiner les coraux, ou observer le comportement des animaux, ou même pour enquêter sur les éruptions volcaniques sous-marines (parmi beaucoup d'autres raisons) – mais ensuite ils se demandent: comment pouvons-nous prendre de superbes photos sous l'eau? Il existe plusieurs méthodes différentes, telles que les véhicules télécommandés, les véhicules sous-marins autonomes, les sous-marins habités, même les plongeurs sous-marins. Mais ces méthodes ont tendance à être coûteuses et difficiles à utiliser; pas l'outil idéal pour les scientifiques qui souhaitent prendre des photos du fond marin et d'autres habitats sous-marins. Que diriez-vous d'un appareil plus rentable? Une solution plus simple à utiliser? Et il s'avère qu'il y a quelque chose comme ça – un flotteur lagrangien.

Flotteur lagrangien avec flash de caméra actuel et caméra stéréo. Crédit d'image: Casagrande et al., 2019.

UNE Flotteur lagrangien est un appareil qui flotte et dérive au-dessus du fond marin, en maintenant une distance constante au-dessus du fond de l'océan, en s'ajustant à distance pour que sa hauteur au-dessus du fond ne vacille pas. En attendant, le flotteur prend différentes données, notamment des images. Comparés aux autres méthodes d'imagerie sous-marine à distance, les flotteurs lagrangiens coûtent moins cher et sont plus faciles à utiliser pour les scientifiques. Ces attributs en font de bons candidats pour que les scientifiques et les chercheurs prennent des photos sous l'eau.

Les problèmes de la photographie sous-marine

Et donc maintenant, il existe une solution potentielle au problème de la prise de vue sous l'eau. Mais attendez, il y a un autre problème: prendre des photos sous l’eau n’est pas si simple. Lorsque la lumière brille à travers l'eau, la lumière se courbe très différemment de celle de l'air. Cette flexion, qui s'appelle réfraction, provoque une distorsion globale de l'image. Si vous regardez les photos prises à partir d'un flotteur passé (ci-dessous), vous pouvez remarquer ces écarts. Alors, comment résoudre ce problème? Une réponse consiste à utiliser un stroboscope sous-marin – un appareil qui produit un flash lumineux qui éclaire uniformément tout ce que le chercheur essaie de prendre en photo. L'utilisation d'un stroboscope élimine la distorsion de l'image.

Exemples d'images d'une plongée avec flotteur lagrangien. Crédit d'image: Roman et al., 2020

Conception d'un stroboscope sous-marin

LED stroboscopique conçu. Photo par Samuel Bultman

En ajoutant un stroboscope sous-marin à la caméra déjà sur un flotteur lagrangien, les scientifiques peuvent prendre de bien meilleures photos sous l'eau. Cependant, ce n'est pas aussi simple que de jeter quelques diodes électroluminescentes (LED) dans un récipient sous-marin et de le gifler sur le côté du flotteur. Le placement des LED doit être parfait, compte tenu de la distorsion inévitable à laquelle la lumière sera confrontée lorsque les rayons sont diffusés à travers l'eau. Les LED doivent briller uniformément sur toute votre image. Après tout, personne ne veut que certaines parties de l'image soient plus claires et d'autres plus sombres. Ajoutez cela au fait que le stroboscope doit avoir le poids et le volume parfaits pour ne pas flotter, couler ou faire basculer le flotteur lagrangien. Pour obtenir une image parfaite, vous avez besoin d'un stroboscope parfaitement construit.

J'ai passé cet été à concevoir un tel stroboscope sous-marin… et je l'ai fait entièrement en ligne. J'ai été déçu de ne pas pouvoir passer l'été à Rhode Island, mais la recherche virtuelle a fini par être une expérience formidable. J'ai travaillé aux côtés de ceux du laboratoire du Dr Chris Roman pour concevoir le stroboscope. Tout d'abord, j'ai utilisé différents logiciels d'ingénierie qui modélisent les rayons lumineux – comme LightTools et MATLAB – jusqu'à ce que je propose une conception théorique pour placer les LED dans le stroboscope. Après cela, j'ai combiné la conception théorique avec une conception mécanique réelle. J'ai conçu un support imprimé en 3D dans SolidWorks qui abritera les LED en place derrière un dôme sous-marin protecteur. Vous pouvez voir une image du support avec les LED à droite et la première itération du support imprimé en 3D ci-dessous. Les étapes suivantes consistent à câbler les LED ensemble, à monter le stroboscope sur le flotteur lagrangien et à commencer à prendre des photos parfaites sous l'eau!

Support LED imprimé en 3D. Voici à quoi ressemble le stroboscope LED conçu dans la vraie vie! Photos par Chris Roman

Je suis doctorant à la Northeastern University de Boston. J'étudie la régénération du système nerveux dans les salamandres d'eau appelées axolotls. Pendant mon temps libre, j'aime lire de la science-fiction, cuisiner, me promener dans Boston et trouver des articles scientifiques sympas.

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