水下光學(xué)成像圖像的典型劣化分析與仿真模擬-文庫吧
2025-06-08 18:07 本頁面
【正文】 效應(yīng)等，使得水下圖像大多存在以下問題［1］［2］：有限的可視距離、低對(duì)比度、非均勻照明、模糊、光斑、色彩降維以及各種復(fù)雜因素的噪聲。因而,對(duì)水下圖像進(jìn)行有效的改善必須建立在對(duì)水下成像系統(tǒng)的機(jī)制和特性進(jìn)行全面的研究之上。此外,對(duì)水下圖像劣化模型的研究也是從根本上解決水下圖像降質(zhì)問題的必要手段。近年來，已有不少文獻(xiàn)對(duì)圖像劣化模型進(jìn)行了相關(guān)研究，文獻(xiàn)［3］［4］利用湍流模型模擬水下環(huán)境，并在此技術(shù)上研究了維納濾波器等圖像復(fù)原技術(shù)的性能。文獻(xiàn)［5］提出了一種非均勻照明系統(tǒng)，非均勻光照的功率分布與水下光衰減的傳播相反，該文用Monte Carlo方法模擬水下光照的功率分布，結(jié)果顯示該系統(tǒng)有效減少了后向散射噪聲，提高了作用距離。文獻(xiàn)［6］提出了一種基于海雪現(xiàn)象模型的圖像仿真方法，研究了降低海雪微擾影響的彩色圖像復(fù)原技術(shù)。文獻(xiàn)［7］在JaffeMcGlamery水下圖像形成模型的基礎(chǔ)上對(duì)水下彩色圖像進(jìn)行仿真。雖然國內(nèi)外相關(guān)研究取得一定成果，但仍缺乏完備的水下圖像劣化模型和仿真系統(tǒng)用于研究或預(yù)測圖像處理等技術(shù)的性能。本文首先分析了水下光學(xué)圖像劣化成因，然后在分析水下圖像劣化特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)水下圖像劣化仿真，具體做法是以JaffeMcGlamery模型為基礎(chǔ)，將彩色圖像分為RGB三個(gè)向量，分別用不同衰減系數(shù)作Jaffe劣化后再合并，接著再進(jìn)行離焦模糊和運(yùn)動(dòng)模糊劣化，使其更加接近真實(shí)水下圖像劣化效果。1 水下光學(xué)圖像劣化分析水下光學(xué)圖像在獲取過程中會(huì)出現(xiàn)圖像的劣化，主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：一是水下環(huán)境的影響，二是成像設(shè)備自身對(duì)成像的影響。成像設(shè)備自身問題包括成像系統(tǒng)的散焦，成像器材的固有缺陷，以及設(shè)備與成像目標(biāo)的相對(duì)移動(dòng)。 水下環(huán)境的影響成像在水下環(huán)境和空氣中有很大區(qū)別，這是因?yàn)樗橘|(zhì)對(duì)光波具有吸收和散射的作用。水對(duì)光的吸收具有明顯的選擇性。由于海水的不均勻性,衰減系數(shù)隨傳輸路徑和水溫的變化而變化,也隨著光波波長的變化而變化。水能夠強(qiáng)烈吸收紫外和紅外部分,在可見光譜區(qū)域,吸收最大的是黃色、紅色和淡綠色光譜。由于藍(lán)色的波長最短,使得藍(lán)色光在水中能夠傳播最遠(yuǎn)的距離。純凈水和清潔海洋水在光譜藍(lán)綠區(qū)域透射率最大,但即使是這個(gè)藍(lán)綠窗口,水的吸收也使光的強(qiáng)度每米衰減百分之四,而其他顏色的光在幾米外就幾乎消失了［1］，易導(dǎo)致圖像色彩降維，呈現(xiàn)藍(lán)色或綠色調(diào)為主，如圖21（a）。因此,水對(duì)光的選擇性吸收作用不僅造成光能量衰減,同時(shí)使得水下攝像物體的顏色失真。水下散射對(duì)成像影響也非常大。散射又分為前向散射和后向散射，前向散射是指光在水中傳播時(shí)，遇到水中懸浮顆粒而向前各方向散射，造成光在正向傳播方向上的衰減，限制了成像距離。傳輸距離越遠(yuǎn),前向散射影響越大，它會(huì)使掃描分辨率和目標(biāo)背景對(duì)比度下降。后向散射是指光在水中傳播時(shí)，遇到水中懸浮顆粒向后各方向散射，造成圖像對(duì)比度下降。后向散射隨著入射光功率的增大而變嚴(yán)重。散射光對(duì)圖像襯度有非常嚴(yán)重的影響，它造成圖像的對(duì)比度下降，隨著距離增大，畫面反差降低，圖像細(xì)節(jié)模糊［1］，如圖21（b）（d）。 (a) （b） （c） （d）圖21 水下圖像：（a）色彩降維（b）細(xì)節(jié)模糊（三棱柱、球體等）（c）深海海洋雪（d）淺海海底成像另外，在深海中有一種特殊的視覺現(xiàn)象叫作海洋雪，如圖21（c），它是由有機(jī)物所組成的碎屑無規(guī)則運(yùn)動(dòng)形成的。這些有機(jī)物碎屑起源于海洋上部透光層的有機(jī)物生產(chǎn)活動(dòng)。這種深海的特殊粒子會(huì)對(duì)光發(fā)生反射和散射作用，因此在深海拍攝的圖片會(huì)帶有隨機(jī)分布的白色亮點(diǎn)，仿佛翩翩飛舞的雪花，嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量［1］。 成像設(shè)備自身問題的影響水下攝像機(jī)是一個(gè)水密殼窗，該水密殼窗將目標(biāo)與成像平面分別位于空氣和水兩種介質(zhì)中，因此考慮到兩者的折射率的不同，當(dāng)光線從水介質(zhì)經(jīng)過平面玻璃射向空氣時(shí)就會(huì)產(chǎn)生折射時(shí)，相機(jī)的聚焦和視角會(huì)產(chǎn)生誤差，焦距增大；由于平面殼窗的限制會(huì)造成視場變??；水中的平面殼窗還會(huì)使透鏡的放大率不均勻，造成枕形失真；同一透鏡對(duì)不同色光焦距各異，這使成像時(shí)不同光譜段的焦點(diǎn)不重合，造成色散，引致圖像色差
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