水下光學成像圖像的典型劣化分析與仿真模擬(編輯修改稿)
2025-07-20 18:07 本頁面
【文章內容簡介】 和銳度降低。在淺海中或者白天環(huán)境下,水下圖像可以在自然光照下獲得。但是在深海或者夜晚的環(huán)境下,即使是最清的水也看不到光。在比較淺的水中,有時照明亮度也不都夠,這時就需要增加輔助照明來提高成像質量。由于在水中波長長的光衰減大,因此我們可以選擇波長短的光源輔助照明。但是對于渾濁的水質,懸浮粒子較多的情況下,短波長的光,散射也較為嚴重。由于照明光是會聚光的，成像光線強弱分布差異較大，以亮度最強點為中心徑向逐漸減弱，即光照不均勻問題，反映在圖像上為背景灰度分布不均、輪廓灰度過度平滑的特點。此外，當景物與攝像系統(tǒng)發(fā)生相對運動，會使成像效果惡化，造成運動模糊。由于海水的流動和水下環(huán)境的不確定性，運動模糊在水聲圖像中相當常見。該問題的產(chǎn)生是由于相向運動造成在探測器平面上一幀時間內對同一景物獲得連續(xù)不同的放大率，從而導致空變的徑向輻射狀模糊。綜上，水下光學圖像的劣化大致有以下幾類：水體波動導致圖像產(chǎn)生自陰影、假紋理、假輪廓等假細節(jié)；水體及懸浮物對光的吸收、散射導致圖像亮度非均勻細節(jié)模糊和色彩降維；非均勻照明光、有限可視距離導致成像灰度不均和邊緣平滑。這些現(xiàn)象都給后續(xù)目標辨識和圖像處理造成了困難。3 水下光學圖像劣化模擬就劣化模擬方法而言，有兩個入手點：一是正向劣化，針對水下圖像的獲取特點，特征化通信系統(tǒng)參量，模擬出特定通信環(huán)境下的水下圖像劣化效果；二是反向劣化，從水下圖像的劣化特點入手，利用圖像的計算機儲存特點，對圖像進行時域、空域或頻域的數(shù)學建模，然后直接劣化計算，模擬出特定的水下圖像劣化效果。JaffeMcGlamery水下成像模型是個包含照明、物體反射屬性、介質以及傳感器特性的模型，但是它不包括水下成像設備的對成像的影響，本文在JaffeMcGlamery模型的基礎上進行改進，將彩色圖像分為RGB三個向量，分別用不同衰減系數(shù)作Jaffe劣化后合并，然后再進行離焦模糊和運動模糊劣化，使最后仿真結果更加接近真實水下圖像效果。 簡化JaffeMcGlamery水下成像模型模型的建立基于兩個客觀事實：第一，成像具有線性疊加特性，即接收到光輻照量包含三個成分：直接反射成分、前向散射成分、后向散射成分。故光入射成像平面上的總光輻照表示為： （31）第二，介質與光波的相互作用。設介質是各向同性、均勻的，光在水介質中會衰減和散射，在水下環(huán)境中，偏向可能是由于尺寸與光波波長相當?shù)膽腋×Ｗ拥难苌?，或散射指?shù)不同與介質的微小物體造成的。研究表明可以將兩種現(xiàn)象合一表示為： （32）其中是點上的入射輻照度，其中是點上的入射輻照度，r是間隔距離，c是總衰減系數(shù)，表示每單位距離的光強衰減量，由大氣透射表測得。典型深海水、沿海岸海水和海灣水的衰減系數(shù)分別為，和。假設一個無限薄的波束（沒有光散射），建模時將衰減和散射分開看作與吸收作用和散射現(xiàn)象的因素：，則（32）改寫為： （33）圖31 基本水下成像模型假設水下照明是一個點光源，由波束模式來表征，定義為函數(shù)。該函數(shù)表示光源單位距離的半球面上單位面積接受的輻射量，單位。角度、定義了光線從光源到場景平面（scene surface）上點的方向，如圖31。該點由三維坐標系定義。到達場景之前，波束呈球狀傳播，在水中衰減。場景上點的入射輻射量可以寫作： （34）其中是光源入射光線與場景平面p點法線的夾角，是光源和p之間的距離。一些到達平面的小角度光輻射是來源于前向散射，加入前向散射成分，可以把（34）式改進為： （35）其中表示卷積計算，為點散射函數(shù)（PSF），定義如下： （36）其中，是經(jīng)驗常數(shù)，且，是經(jīng)驗衰減函數(shù)，表示傅里葉反變換，表示徑向頻率。為了計算物體反射幅度強度，要將入射輻射模型乘以反射圖的反射率值。在水下攝像機光實驗系統(tǒng)中，物體用一個平面反射圖表示，典型海洋中的目標物體的取值范圍在。另外，有三種衰減使成像平面上的光輻射弱于進入攝像機（CCD）的輻射。第一種是球面衰減，來自鏡片特性（基本上是由于有限孔徑），由表示，是攝像機的入射光線和光學坐標的夾角，是透鏡的焦距比數(shù)（焦距比數(shù)=焦距/鏡頭直徑）。第二種衰減是透鏡透射率，表征為
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