红外与激光工程
2024, 53(1): 20230372
青岛大学计算机科学技术学院，山东 青岛 266071
针对水下图像存在的雾化、模糊和颜色失真问题，提出一种基于全变分和颜色平衡的水下图像复原方法。以完整水下光学成像模型为基础，分别结合四叉树细分法与光在水中传播特性估计背景光，利用水下中值暗通道先验估计透射率，并采用共轭梯度和迭代最小二乘法估计模糊核。为提高计算效率，引入交替方向乘子法对变分能量方程进行逆求解得到去雾、去模糊的图像。在此基础上，在YCbCr空间采用颜色平衡算法对颜色通道进行补偿以校正色彩失真。与6种流行的水下图像增强和复原方法进行比较，实验结果表明，所提方法可以有效地去除雾化和模糊、校正色偏、恢复出清晰、色彩真实的水下图像。
图像处理 水下图像复原 水下光学成像模型 全变分模型 颜色平衡 激光与光电子学进展
2023, 60(16): 1610007
红外与激光工程
2021, 50(6): 20211039
1 青岛理工大学 山东省激光绿色智能制造与设备协同创新中心, 山东 青岛 266520
2 工业流体节能与污染控制教育部重点实验室, 山东 青岛 266520
3 奥克兰大学 物理系光子工厂, 新西兰 奥克兰 1010
4 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
5 中国人民解放军91550部队, 辽宁 大连 116023
6 青岛海镭激光科技有限公司, 山东 青岛 266100
随着透明海洋战略的提出, 低成本的凝视成像装备在水下光学成像中独具优势。然而, 后向散射和成像目标难以分离, 远距离凝视成像极为困难。更为严重的是, 在采集到有效目标图像之前, 过强的后向散射噪声已经使图像提前饱和, 无法进行后续处理。本文提出了短相干照明与偏振成像相结合的水下远距离成像方法, 利用短相干光源照明简化后向散射与成像目标的分离过程, 同时, 采用偏振技术有效抑制后向散射, 防止图像提前饱和, 保障目标图像的有效采集。为此, 搭建了大型水下光学成像实验平台, 并对22 m的远距离水下目标进行了成像试验研究。试验结果表明, 该复合成像方法获得的图像信噪比由0.50 dB提高到13.57 dB, 设备的抗提前饱和能力提高了1.42倍, 优于传统的偏振成像, 可以为大范围水下光学监控提供技术支撑。
水下光学成像 后向散射分离 偏振成像 短相干 远距离成像 underwater optical imaging separation of backscattering polarization imaging short coherence long-range imaging
1 青岛大学计算机科学与技术学院, 山东 青岛 266071
2 中科曙光国际信息产业有限公司, 山东 青岛 266101
由于水体及水中的悬浮粒子对光的吸收和散射作用,水下观测到的图像呈现出模糊、对比度低、噪声严重等问题,加大了水下图像分析与理解的难度。为了克服这些缺陷,以水下光学成像模型为基础,提出了一种基于拉普拉斯算子先验项的,可同时去雾、去噪的快速变分复原方法。首先,根据水下光学成像模型设计变分模型的数据项和规则项,对拟恢复图像采用拉普拉斯算子先验项作为变分能量方程的规则项。然后,采用改进后的红通道先验估计得到全局背景光,结合红通道先验估计得到每个通道的透射率图。为进一步提高计算效率,引入交替方向乘子法(ADMM)对所提出的模型进行交替优化迭代求解。实验结果表明,该算法能有效地去除水雾,抑制水下图像的噪声,提高图像的对比度和清晰度。
海洋光学 水下图像复原 水下光学成像模型 拉普拉斯算子 变分模型 激光与光电子学进展
2020, 57(16): 161026
1 广州海洋地质调查局，广东 广州 510075
2 浙江大学 海洋学院，浙江 舟山 316021
基于光学成像原理和激光三角测距法，提出将三个点激光器与水下相机结合、根据水下光学图像对水下目标物距离进行测量的思路。建立了激光束与目标物垂直、与目标物之间存在旋转角、存在俯仰角三种情况下的三点激光测距理论模型，推导了目标物距离与水下激光光斑图像之间的数学关系，在此基础上得到了三种情况下的三点激光测距公式。研制了系统样机，并通过空气中和水下的距离测量实验，测试了测距模型和定标算法的误差。实验结果显示，在8.4 m范围内，使用统一测距公式对距离进行测量时，测距误差最大值约为35 cm，平均测量误差小于15 cm。研究成果可望用于水下目标较近距离的精确测距。
水下激光测距 水下光学成像 水下图像处理 underwater laser ranging underwater optical imaging underwater image processing 红外与激光工程
2019, 48(10): 1005011
1 齐鲁工业大学(山东省科学院) 山东省科学院海洋仪器仪表研究所, 山东 青岛 266061
2 山东省海洋环境监测技术重点实验室, 山东 青岛 266061
针对水中气泡与固体悬浮微粒不易区分的问题, 提出了一种基于Zernike矩与灰度计算的水下光学气泡图像识别方法。该方法主要分为图像划分、图像预处理和特征提取三个步骤。首先, 获取水下悬浮微粒的图像, 从中划分出单个气泡并选取部分样本; 为了更好地提取与表示气泡轮廓与灰度特征, 然后采用图像预处理方法增强气泡边缘特征, 选择并构建气泡特征库; 最后, 采用Zernike矩计算悬浮微粒特征的相似度, 区分圆形微粒与非圆形微粒, 之后计算微粒中心与灰度变化趋势, 辨别气泡与固体悬浮微粒。实验结果表明, 在测试数据集上的气泡识别准确率达到94%。该方法不仅能够辨别圆形与非圆形微粒, 而且能够融合灰度梯度计算方法以获取更好的结果。该方法从形状与灰度两个方面提取与辨别目标的特征信息, 提高了气泡识别精度, 具有较高的精确性与适用性。
水下光学成像 气泡识别 Zernike矩 梯度计算 underwater optical imaging bubble recognition Zernike moments gradient computation 红外与激光工程
2019, 48(3): 0326001
1 中国科学院 深海科学与工程研究所, 海南 三亚 572000
2 海南热带海洋学院 海洋科学技术学院, 海南 三亚 572022
3 中车集团株洲时代新材料科技股份有限公司, 湖南 株洲 412007
深海光学成像系统分为4个子系统: 照明系统、相机系统、图像处理系统以及数据存储与传输系统, 本文对深海光学成像系统化研究与发展趋势展开分析。文中有针对性地对深海光学成像最前端的两个子系统-照明系统与相机系统进行了较为详细地阐述。其中, 深海照明系统进一步细分为3个更小的系统: 光源系统、配光系统以及灯阵系统; 对于深海相机系统则根据其应用领域及技术特点细分为水下普通成像、激光成像、偏振光成像、3D/全景成像、显微成像以及光谱成像6类。从近年来国内外深海光学成像的发展历史及现状来看, 其未来的发展趋势可以归结为以下几点: 更高的分辨率, 更深的工作深度, 更大的观测范围以及更多样的成像方式。
深海光学 水下光学成像 深海照明 深海相机 deep-sea optics deep-sea lighting system deep-sea camera system
1 山东省海洋环境监测重点实验室, 山东 青岛 266100
2 山东省科学院海洋仪器仪表研究所, 山东 青岛 266100
设计了大相对孔径的三档变焦光学系统来监控海洋生态监测仪器的工作状态。该系统的设计通过Zemax软件实现, 总长度为200 mm, 系统采用6.4 mm×4.8 mm的CCD感光板, 三档变焦焦距分别为8, 14, 28 mm, 变焦过程中相对孔径为1/1.4, 短焦时最大视场角为52°。最大视场角下, 当奈奎斯特频率为42 lp/mm 时, 系统的0视场的调制传递函数(MTF)值为0.8, 0.707视场的平均MTF值为0.7, 1视场的平均MTF值达0.6; 10 μm范围内, 几何包围能量均在90%; 畸变控制在合理的范围。该系统变焦比高、结构简单、相对孔径大, 适用于海水中海洋生态监测仪器的监控, 能够及时地反馈海洋生态监测仪器的工作状态信息, 大大降低了海洋生态监测仪器的维护成本。
海洋光学 水下光学成像 变焦系统 激光与光电子学进展
2017, 54(10): 100101
