1、不同颜色照明下的水下成像差异研究孙杰,王红萍,张丹,余义德(中国人民解放军 91550 部队,辽宁大连,116023)摘要:针对低照度、浑浊水质环境中水下成像系统观测能力受限的问题,从辅助照明光源的角度,设计了水池实验方案,分析不同浑浊程度的水质条件下光源光谱特性对水介质散射特性的影响。实测数据分析表明,不同颜色的辅助光照明下,水体的散射系数存在差异,低浓度的水体对蓝光的散射系数较大,蓝光照明的成像效果并不理想,而随着浓度增加,红光的散射系数逐渐接近甚至大于蓝光。研究结果不仅有助于优化水下成像系统中照明光源的参数设置,而且能够为去散射方法的应用,以及获取高质量的水下观测视频提供强有力的技术理论
2、支撑。关键词:水下成像;辅助光源;散射特性中图分类号:TJ630.34;U674文献标识码:A文章编号:2096-3920(2023)04-0648-06DOI:10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0046DifferencebetweenUnderwaterImagingwithIlluminationSourceswithDifferentColorsSUNJie,WANGHongping,ZHANGDan,YUYide(91550thUnit,thePeoplesLiberationArmyofChina,Dalian116023,China)Abstract:
3、Sincetheobservationabilityofunderwaterimagingsystemsislimitedintheenvironmentoflowilluminationandturbidwater,theexperimentalschemeofthepoolwasdesignedfromtheperspectiveofanauxiliaryilluminationsource.Theinfluence of spectral characteristics of illumination source on scattering characteristics of wat
4、er medium under differentturbidityconditionswasanalyzed.Theanalysisofmeasureddatashowsthatthescatteringcoefficientsofwaterbodiesaredifferentundertheauxiliaryilluminationsourceswithdifferentcolors.Thescatteringcoefficientofbluelightislargerinwaterwithlowconcentration,andtheimagingwithbluelightisnotid
5、eal.Thescatteringcoefficientofredlightislargerthanthatofbluelightwithincreasingconcentration.Theresearchresultsnotonlyhelptooptimizetheparametersofilluminationsourcesinunderwaterimagingsystemsbutalsoprovidestrongtechnicalandtheoreticalsupportforapplyingde-scatteringmethodsandobtaininghigh-qualityund
6、erwaterobservationvideos.Keywords:underwaterimaging;auxiliaryilluminationsource;scatteringcharacteristic0引言水下光学成像探测是获取水下目标物状态信息的重要手段,但是在海洋环境中,光波的传输特性并没有空气中那样优良。由于一些海域水体的自然光照度低、水色和能见度随季节变化显著,同时水体和悬浮颗粒1-2对光线有着极强的散射效应,会对成像器件光谱响应范围、照明光源颜色以及色温成型的水下光学探测系统造成较大影响,体现在水下图像光照不均匀、对比度低、目标模糊,以及细节不清晰等问题,严重制约了水下光学成
7、像系统的观测效果,降低了水下目标识别的准收稿日期:2023-05-19;修回日期:2023-06-16.作者简介:孙杰(1985-),女,硕士,高级工程师,主要研究方向为水下测量.第31卷第4期水下无人系统学报Vol.31 No.42023年8月JOURNALOFUNMANNEDUNDERSEASYSTEMSAug.2023引用格式 孙杰,王红萍,张丹,等.不同颜色照明下的水下成像差异研究 J.水下无人系统学报,2023,31(4):648-653.648JournalofUnmannedUnderseaSystemssxwrxtxb.xml-确性。通过图像清晰化技术,可以在一定程度上改善水下
8、图像质量,但是在几十米深的水下,阳光透过大气进入海水中的照度已经非常不足,特别是在夜间观测环境中,选择合适的光源至关重要。通常水下辅助照明光源的研究围绕布设角度、位置和输出功率等3-6展开,对蓝绿光波段以外的参考光源颜色和成像鲜有报道。文中从水介质的光学特性出发,设计水池实验进行图像采集,分析不同颜色辅助光源下光波的吸收和散射特性,为水下光学探测系统的光源参数调节提供参考依据,进而提高现有海洋环境下水下光学观测能力,为水下目标状态的深入分析研究提供更加准确的数据。1光在海水中的传输特性分析光波的衰减程度与传播媒介的特性有关,在海水中传播时,水分子、有机物、无机盐和浮游动植物等悬浮粒子成分会产生
9、吸收和散射 2 种物理作用,使得光在水下的衰减情况7如图 1 所示。光源后向散射前向散射工作距离悬浮粒子目标相机100%50%12.5%25%5 m10 m30 m20 m图1光在水下传播导致颜色失真示意图Fig.1Color distortion caused by underwater light pro-pagation以单色平行光束在海水中传播的能量衰减为例,符合 Lambert-Beer 定律,表述为I=I0ecL(1)I0式中:I 为接收处的光量;为该单色平行光束的发射光量;L 为光波在水体中传播的路程长度;c 为水体的衰减系数,表示对光通过单位长度的路程时其能量衰减的数值取对数。
10、光在海水中的衰减过程可用与波长和海水成分都有关的复杂函数表示,由于水体的吸收和粒子的散射是光能量在水中衰减的主要原因8,因此式(1)中的衰减系数可进一步表述为c=a+b(2)()式中:a 为吸收系数;b 为散射系数,是散射函数在所有角度上的散射叠加,表示光线以角度偏离原传播方向的参数。海水对不同波长的光具有不同的衰减率9,一般来说,海水在 470530nm 波长范围的衰减最小。随着波长的变化,纯净海水的衰减系数变化如图 2 所示。海水体积衰减系数/m110.001.000.100.01200300400500600700800光波波长/nm图2光在海水中的衰减系数随波长变化曲线Fig.2Att
11、enuationcoefficientchangeoflightinseawaterwithwavelength1.1光在水中的吸收特性分析光在水中传输会损失能量,处于不同光谱区域的光波在水下的传输能力表现出明显的差异性,损失的光能量各有不同,也就是说水体对光谱中光的吸收性与光波波长有关。20 世纪 80 年代,Smith 等10对自然水体中特定段的光谱范围进行了吸收系数和散射系数的测量,该研究建立在对溶解物质的吸收忽略不计的基础上,仅考虑分子和离子的散射等,从而由自然水体的衰减推算干净海水的光谱吸收与散射随光波波长的变化特性,如图 3 所示。32100.30.20.10吸收系数/m1散射系数
12、/m1200300400500600700800光波波长/nm吸收系数散射系数图3干净海水光谱吸收和散射特性Fig.3Spectralabsorptionandscatteringcharacteristicsofcleanseawater2023年8月孙杰,等:不同颜色照明下的水下成像差异研究第4期水下无人系统学报sxwrxtxb.xml-649由图 3 可知,光在水中的吸收和散射系数随波长的变化而变化,与散射作用相比,吸收作用占衰减的主要部分。1.2光在水中的散射特性分析光束在传输的过程中与介质发生作用,使得部分光束改变原来传播方向的现象叫做散射。光在水中传输时会与水分子、悬浮粒子发生散射
13、作用,产生散射光,在均匀介质中传输时,由于介质折射率是常数,使得基波和各次谐波的相位差保持不变,不会产生光的散射,而在非均匀介质中,由于介质折射率是不断变化的,引起光波的相位差发生变化,基波和各次谐波之间发生非相干叠加,产生光的散射。散射光与入射光传播方向的夹角称为散射角,根据散射角度的不同分为前向散射(散射角小于 90)和后向散射(散射角大于 90),如图 4所示。入射光后向散射光前向散射光图4光的前向散射和后向散射Fig.4ForwardscatteringandbackscatteringoflightNR2入射光在水中发生散射时,根据粒子的尺寸与光波波长的大小关系,可以将光的散射理论分
14、为瑞利散射(Rayleighscattering)和米式散射(Miescat-tering)。当粒子的尺寸远小于入射光的波长时,例如清洁海水中,主要采用瑞利散射理论来解释11。用 N 来表示单位体积内的粒子数,其相应等效截面积为,为光波长,对应的折射率为 n,则散射系数12可表示为SR=B4=83(NR2)(n21n2+1)2(2R)4(3)式中,B 为经验系数。当粒子的尺寸与入射光的波长相近或者远大于波长时,例如实际的沿岸浑浊水域,主要采用米式散射来解释13,可表示为s=(2/2)n=1(2n+1)|an|2+|bn|2(4)sanbn/式中:为散射截面14;和是关于的贝塞尔函数,其中 为颗
15、粒半径。1.3水下成像模型在水介质中,成像系统获得的图像主要由两部分组成15:一是经由水体粒子吸收和散射作用而衰减过的目标反射光;二是由于水体粒子散射形成的背景光,其表达式为Itotal(x,y)=IR(x,y)+IB(x,y)(5)Itotal(x,y)IRIB式中:为探测系统采集到的水下原始光强;为物体表面反射的光经过水体吸收和前向散射作用后到达探测系统的光强16;为由水下粒子后向散射产生的水下背景光强。水下成像示意图如图 5 所示。水面xy后向散射前向散射直接传输相机目标深度距离 L自然光照图5水下成像示意图Fig.5Underwaterimaging通过式(6)可进一步阐述水体传输后相
16、机接收到的能量。IR(x,y)=ID(x,y)+IF(x,y)(6)ID(x,y)I0IF(x,y)式中:为直流分量,表示目标反射光 经过水介质衰减之后被相机接收到的能量;为前向散射分量,表示光沿小角度散射后被相机接收到的部分。用 g 表示点扩散函数17,结合式(5),则前向散射分量为IF(x,y)=ID(x,y)g(x,y,L,G,c,B,)(7)其中,g(x,y,L,G,c,B,)=(eGLecL)F1(eBL)(8)|G|c|F1式中:G 和 B 均为经验系数,通常情况下;为傅里叶反变换;为空间角频率。相机接收到的包含有目标有效信息的部分为IR(x,y)=ID(x,y)+ID(x,y)g(x,y,L,G,c,B,)=I0(x,y)+I0(x,y)g(x,y,L,G,c,B,)ecL(9)由于水下目标物周边环境光与水中的粒子发生了多次散射,其后向散射光形成了背景光。后2023年8月水下无人系统学报第31卷650JournalofUnmannedUnderseaSystemssxwrxtxb.xml-VIB(x,y)向散射产生的光是在一个分布很广的角度下进入水下成像系统的。考虑将水下
