短相干照明與偏振相結(jié)合的水下遠(yuǎn)距離成像

張若蘭，邵 晶，3*，聶真威，呂占偉，王 燕，孫樹峰

(1.青島理工大學(xué) 山東省激光綠色智能制造與設(shè)備協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 青島 266520；2.工業(yè)流體節(jié)能與污染控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266520；3.奧克蘭大學(xué) 物理系光子工廠，新西蘭 奧克蘭 1010；4.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033；5.中國人民解放軍91550部隊(duì)，遼寧 大連 116023；6.青島海鐳激光科技有限公司，山東 青島 266100)

1 引 言

水下光學(xué)成像因探測目標(biāo)直觀、成像分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于海洋石油鉆探、水下搜救、海洋環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。然而，水下光學(xué)成像由于強(qiáng)烈的散射和衰減，圖像信噪比較低，嚴(yán)重影響成像質(zhì)量并限制成像距離。

水下散射包括前向散射和后向散射。其中，前向散射易造成成像目標(biāo)表面照明不均勻，后向散射由于與成像目標(biāo)傳播方向一致，二者難以分離，嚴(yán)重影響成像質(zhì)量。為此，水下成像多采用后向散射。為獲取清晰的水下目標(biāo)圖像，時(shí)間/距離選通成像技術(shù)、空間區(qū)分/激光同步線掃描技術(shù)(Laser Line Scanner，LLS)、偏振成像技術(shù)、結(jié)構(gòu)光成像技術(shù)等水下成像技術(shù)被提出[1-2]。其中，以距離選通成像為代表的水下掃描成像技術(shù)，其最大成像距離已經(jīng)能夠達(dá)到40 m[3]，但是成像設(shè)備十分昂貴。

隨著海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，透明海洋工程需要低成本、可便于大范圍鋪展的成像設(shè)備。偏振成像技術(shù)利用后向散射和目標(biāo)光束之間的偏振特性差異抑制后向散射，提高圖像信噪比且成本較低，成為水下凝視成像的優(yōu)選方法。陳慧敏等理論仿真和實(shí)驗(yàn)研究了收發(fā)同軸脈沖激光在不同尺寸散射粒子發(fā)生后向散射的不同偏振特性[4]。LIU等建立了一個(gè)考慮水的散射效應(yīng)和吸收效應(yīng)的水下偏振成像模型，能夠有效地校正吸水引起的色偏問題，緩解水下圖像退化問題[5]。韓平麗等針對偏振成像技術(shù)在后向散射光和目標(biāo)光束分離時(shí)由于噪聲放大現(xiàn)象導(dǎo)致重建圖像質(zhì)量受限的問題，提出了多尺度水下偏振成像方法，在提高對比度，復(fù)原圖像細(xì)節(jié)信息的同時(shí)有效抑制放大噪聲，提高重建圖像的信噪比[6]。YANG等提出了一種基于非偏振光照明的水下偏振成像目標(biāo)增強(qiáng)技術(shù)，有效地增強(qiáng)了渾濁水體中水下圖像的可見度和對比度[7]。TIAN等簡化了偏振差分成像的實(shí)現(xiàn)，在斯托克斯矢量的基礎(chǔ)上獲得偏振差圖像，有利于快速成像[8]。AMER等基于暗通道先驗(yàn)方法的優(yōu)化版本，利用偏振成像光學(xué)系統(tǒng)來識別物體，提高了渾濁環(huán)境中的水下圖像質(zhì)量[9]。

近年來，圖像復(fù)原技術(shù)成為了水下光學(xué)成像的研究熱點(diǎn)。ZHENG等采用邏輯隨機(jī)共振輔助高斯噪聲的方式提高對微弱輸入信號的響應(yīng)，來恢復(fù)渾濁水域中嚴(yán)重退化的水下圖像[10]。HAN等提取的傾斜邊緣進(jìn)行點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)估計(jì)，引入調(diào)制傳遞函數(shù)，減少了散射對偏振成像方法的影響，實(shí)現(xiàn)了圖像的恢復(fù)和分辨率的增強(qiáng)[11]。范之國等利用構(gòu)建的精簡水下目標(biāo)偏振重構(gòu)模型，通過自動(dòng)估計(jì)全局最優(yōu)偏振信息重構(gòu)參數(shù)，復(fù)原出水下目標(biāo)圖像，降低水體對圖像質(zhì)量的影響[12]。王一斌等采用自適應(yīng)背景光估計(jì)與非全局部先驗(yàn)的水下圖像復(fù)原算法，去除復(fù)原過程中的加性噪聲[13]。

凝視成像具有低成本優(yōu)勢，是水下掃描成像的有力競爭對手。但是，大部分偏振成像、圖像復(fù)原等研究多集中于短距離、渾濁水體環(huán)境，現(xiàn)有的水下凝視成像設(shè)備的最大工作距離一般為3～5 m，能夠與距離選通成像相媲美的遠(yuǎn)距離低成本水下凝視成像裝備與方法仍未見相關(guān)報(bào)道。

本文分析了后向散射與目標(biāo)圖像的像方差異，發(fā)現(xiàn)在短相干照明的遠(yuǎn)距離成像工況下，后向散射可以與目標(biāo)圖像進(jìn)行有效分離，因此，搭建了大型的水下光學(xué)成像實(shí)驗(yàn)平臺并進(jìn)行了初步驗(yàn)證。然而，當(dāng)后向散射過強(qiáng)時(shí)，圖像將提前飽和，無法采集有效目標(biāo)信息，該方法仍將失效。因此，提出了短相干照明與偏振成像相結(jié)合的方法，并建立了成像效果評價(jià)機(jī)制。

2 后向散射與目標(biāo)圖像分離

由于能夠進(jìn)入光學(xué)成像系統(tǒng)的后向散射具有一定的分布距離[14]，不同作用距離下的后向散射光入射到光學(xué)系統(tǒng)的強(qiáng)度分布仿真結(jié)果如圖1所示。后向散射的距離主要分布在0.5～2 m處(這一結(jié)論已經(jīng)被距離選通成像所證實(shí))，與遠(yuǎn)距離目標(biāo)圖像相比，二者有不同的成像光路，特別是像方數(shù)值孔徑和離焦因子。

(a)水下目標(biāo)與后向散射的成像光路差異(a) Difference of optical path between underwater target and backscattering

(b)仿真計(jì)算后向散射能夠進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的能量隨工作距離的變化(b)Simulated energy of backscattering captured by optical system as a function of working distance圖1 后向散射與目標(biāo)圖像的成像光路差異Fig.1 Difference of optical path between backscattering and target

由此，根據(jù)傅里葉光學(xué)的表征方法，成像目標(biāo)在CCD的成像可以被表述為：

(1)

其中：U1(x，y)是目標(biāo)圖像的點(diǎn)擴(kuò)散振幅和相位函數(shù)，x，y是在像面經(jīng)λ/NA1歸一化的笛卡爾坐標(biāo)系，NA1是成像目標(biāo)像方數(shù)值孔徑，u，v是出瞳的歸一化坐標(biāo)，f1是離焦因子。

進(jìn)入成像系統(tǒng)的后向散射在CCD的成像可以表述為：

(2)

其中：U2(x，y)是后向散射的點(diǎn)擴(kuò)散振幅和相位函數(shù)，x，y是在像面經(jīng)λ/NA2歸一化的笛卡爾坐標(biāo)系，NA2是后向散射像方數(shù)值孔徑，u，v是出瞳的歸一化坐標(biāo)，f2是離焦因子。

當(dāng)后向散射與目標(biāo)圖像具有較大的距離差異，即遠(yuǎn)距成像時(shí)，后向散射與成像目標(biāo)具有較大的像方數(shù)值孔徑和離焦因子差異。如果后向散射與目標(biāo)光束之間沒有任何關(guān)聯(lián)，后向散射可以作為一種背景噪聲，疊加在成像目標(biāo)上。

激光具有良好的單色性、優(yōu)越的方向性，常被用作水下成像的照明光源。激光作為一種相干光源，其照明條件下所形成的圖像光強(qiáng)為：

(3)

其中：I2為目標(biāo)圖像光強(qiáng)，I1為后向散射光強(qiáng)，n為相機(jī)自身所產(chǎn)生的背景噪聲。相機(jī)的信噪比n為56 dB，相對于后向散射所產(chǎn)生的噪聲而言，可以忽略不計(jì)，因此，公式(3)可以近似為：

(4)

為獲取清晰的目標(biāo)圖像，可以獲得先驗(yàn)信息，直接減除后向散射光強(qiáng)I1，由公式(4)可得目標(biāo)圖像為：

(5)

(a)目標(biāo)圖像(a)Target image

(b)后向散射噪聲(b)Backscattering noise

(c)減除后向散射的圖像(c)Image after subtracting backscattering圖2 長相干光源照明下的模擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Results of simulation experiment under long-distance coherent illumination

(a)實(shí)驗(yàn)原理示意圖(a)Schematic diagram of experimental principle

(b)整體實(shí)驗(yàn)裝置(b)Acquisition devices

(c)圖像采集裝置(c)Image acquisition devices圖3 短相干光源下水下遠(yuǎn)距離目標(biāo)成像實(shí)驗(yàn)原理及裝置Fig.3 Experimental principle and device for underwater long-distance target imaging with short-conherent light source

如果采用短相干光源進(jìn)行照明，由于后向散射與遠(yuǎn)距離目標(biāo)的軸向分布存在差異，干涉項(xiàng)將會(huì)消除，圖像光強(qiáng)變?yōu)椋?/p>

I=I1+I2.

(6)

此時(shí)所采集到的水下遠(yuǎn)距離圖像僅為目標(biāo)圖像光強(qiáng)和后向散射光強(qiáng)的疊加，對于同一水體下，只需要采集沒有目標(biāo)圖像的后向散射圖像作為背景減除，即可分離消除后向散射。

利用后向散射與遠(yuǎn)距離目標(biāo)的軸向分布差異特性，本文采用激光來增強(qiáng)水下照明的距離，同時(shí)，為使探測器上的后向散射與遠(yuǎn)距離目標(biāo)光束不相干，便于分離，需要采用相干長度小于10 mm的短相干激光器作為照明光源。光源的相干長度與光的波長和光譜寬度有關(guān)，即ΔL=λ2/Δλ，其中λ為光的波長，Δλ為光譜寬度。所選用的445 nm 波長的半導(dǎo)體激光器，采用的光譜寬度為1 nm，由ΔL=λ2/Δλ可求得該激光器的干涉長度僅為0.2 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。此外，選用Basler ACA相機(jī)搭配蔡司180 mm長焦鏡頭(F#4)作為采集相機(jī)，利用四片40 cm×30 cm的大尺寸反射鏡，搭建了22 m長的折疊水體光路。實(shí)驗(yàn)原理及裝置如圖3所示，445 nm波長的半導(dǎo)體激光器輸出的激光束通過22 m的折疊水體光路，照亮成像目標(biāo)，再返回進(jìn)入采集相機(jī)進(jìn)行水下目標(biāo)圖像的采集。由此出發(fā)，本文采用短相干照明直接分離后向散射提取有效目標(biāo)，是一種有效的水下成像方法。

基于后向散射與成像目標(biāo)的差異，采用短相干照明處理后的結(jié)果如圖4所示(彩圖見期刊電子版)。其中，圖4(a)為實(shí)驗(yàn)采集的原始圖像(圖中紅色方框內(nèi)為散射光斑，藍(lán)色方框內(nèi)為目標(biāo)圖像)，圖4(b)為所采集圖像的偽彩顯示圖，圖4(c)為短相干照明下直接減除后向散射所得的圖像。

(a)原始圖像(a)Raw image

(b)原始圖像的偽彩顯示圖(b)Pseudo-color display of raw image

(c)直接處理結(jié)果(c)Image after direct subtracting圖4 短相干光源照明下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Experimental results under short-coherent illumination

為了便于觀察，后文圖像均采用偽彩顯示圖進(jìn)行表述。受后向散射作用的影響，大量的后向散射光進(jìn)入相機(jī)，導(dǎo)致采集到的圖像出現(xiàn)很明顯的散射光斑，取處理前后圖像中相同位置處的信號和噪聲的數(shù)值。圖4(b)中的B-Point 1和圖4(c)中的B-Point 2為處理前后相同位置處的噪聲值，圖4(b)中的I-Point 1和圖4(c)中的I-Point 2為處理前后相同位置處的信號值，采用圖像信噪比公式10lg(s/n)求解圖像的信噪比。原始圖像的偽彩顯示圖如圖4(b)所示，圖像的左側(cè)有明顯的散射光斑，經(jīng)計(jì)算，原始圖像的信噪比僅為0.5 dB。經(jīng)過直接減除后向散射信息處理得到的圖像如圖4(c)所示，圖中的散射光斑被明顯消除，圖像信噪比提高到了9.59 dB。由此可見，在短相干照明下采用直接分離后向散射噪聲的方式可以有效去除后向散射噪聲，且處理過程簡單便捷。同時(shí)，圖像中的后向噪聲能夠直接被減除，左側(cè)圖像質(zhì)量改善明顯，間接地證明了前向散射對水下目標(biāo)識別的影響不大。

3 短相干照明下的偏振成像

3.1 偏振成像

上述實(shí)驗(yàn)是在短相干照明下后向散射噪聲和目標(biāo)圖像呈現(xiàn)簡單疊加特性的原理上進(jìn)行的。如果水體環(huán)境繼續(xù)惡化，后向散射噪聲過強(qiáng)，圖像將提早飽和，有效信息無法獲取，上述方法失效。以采樣深度為10 bit的采集相機(jī)為例，信噪比為-30.1 dB，圖像飽和時(shí)，其采集到的有效信息數(shù)值不到1，這時(shí)無法完全獲取有效信息。

成像目標(biāo)與散射粒子具有不同的解偏振度，目標(biāo)光束和后向散射光的偏振態(tài)不一致[15-16]。劉文清、曹念文、張玉鈞等進(jìn)行了大量的水下光學(xué)成像實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，成像光束通過正交起偏器和檢偏器(兩個(gè)正交線偏振片)時(shí)，大部分的后向散射光能夠被有效地抑制[17]。在采用線偏振光進(jìn)行水下照明時(shí)，在成像端加載垂直正交的線偏振檢偏器，能夠得到最優(yōu)的圖像清晰度[18-19]。基于此項(xiàng)結(jié)論，本文采用線偏振的正交起偏器和檢偏器，進(jìn)行了偏振成像實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。對比圖5(b)和5(c)兩幅圖像可以看出，安裝正交線偏振片后圖像中大部分散射光被濾除，但是仍有部分后向散射光進(jìn)入相機(jī)。此時(shí)，沿照明、成像傳播路徑，相對于光學(xué)成像系統(tǒng)，不同作用距離下后向散射光的解偏振度并不固定。為此，范之國等采用全局估計(jì)參數(shù)來研究偏振成像[12]。目前，偏振成像技術(shù)只能減弱后向散射，一部分后向散射仍然無法去除。然而，偏振成像和直接分離后向散射噪聲相結(jié)合的處理方式能夠進(jìn)一步地提高信噪比。

基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文采用正交線偏振起偏器和檢偏器方案來抑制過強(qiáng)的噪聲，使有效信息具有足夠的采樣深度，而圖像不會(huì)提早飽和，提升成像設(shè)備的抗圖像提前飽和能力。采用上述實(shí)驗(yàn)裝置，在激光器前設(shè)置一片線偏振起偏器(如果激光器為線偏振激光器，該起偏器可省略)，在成像系統(tǒng)物方設(shè)置一片垂直正交放置的線偏振檢偏器，采集水下22 m處的目標(biāo)圖像。

(a)空氣中原始目標(biāo)圖像(a)Original target image in air

(b)無偏振片時(shí)的圖像(b)Image captured without polarizer

(c)安裝正交線偏振片后的圖像(c)Image after installation of orthogonal linear polarizer圖5 有/無偏振片采集到的圖像對比Fig.5 Comparison of images captured with or without polarizers

在22 m的水下通道中，不設(shè)置任何的目標(biāo)圖像，分別采集原始狀態(tài)和偏振狀態(tài)下的水下散射背景圖像進(jìn)行對比，所得到的圖像如圖6所示，其中圖6(a)為加裝正交線偏振檢偏器前的后向散射圖像，圖6(b)為加裝正交線偏振檢偏器后的后向散射圖像，圖6(c)為圖像在150行像素位置處的后向散射噪聲曲線對比圖。由圖6(c)可以看出，后向散射噪聲在加裝正交線偏振檢偏器后得到了明顯的抑制，后向散射的數(shù)值也由原來的1 032下降到了106，降低了9.74倍，結(jié)果表明，偏振能有效地抑制后向散射噪聲。這僅僅是在透過率較差的一組偏振片下所做的實(shí)驗(yàn)，如果偏振片的透過率較高，后向散射噪聲能得到更加明顯的抑制。

(a)加裝正交線偏振檢偏器前的后向散射圖像 (b)加裝正交線偏振檢偏器后的后向散射圖像 (c)Y=150時(shí)的后向散射噪聲曲線

3.2 偏振處理后的后向散射與目標(biāo)圖像分離

為進(jìn)一步驗(yàn)證短相干照明與偏振相結(jié)合的處理方式能否獲取遠(yuǎn)距離的水下目標(biāo)圖像，在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上在22 m處設(shè)置目標(biāo)板，對非偏振處理與偏振處理后的成像效果進(jìn)行采集分析。相較于圖像的灰度數(shù)值而言，圖像的對比度更能反映圖像質(zhì)量，本研究中更加關(guān)注對比度的最大值和最小值，為此，不同方法所產(chǎn)生的圖像，采用對比度最大值為標(biāo)準(zhǔn)，對圖像進(jìn)行均一化處理。圖7 為無偏振片時(shí)直接去除后向散射噪聲，與加裝正交線偏振檢偏器后去除后向散射噪聲的對比圖。由圖7(b)與圖7(d)對比可以看出，兩者的差距并不明顯，這是圖像均一化處理的結(jié)果，而圖7(a)與圖7(c)對比可以發(fā)現(xiàn)，加裝正交線偏振片后的后向散射明顯得到抑制，由此可知，偏振處理是防止圖像過早飽和的有效方式。

同時(shí)，對圖7(虛線位置圖像行Y=160像素處)進(jìn)行了數(shù)值化分析，以圖像行Y=160像素處的水下目標(biāo)處理前后圖像信噪比的變化曲線為例，采用對比度最大值為標(biāo)準(zhǔn)，對圖像進(jìn)行均一化處理，結(jié)果如圖8所示。原始圖像加裝正交線偏振片后，散射噪聲有明顯的下降，此時(shí)，后向散射與目標(biāo)圖像分離的最終處理使信噪比提升到了13.57 dB，偏振片的加入明顯提高了后向散射的抑制效果。

(a)無偏振片時(shí)的水下目標(biāo)圖像(a)Image of underwater target without polarizer

(b)無偏振片時(shí)去噪處理所得圖像(b)Image denoising without polarizer

(c)加裝正交線偏振片 后的目標(biāo)圖像(c)Target image with orthogonal linear polarizer

(d)加裝正交線偏振片后 去噪處理的目標(biāo)圖像(d)Target image denoising after adding orthogonal linear polarizer圖7 水下目標(biāo)加裝正交線偏振檢偏器前/后圖像實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

圖8 水下目標(biāo)處理前后圖像信號與噪聲的變化曲線Fig.8 Variation of signals and noises of underwater target with different processing methods

以采樣深度為10 bit的采集相機(jī)為例，未加偏振片的圖像信噪比為0.50 dB，圖像飽和時(shí)，有效信息值為541，此時(shí)的后向散射噪聲為483；添加偏振片后，圖像的信噪比增強(qiáng)至2.01 dB時(shí)，圖像的有效信息值增強(qiáng)到629，后向散射噪聲降低到395，由此可以得出，偏振與短相干相結(jié)合的處理方式使整體設(shè)備的抗圖像提前飽和能力提高了1.42倍，整體設(shè)備的抗圖像提前飽和能力得到了顯著提升。顯然，上述短相干照明與偏振相結(jié)合的處理方式能大幅度提升水下遠(yuǎn)距離成像的成像質(zhì)量，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的偏振成像(圖5(c))。然而，由于所采用的相機(jī)為非水下專用相機(jī)，采集相機(jī)置于空氣中，所采用折疊式水箱中的反射鏡尺寸較大，有明顯的像散現(xiàn)象，加之激光器光束照明均勻性較差的原因，圖像成像效果較差，但是這并不影響實(shí)驗(yàn)原理準(zhǔn)確性的驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

本文進(jìn)行了后向散射與目標(biāo)圖像分離研究，提出了短相干照明與偏振相結(jié)合的水下遠(yuǎn)距離成像方法。利用短相干光源照明下后向散射與成像目標(biāo)的光學(xué)特性差異進(jìn)行分離；采用偏振技術(shù)有效抑制后向散射，防止圖像提前飽和，保障有效信號采集。為此，搭建了水下光學(xué)成像實(shí)驗(yàn)平臺，并對22 m距離的水下目標(biāo)成像進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，短相干照明技術(shù)可以有效提升信噪比，圖像的信噪比由0.50 dB提高到13.57 dB。偏振技術(shù)可以有效抑制部分后向散射光，防止強(qiáng)烈的后向散射噪聲引起圖像過早飽和，設(shè)備的抗圖像提前飽和能力提高了1.42倍。該方法優(yōu)于傳統(tǒng)的偏振成像，可以為遠(yuǎn)距離大范圍的深海光學(xué)監(jiān)控提供了新的研究思路。

致 謝：本文全體作者感謝青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院測控16級2班全體成員對大型水下光學(xué)成像平臺搭建所做出的努力和貢獻(xiàn)，感謝青島市溢發(fā)惠友工業(yè)裝備有限公司對成像系統(tǒng)的機(jī)械加工所做出的支持。