不同顏色照明下的水下成像差異研究

孫 杰,王紅萍,張 丹,余義德

(中國(guó)人民解放軍91550 部隊(duì),遼寧 大連,116023)

0 引言

水下光學(xué)成像探測(cè)是獲取水下目標(biāo)物狀態(tài)信息的重要手段,但是在海洋環(huán)境中,光波的傳輸特性并沒(méi)有空氣中那樣優(yōu)良。由于一些海域水體的自然光照度低、水色和能見(jiàn)度隨季節(jié)變化顯著,同時(shí)水體和懸浮顆粒[1-2]對(duì)光線有著極強(qiáng)的散射效應(yīng),會(huì)對(duì)成像器件光譜響應(yīng)范圍、照明光源顏色以及色溫成型的水下光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)造成較大影響,體現(xiàn)在水下圖像光照不均勻、對(duì)比度低、目標(biāo)模糊,以及細(xì)節(jié)不清晰等問(wèn)題,嚴(yán)重制約了水下光學(xué)成像系統(tǒng)的觀測(cè)效果,降低了水下目標(biāo)識(shí)別的準(zhǔn)確性。通過(guò)圖像清晰化技術(shù),可以在一定程度上改善水下圖像質(zhì)量,但是在幾十米深的水下,陽(yáng)光透過(guò)大氣進(jìn)入海水中的照度已經(jīng)非常不足,特別是在夜間觀測(cè)環(huán)境中,選擇合適的光源至關(guān)重要。通常水下輔助照明光源的研究圍繞布設(shè)角度、位置和輸出功率等[3-6]展開(kāi),對(duì)藍(lán)綠光波段以外的參考光源顏色和成像鮮有報(bào)道。文中從水介質(zhì)的光學(xué)特性出發(fā),設(shè)計(jì)水池實(shí)驗(yàn)進(jìn)行圖像采集,分析不同顏色輔助光源下光波的吸收和散射特性,為水下光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)的光源參數(shù)調(diào)節(jié)提供參考依據(jù),進(jìn)而提高現(xiàn)有海洋環(huán)境下水下光學(xué)觀測(cè)能力,為水下目標(biāo)狀態(tài)的深入分析研究提供更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

1 光在海水中的傳輸特性分析

光波的衰減程度與傳播媒介的特性有關(guān),在海水中傳播時(shí),水分子、有機(jī)物、無(wú)機(jī)鹽和浮游動(dòng)植物等懸浮粒子成分會(huì)產(chǎn)生吸收和散射2 種物理作用,使得光在水下的衰減情況[7]如圖1 所示。

圖1 光在水下傳播導(dǎo)致顏色失真示意圖Fig.1 Color distortion caused by underwater light propagation

以單色平行光束在海水中傳播的能量衰減為例,符合Lambert-Beer 定律,表述為

式中:I為接收處的光量;I0為該單色平行光束的發(fā)射光量;L為光波在水體中傳播的路程長(zhǎng)度;c為水體的衰減系數(shù),表示對(duì)光通過(guò)單位長(zhǎng)度的路程時(shí)其能量衰減的數(shù)值取對(duì)數(shù)。

光在海水中的衰減過(guò)程可用與波長(zhǎng)和海水成分都有關(guān)的復(fù)雜函數(shù)表示,由于水體的吸收和粒子的散射是光能量在水中衰減的主要原因[8],因此式(1)中的衰減系數(shù)可進(jìn)一步表述為

式中:a為吸收系數(shù);b為散射系數(shù),是散射函數(shù)β(θ)在所有角度上的散射疊加,表示光線以角度θ偏離原傳播方向的參數(shù)。

海水對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有不同的衰減率[9],一般來(lái)說(shuō),海水在470～530 nm 波長(zhǎng)范圍的衰減最小。隨著波長(zhǎng)的變化,純凈海水的衰減系數(shù)變化如圖2 所示。

圖2 光在海水中的衰減系數(shù)隨波長(zhǎng)變化曲線Fig.2 Attenuation coefficient change of light in seawater with wavelength

1.1 光在水中的吸收特性分析

光在水中傳輸會(huì)損失能量,處于不同光譜區(qū)域的光波在水下的傳輸能力表現(xiàn)出明顯的差異性,損失的光能量各有不同,也就是說(shuō)水體對(duì)光譜中光的吸收性與光波波長(zhǎng)有關(guān)。

20 世紀(jì)80 年代,Smith 等[10]對(duì)自然水體中特定段的光譜范圍進(jìn)行了吸收系數(shù)和散射系數(shù)的測(cè)量,該研究建立在對(duì)溶解物質(zhì)的吸收忽略不計(jì)的基礎(chǔ)上,僅考慮分子和離子的散射等,從而由自然水體的衰減推算干凈海水的光譜吸收與散射隨光波波長(zhǎng)的變化特性,如圖3 所示。

圖3 干凈海水光譜吸收和散射特性Fig.3 Spectral absorption and scattering characteristics of clean seawater

由圖3 可知,光在水中的吸收和散射系數(shù)隨波長(zhǎng)的變化而變化,與散射作用相比,吸收作用占衰減的主要部分。

1.2 光在水中的散射特性分析

光束在傳輸?shù)倪^(guò)程中與介質(zhì)發(fā)生作用,使得部分光束改變?cè)瓉?lái)傳播方向的現(xiàn)象叫做散射。光在水中傳輸時(shí)會(huì)與水分子、懸浮粒子發(fā)生散射作用,產(chǎn)生散射光,在均勻介質(zhì)中傳輸時(shí),由于介質(zhì)折射率是常數(shù),使得基波和各次諧波的相位差保持不變,不會(huì)產(chǎn)生光的散射,而在非均勻介質(zhì)中,由于介質(zhì)折射率是不斷變化的,引起光波的相位差發(fā)生變化,基波和各次諧波之間發(fā)生非相干疊加,產(chǎn)生光的散射。散射光與入射光傳播方向的夾角稱為散射角,根據(jù)散射角度的不同分為前向散射(散射角小于90°)和后向散射(散射角大于90°),如圖4所示。

圖4 光的前向散射和后向散射Fig.4 Forward scattering and backscattering of light

入射光在水中發(fā)生散射時(shí),根據(jù)粒子的尺寸與光波波長(zhǎng)的大小關(guān)系,可以將光的散射理論分為瑞利散射(Rayleigh scattering)和米式散射(Mie scattering)。當(dāng)粒子的尺寸遠(yuǎn)小于入射光的波長(zhǎng)時(shí),例如清潔海水中,主要采用瑞利散射理論來(lái)解釋[11]。用N來(lái)表示單位體積內(nèi)的粒子數(shù),其相應(yīng)等效截面積為NπR2,λ為光波長(zhǎng),對(duì)應(yīng)的折射率為n,則散射系數(shù)[12]可表示為

式中,B為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。當(dāng)粒子的尺寸與入射光的波長(zhǎng)相近或者遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)時(shí),例如實(shí)際的沿岸渾濁水域,主要采用米式散射來(lái)解釋[13],可表示為

式中: σs為散射截面[14];an和bn是關(guān)于γ/λ的貝塞爾函數(shù),其中γ為顆粒半徑。

1.3 水下成像模型

在水介質(zhì)中,成像系統(tǒng)獲得的圖像主要由兩部分組成[15]: 一是經(jīng)由水體粒子吸收和散射作用而衰減過(guò)的目標(biāo)反射光;二是由于水體粒子散射形成的背景光,其表達(dá)式為

式中:Itotal(x,y)為探測(cè)系統(tǒng)采集到的水下原始光強(qiáng);IR為物體表面反射的光經(jīng)過(guò)水體吸收和前向散射作用后到達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的光強(qiáng)[16];IB為由水下粒子后向散射產(chǎn)生的水下背景光強(qiáng)。水下成像示意圖如圖5 所示。

圖5 水下成像示意圖Fig.5 Underwater imaging

通過(guò)式(6)可進(jìn)一步闡述水體傳輸后相機(jī)接收到的能量。

式中:ID(x,y)為直流分量,表示目標(biāo)反射光I0經(jīng)過(guò)水介質(zhì)衰減之后被相機(jī)接收到的能量;IF(x,y)為前向散射分量,表示光沿小角度散射后被相機(jī)接收到的部分。用g表示點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)[17],結(jié)合式(5),則前向散射分量為

其中,

式中:G和B均為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),通常情況下|G|＜|c|;F-1為傅里葉反變換;ω為空間角頻率。相機(jī)接收到的包含有目標(biāo)有效信息的部分為

由于水下目標(biāo)物周邊環(huán)境光與水中的粒子發(fā)生了多次散射,其后向散射光形成了背景光。后向散射產(chǎn)生的光是在一個(gè)分布很廣的角度下進(jìn)入水下成像系統(tǒng)的?？紤]將水下目標(biāo)物與水下成像接收系統(tǒng)之間的水體劃分為N個(gè)小水體 ΔV,對(duì)每個(gè)小水體用后向散射體積元函數(shù)在散射角度集內(nèi)積分,得到全局背景光強(qiáng)值[18]。因而將背景光IB(x,y)定義為

式中:IB(Θ)approx為后向散射體積元函數(shù);Θ為對(duì)一確定的水體體積元所有可能發(fā)出的散射角度集。

光在水中的前向散射能夠增加光線傳輸距離,有利于提高水下照明條件,但同時(shí)會(huì)使目標(biāo)成像的分辨率受到影響;而后向散射光來(lái)自水分子等雜質(zhì)顆粒,并不包含目標(biāo)信息,因此屬于背景噪聲,影響水下成像質(zhì)量。

實(shí)驗(yàn)中,利用圖像增強(qiáng)評(píng)價(jià)指標(biāo)(enhancement measure evaluation,EME)[19]值來(lái)衡量圖像清晰程度,其定義如下。

將一幅I(x,y)分割成k1k2塊,其中子塊ωk,l(i,j)的尺寸為l1×l2,對(duì)于給定的正交變換集 {Φ},定義EME 值為表達(dá)式如下:

2 輔助照明實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

在海洋環(huán)境中,自然光到水下20 m 深度就已衰減不見(jiàn),為了獲取清晰的水下觀測(cè)圖像,必須使用輔助照明光源?；谝陨闲枨?為削弱水下光散射對(duì)成像的不利影響,下面特設(shè)計(jì)出不同顏色光源輔助照明的成像實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖6 所示。在水池中布設(shè)包含有照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)水池和目標(biāo)物四部分的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。距相機(jī)2 m 處分別布設(shè)1 塊24 色標(biāo)準(zhǔn)色板和1 個(gè)網(wǎng)狀金屬保護(hù)罩。相機(jī)密封艙和水密光源放在水池升降平臺(tái)上,且光軸相互平行,可下潛上浮。調(diào)節(jié)平臺(tái)高度,使得目標(biāo)物成像于相機(jī)視野中。

圖6 輔助照明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.6 Auxiliary illumination experiment system

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,相機(jī)數(shù)據(jù)通過(guò)水下連接器和水下線纜傳輸?shù)缴衔粰C(jī),水下光源通過(guò)另一路水密電纜供電。使用的照明光源為L(zhǎng)ED 光源,發(fā)光波長(zhǎng)可以在4 檔之間轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié),從而呈現(xiàn)出紅、綠、藍(lán)、白色光束。使用氫氧化鋁顆粒作為散射顆粒,通過(guò)逐步增加顆粒濃度來(lái)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)水質(zhì)的渾濁程度。在不同的渾濁程度下,分別記錄無(wú)光和4 種光束輔助照明時(shí)相機(jī)采集到的圖像。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

選取清水、加入少量氫氧化鋁顆粒物以及加入較多氫氧化鋁顆粒物3 種水質(zhì)條件下,白色光束下相機(jī)采集到的圖像,如圖7 所示。隨著顆粒物的增加,水質(zhì)渾濁程度增大,目標(biāo)物的清晰度變低。

圖7 3 種不同渾濁程度水體中的采集圖像Fig.7 Images acquired in water bodies with three different levels of turbidity

在同一水質(zhì)濃度下,利用不同顏色光源照明,采集到的圖像如圖8 所示。利用拍攝得到的數(shù)據(jù)對(duì)水體散射系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,不同顏色光源照明條件下散射系數(shù)測(cè)試結(jié)果如表1 所示,據(jù)此繪制EME 值隨水體顆粒物濃度變化曲線如圖9 所示。

表1 不同顏色光源照明條件下散射系數(shù)測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of scattering coefficient under illumination sources with different colors

圖8 不同顏色光源照明下的采集圖像Fig.8 Images acquired by illumination sources with different colors

圖9 EME 值隨水體顆粒物濃度變化曲線Fig.9 EME values with concentration of particulate matter in water

從圖9 可知,氫氧化鋁濃度越高,EME 值越低,表明圖像清晰程度越低;在同一光照條件下,氫氧化鋁濃度越高,散射系數(shù)越大。因此在渾濁水體中,對(duì)散射光的抑制可以提高目標(biāo)的成像清晰度。

圖10 為散射系數(shù)隨水體顆粒物濃度變化情況。由圖10 可知,在不同顏色光源照明條件下,水體散射系數(shù)不同;在濃度較高的水體中,紅光照明條件下的散射系數(shù)更大,即散射程度更高。

圖10 散射系數(shù)隨水體顆粒物濃度變化曲線Fig.10 Scattering coefficient with concentration of particulate matter in water

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在渾濁水體中,水體散射系數(shù)直接影響物體成像清晰度。在同樣光照條件下,水體散射系數(shù)隨著氫氧化鋁顆粒物濃度增加而增大;其中無(wú)光照明的清晰度高于彩色光源及白光,隨著水體濃度的增加,差距越來(lái)越大。

在不同光照條件下,水體散射系數(shù)不同: 在低濃度條件下,藍(lán)光和綠光的散射系數(shù)高于紅光;在中濃度條件下,紅光散射系數(shù)高于綠光,低于藍(lán)光;在高濃度條件下,紅光散射系數(shù)逐漸高于藍(lán)光。印證了光源光譜選擇性輸出方法的可行性和有效性,對(duì)水下成像系統(tǒng)研發(fā)具有指導(dǎo)作用。

3 結(jié)束語(yǔ)

在不同的時(shí)間和季節(jié),不同深度處的海水會(huì)呈現(xiàn)出不同的光學(xué)特性,嚴(yán)重影響和制約水下成像距離和清晰度。文中從照明光源的光譜角度出發(fā),分析光源到目標(biāo)和攝像機(jī)的水下傳輸路徑中的衰減特性因素。由成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著水體顆粒物濃度的增加,散射系數(shù)逐漸增大;不同波長(zhǎng)的輔助光照明下,水體的散射系數(shù)存在差異。這一結(jié)論可為后期水下光學(xué)成像設(shè)備建設(shè),制定科學(xué)有效的水下成像輔助照明方案,結(jié)合水質(zhì)條件選擇光源輸出最佳透射波長(zhǎng),以達(dá)到降低水體對(duì)光的吸收和散射損耗的目的。同時(shí)在高濃度水體中,紅光散射系數(shù)大,這一結(jié)論可應(yīng)用于去散射方法中,從而削弱其對(duì)成像的不利影響,為提高成像質(zhì)量、增加水下觀測(cè)距離提供技術(shù)支撐。后續(xù)將結(jié)合光源、相機(jī)和目標(biāo)物的相對(duì)位置關(guān)系,從多波長(zhǎng)光源輔助照明和偏振成像體制角度進(jìn)一步研究散射對(duì)水下成像的影響。