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)

0 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像系统的观测效果,降低了水下目标识别的准确性。通过图像清晰化技术,可以在一定程度上改善水下图像质量,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。

图1 光在水下传播导致颜色失真示意图Fig.1 Color distortion caused by underwater light propagation

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

式中:I为接收处的光量;I0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。

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

式中:a为吸收系数;b为散射系数,是散射函数β(θ)在所有角度上的散射叠加,表示光线以角度θ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470～530 nm 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。

图2 光在海水中的衰减系数随波长变化曲线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。

图3 干净海水光谱吸收和散射特性Fig.3 Spectral absorption and scattering characteristics of clean seawater

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。

图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为瑞利散射(Rayleigh scattering)和米式散射(Mie scattering)。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NπR2,λ为光波长,对应的折射率为n,则散射系数[12]可表示为

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

式中: σs为散射截面[14];an和bn是关于γ/λ的贝塞尔函数,其中γ为颗粒半径。

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

式中:Itotal(x,y)为探测系统采集到的水下原始光强;IR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];IB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。

图5 水下成像示意图Fig.5 Underwater imaging

通过式(6)可进一步阐述水体传输后相机接收到的能量。

式中:ID(x,y)为直流分量,表示目标反射光I0经过水介质衰减之后被相机接收到的能量;IF(x,y)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

其中,

式中:G和B均为经验系数,通常情况下|G|＜|c|;F-1为傅里叶反变换;ω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

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。考虑将水下目标物与水下成像接收系统之间的水体划分为N个小水体 ΔV,对每个小水体用后向散射体积元函数在散射角度集内积分,得到全局背景光强值[18]。因而将背景光IB(x,y)定义为

式中:IB(Θ)approx为后向散射体积元函数;Θ为对一确定的水体体积元所有可能发出的散射角度集。

光在水中的前向散射能够增加光线传输距离,有利于提高水下照明条件,但同时会使目标成像的分辨率受到影响;而后向散射光来自水分子等杂质颗粒,并不包含目标信息,因此属于背景噪声,影响水下成像质量。

实验中,利用图像增强评价指标(enhancement measure evaluation,EME)[19]值来衡量图像清晰程度,其定义如下。

将一幅I(x,y)分割成k1k2块,其中子块ωk,l(i,j)的尺寸为l1×l2,对于给定的正交变换集 {Φ},定义EME 值为表达式如下:

2 辅助照明实验设计与分析

在海洋环境中,自然光到水下20 m 深度就已衰减不见,为了获取清晰的水下观测图像,必须使用辅助照明光源。基于以上需求,为削弱水下光散射对成像的不利影响,下面特设计出不同颜色光源辅助照明的成像实验。

2.1 实验方案设计与实验数据采集

实验系统示意图如图6 所示。在水池中布设包含有照明系统、成像系统、实验水池和目标物四部分的实验系统。距相机2 m 处分别布设1 块24 色标准色板和1 个网状金属保护罩。相机密封舱和水密光源放在水池升降平台上,且光轴相互平行,可下潜上浮。调节平台高度,使得目标物成像于相机视野中。

图6 辅助照明实验系统示意图Fig.6 Auxiliary illumination experiment system

实验过程中,相机数据通过水下连接器和水下线缆传输到上位机,水下光源通过另一路水密电缆供电。使用的照明光源为LED 光源,发光波长可以在4 档之间转换调节,从而呈现出红、绿、蓝、白色光束。使用氢氧化铝颗粒作为散射颗粒,通过逐步增加颗粒浓度来调节实验水质的浑浊程度。在不同的浑浊程度下,分别记录无光和4 种光束辅助照明时相机采集到的图像。

2.2 实验数据分析

选取清水、加入少量氢氧化铝颗粒物以及加入较多氢氧化铝颗粒物3 种水质条件下,白色光束下相机采集到的图像,如图7 所示。随着颗粒物的增加,水质浑浊程度增大,目标物的清晰度变低。

图7 3 种不同浑浊程度水体中的采集图像Fig.7 Images acquired in water bodies with three different levels of turbidity

在同一水质浓度下,利用不同颜色光源照明,采集到的图像如图8 所示。利用拍摄得到的数据对水体散射系数进行计算,不同颜色光源照明条件下散射系数测试结果如表1 所示,据此绘制EME 值随水体颗粒物浓度变化曲线如图9 所示。

表1 不同颜色光源照明条件下散射系数测试结果Table 1 Test results of scattering coefficient under illumination sources with different colors

图8 不同颜色光源照明下的采集图像Fig.8 Images acquired by illumination sources with different colors

图9 EME 值随水体颗粒物浓度变化曲线Fig.9 EME values with concentration of particulate matter in water

从图9 可知,氢氧化铝浓度越高,EME 值越低,表明图像清晰程度越低;在同一光照条件下,氢氧化铝浓度越高,散射系数越大。因此在浑浊水体中,对散射光的抑制可以提高目标的成像清晰度。

图10 为散射系数随水体颗粒物浓度变化情况。由图10 可知,在不同颜色光源照明条件下,水体散射系数不同;在浓度较高的水体中,红光照明条件下的散射系数更大,即散射程度更高。

图10 散射系数随水体颗粒物浓度变化曲线Fig.10 Scattering coefficient with concentration of particulate matter in water

实验结果表明,在浑浊水体中,水体散射系数直接影响物体成像清晰度。在同样光照条件下,水体散射系数随着氢氧化铝颗粒物浓度增加而增大;其中无光照明的清晰度高于彩色光源及白光,随着水体浓度的增加,差距越来越大。

在不同光照条件下,水体散射系数不同: 在低浓度条件下,蓝光和绿光的散射系数高于红光;在中浓度条件下,红光散射系数高于绿光,低于蓝光;在高浓度条件下,红光散射系数逐渐高于蓝光。印证了光源光谱选择性输出方法的可行性和有效性,对水下成像系统研发具有指导作用。

3 结束语

在不同的时间和季节,不同深度处的海水会呈现出不同的光学特性,严重影响和制约水下成像距离和清晰度。文中从照明光源的光谱角度出发,分析光源到目标和摄像机的水下传输路径中的衰减特性因素。由成像实验结果表明,随着水体颗粒物浓度的增加,散射系数逐渐增大;不同波长的辅助光照明下,水体的散射系数存在差异。这一结论可为后期水下光学成像设备建设,制定科学有效的水下成像辅助照明方案,结合水质条件选择光源输出最佳透射波长,以达到降低水体对光的吸收和散射损耗的目的。同时在高浓度水体中,红光散射系数大,这一结论可应用于去散射方法中,从而削弱其对成像的不利影响,为提高成像质量、增加水下观测距离提供技术支撑。后续将结合光源、相机和目标物的相对位置关系,从多波长光源辅助照明和偏振成像体制角度进一步研究散射对水下成像的影响。