水下成像與圖像增強(qiáng)及相關(guān)應(yīng)用研究.pdf

1、近年來，隨著國際形勢的不斷發(fā)展，海洋逐漸成為世界各國新的戰(zhàn)略重心。海洋相關(guān)領(lǐng)域的研究對于海洋資源探測與開發(fā)、海洋環(huán)境監(jiān)測和海洋軍事應(yīng)用等都具有重要的意義。在此背景下，本文開展了對水下成像、水下圖像增強(qiáng)、海洋生物發(fā)光、艦船光尾流和水下目標(biāo)檢測與識別等方面的研究。
　　由于光在水中傳輸時的衰減和散射效應(yīng)，水下成像系統(tǒng)通常很難達(dá)到令人滿意的成像效果，而成像過程中由于光散射產(chǎn)生的背景光則是造成水下圖像退化的主要原因。本文通過對水下成像中光

2、散射和光衰減的分析，對自然光照和人工光照兩種不同光照條件下的水下成像進(jìn)行了建模和仿真分析。結(jié)果顯示，自然光照下的無窮遠(yuǎn)處背景光與衰減系數(shù)成反比，與散射系數(shù)成正比;人工光照下的無窮遠(yuǎn)處背景光則與衰減系數(shù)、散射系數(shù)和相機(jī)-光源距離有關(guān)。兩種光照條件下的背景光都可以用為無窮遠(yuǎn)處背景光的指數(shù)衰減表達(dá)式來表示。背景光的強(qiáng)度主要與水體光學(xué)參數(shù)、相機(jī)-景物的距離、相機(jī)-光源的距離及相機(jī)成像角等因素有關(guān)。背景光的研究結(jié)論不僅可用于水下成像系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)

3、化，也可用于從水下圖像背景顏色中估計水體光學(xué)參數(shù)、相機(jī)-景物距離等信息。對水下圖像的仿真結(jié)果顯示，直接衰減、前向散射和后向散射對水下圖像的退化程度都與水體光學(xué)參數(shù)和景物距相機(jī)的距離密切相關(guān)。
　　針對光在水下傳輸時的衰減與其波長相關(guān)這一特性，本文提出了一種基于不同光波長衰減的水下圖像增強(qiáng)算法。該算法使用RGB顏色通道的不同傳輸圖分別對不同波長光的衰減進(jìn)行補(bǔ)償，三個顏色通道的傳輸圖可基于暗原色先驗(yàn)原理和無窮遠(yuǎn)處背景光與水體固有光學(xué)參

4、數(shù)的關(guān)系估計出來。最終，對水下成像模型進(jìn)行逆求解就可以獲得有效場景輻射，達(dá)到圖像增強(qiáng)的目的。該算法不需要預(yù)先知道成像時的水體光學(xué)參數(shù)、相機(jī)參數(shù)等信息，而是從水下退化圖像背景顏色中估計出水體光學(xué)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真對比結(jié)果表明，該算法可有效提高水下圖像的對比度并糾正失真的顏色。
　　基于對海洋發(fā)光生物的發(fā)光特性和潛艇螺旋槳應(yīng)力場CFD仿真分析，研究了艦船光尾流的形成機(jī)制與特點(diǎn)。將發(fā)光生物對水流剪切應(yīng)力的響應(yīng)與螺旋槳應(yīng)力場應(yīng)力分布結(jié)合