CN109269776B - 溶洞水环境下获取图像最大分辨率的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种溶洞水环境下获取图像最大分辨率的试验装置及方法，真彩相机和补光装置设置于可调节支架上，分辨率测试卡和透明水槽放置于固定架上，真彩相机、补光装置、透明水槽及分辨率测试卡位于同一竖向平面，补光装置的位置高于真彩相机，真彩相机镜头与分辨率测试卡的中心位置位于同一平面；透明水槽设置于真彩相机与分辨率测试卡之间，分辨率测试卡设置在透明水槽外侧，透明水槽内具有容纳不同溶解介质的容纳空间，浑浊度测试仪对被测溶液进行浑浊度测定；控制器接收所述浑浊度测试仪和分辨率测试卡的测试值，采用二次抛物线函数分别对不同补光强度数据进行拟合，确定补光强度对应的最大分辨率的变化规律。

Description

溶洞水环境下获取图像最大分辨率的试验装置及方法

技术领域

本公开涉及一种溶洞水环境下获取图像最大分辨率的试验装置及方法。

背景技术

水下成像是水下光学和海洋光学学科的重要研究方向，是人类认识海洋、开发利用海洋和保护海洋的重要手段和工具，具有探测目标直观、成像分辨率高、信息含量高等优点。如上所述，该技术已经被广泛应用于海水中目标侦察/探测/识别、水下考古、海底资源勘探、生物研究、水下工程安装/检修、水下环境监测、救生打捞等领域。

但在地下工程领域，随着隧洞、地铁等工程范围不断扩大，在岩溶区修建隧洞和地铁已不是大事，却存在许多棘手的难题。隧洞和地铁开挖隧道前方隐伏溶洞的处理就是一个待解决的问题。特别是在不明了溶洞真实大小以及充水溶洞是否含有补给通道等等的情况下，况且溶洞内部充填物不均，大小不一，这就需要对溶洞进行真实成像，以探明溶洞内部真实情况。而成熟的海洋成像技术却无法应用于地下工程领域，这是因为海水中的杂质比较少，即浑浊度较小，但是，遇到充填物种类复杂且不均匀的溶洞时，其成像技术无法适用，导致岩溶水环境下成像效果不尽人意，需要继续研究各种因素的影响程度以及改进措施，使其满足工程要求，达到真实成像的目的。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种溶洞水环境下获取图像最大分辨率的试验装置及方法，本公开通过在不同补光强度、不同浑浊度条件下，真彩成像效果以及它们之间的量化关系，得到复杂水环境下真彩成像的规律，更加适用于地下工程。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一种溶洞水环境下获取图像最大分辨率的试验装置，包括真彩相机、分辨率测试卡、透明水槽、补光装置、浑浊度测试仪和控制器，其中，所述真彩相机和补光装置设置于可调节支架上，所述分辨率测试卡和透明水槽放置于固定架上，所述真彩相机、补光装置、透明水槽及分辨率测试卡位于同一竖向平面，补光装置的位置高于真彩相机，真彩相机镜头与分辨率测试卡的中心位置位于同一平面；

所述透明水槽设置于真彩相机与分辨率测试卡之间，分辨率测试卡设置在透明水槽外侧，透明水槽内具有容纳不同溶解介质的容纳空间，所述浑浊度测试仪对被测溶液进行浑浊度测定；

所述控制器接收所述浑浊度测试仪和分辨率测试卡的测试值，采用二次抛物线函数分别对不同补光强度数据进行拟合，确定补光强度对应的最大分辨率的变化规律。

作为进一步限定，所述透明水槽为立方体玻璃水槽，与真彩相机的相对位置固定不变。

作为进一步限定，所述浑浊度测试仪对被测溶液进行浑浊度测定，对同一种介质统一采用不同的浑浊度来进行成像效果测试。

作为进一步限定，所述补光装置为补光灯，补光灯的强度可调。

作为进一步限定，所述真彩相机镜头与分辨率测试卡的中心位置在同一高度，且位置固定不变。这样有利于保证采取统一拍摄角度和拍摄环境。

作为进一步限定，所述分辨率测试卡为标准型，提供实际拍摄的垂直分辨率和水平分辨率的辅助测试，同时，分辩率的计算使用HYRes软件，分开垂直分辨率和水平分辨率两部分进行。

基于上述装置的工作方法，包括以下步骤：

将补光装置与真彩相机按设定位置固定好，并调整补光装置的高度，使其略高于真彩相机的镜头；

固定玻璃水槽位置，向水槽内加入清水，并将分辨率测试卡贴紧水槽固定；

浑浊度测试仪对水槽内清水进行浑浊度校准工作，调整其浑浊度为0，以此作为基准，确定后续试验所用试样的浑浊度；

打开补光装置，将依次设置不同的光强，在每个光强下分别用相机拍摄一张照片，并做好试验记录；

向透明水槽内加入定量的待测物质，测试溶液浑浊度大小，同时记录不同待测物质量、不同光强下的照片；

将所得照片用HYRes软件处理，判断照片的分辨率数值，以此分析影响成像效果的因素并总结规律。

作为进一步的限定，在补光装置工作前，将室内所有灯光熄灭。以真实模拟地下环境。

基于上述装置的分析方法，根据测得的数据，绘制摄取图像的最大分辨率随水质浑浊度的变化曲线，得到摄取图像最大分辨率随浑浊度增大呈非线性减小趋势；

采用二次抛物线函数，分别对不同补光强度下的数据拟合，随着浑浊度增大，补光强度对应的最大分辨率离散型增大，确定不同补光强度下最大分辨率随浑浊度减小的速率情况。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

通过开展复杂水环境下真彩成像效果试验，研究不同补光强度、不同浑浊度条件下，真彩成像效果以及它们之间的量化关系，得到复杂水环境下真彩成像的规律，使其更好地为工程应用服务。

在地下环境中，溶洞内部环境远比海洋环境复杂得多。海水中的杂质较少，光线衰减损失的不多，成像效果显著，但是将其应用于地下水环境中，却存在一定困难。例如，地下溶洞中充填物种类多，对光线的影响大，造成了成像效果不佳。本公开针对此问题，提出利用不同的补光条件来探究浑浊度差异时成像效果的规律，以期在同等浑浊度条件下，实现图像分辨率的最大化，尽可能还原真实的水下环境。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本实施例的岩溶区复杂水环境下真彩成像效果试验装置；

其中，1.真彩相机，2.补光装置，3.补光灯，4.玻璃水槽，5.分辨率测试卡，6.浑浊度测试仪，7.浑浊度试液取样器皿，8.支架。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

如图1所示，溶洞水环境下获取图像最大分辨率的试验装置，包括真彩相机、补光装置、玻璃水槽、分辨率测试卡、浑浊度测试仪、浑浊度试液取样器皿；所述真彩相机、补光装置、玻璃水槽及分辨率测试卡位置呈直线排列；补光装置支架位于真彩相机后面，调节支架使补光装置高度略大于真彩相机；真彩相机镜头与分辨率测试卡的中心位置在同一高度，且位置固定不变，保证采取统一拍摄角度和拍摄环境；玻璃水槽位于真彩相机与分辨率测试卡之间；分辨率测试卡紧贴在水槽外侧，完全固定好分辨率测试卡；

补光装置上安装有补光灯，补光灯的强度可调且以数字为表征，便于试验过程中控制变量，为了突出试验效果，在本次试验中将光强分为三个等级，依次为：533lux、1825lux和2736lux；

分辨率测试卡为标准型，可以提供实际拍摄的垂直分辨率和水平分辨率等辅助测试，同时，分辩率的计算又使用了HYRes软件，分开垂直分辨率和水平分辨率两部分进行；

玻璃水槽为一个透明的立方体玻璃器皿，内部用来装下溶解不同介质的液体，玻璃水槽与真彩相机的相对位置也是固定不变的；

浑浊度测试仪对被测溶液进行浑浊度测定，即在同一体积溶液中，加入介质的量不同，浑浊度是有差别的，试验过程中，对同一种介质统一采用3-4种浑浊度来进行成像效果测试；

对试验获得的数据，采用二次抛物线函数分别对三种补光强度数据拟合。通过拟合结果，分析随着浑浊度增大，三种补光强度对应的最大分辨率的变化规律，也可通过分析拟合公式中二次项系数进行验证。

对其使用方法进行说明，使用方法进行说明，现举例如下：

A.将补光装置与真彩相机按相对位置固定好，并调整补光灯支架高度，使其略高于相机镜头，保证补光效果；

B.固定玻璃水槽位置，向水槽内加入清水，并将分辨率测试卡贴紧水槽固定；

C.使用浑浊度测试仪对水槽内清水进行浑浊度校准工作，调整其浑浊度为0，以此作为基准，确定后续试验所用试样的浑浊度；

D.地下水环境光照强度基本为0，为真实模拟地下环境，需将灯光熄灭，同时打开补光装置，将光强依次设置为533lux、1825lux、2736lux，分别用相机拍摄一张照片，并做好试验记录；

E.首先，向水槽内加入定量的caco₃碎屑，使用浑浊度试液取样器皿取样，测试溶液浑浊度大小，同时将光强设置为533lux，使用真彩相机拍摄照片，并依次将光强设置为1825lux、2736lux，分别拍摄照片记录；

F.继续向水槽内加入定量的caco₃碎屑，使用浑浊度试液取样器皿取样，测试溶液浑浊度大小，同时将光强设置为533lux，使用真彩相机拍摄照片，并依次将光强设置为1825lux、2736lux，分别拍摄照片记录；

G.再次向水槽内加入定量的caco₃碎屑，按照上述步骤重复试验并做好记录；

H.将玻璃水槽中的caco₃溶液重新换为清水，校准浑浊度，此对照组不用拍摄照片，向水槽中加入定量的粉质粘土颗粒，测定初始的浑浊度，设置三组光强条件，拍照并记录，另外，补充两组不同浑浊度的试验，重复上述步骤；

I.以此类推，每种介质设置三组对照试验，每组试验设置三种光照条件；

J.将试验所得照片用HYRes软件处理，判断照片的分辨率数值，以此分析影响成像效果的因素并总结规律。

现对数据分析方法举例如下：当溶解介质为CaCo3时，通过测得数据绘制摄取图像最大分辨率随水质浑浊度的变化曲线，分析曲线可得，摄取图像最大分辨率随浑浊度增大呈非线性减小趋势。在浑浊度较小时(小于10NTU)，无论补光强度为533lux、1825lux或2736lux时，摄取图像最大分辨率基本一致，说明浑浊度较小时，成像效果与补光强度关系不大，但当浑浊度较大时(大于10NTU)，补光强度对摄取图像最大分辨率有较大影响。

数据分析采用二次抛物线函数，分别对三种补光强度数据拟合。拟合结果显示，随着浑浊度增大，三种补光强度对应的最大分辨率离散型增大，通过分析拟合公式中二次项系数同样可验证，其中，补光强度为2736lux时，最大分辨率随浑浊度减小的速率最大；1835lux时，最大分辨率随浑浊度的减小的速率最小，即相同浑浊度下，此种补光强度的摄取图像质量最高。试验结果说明，并非补光强度越大，对应的图像摄取质量及分辨率越高，由于浑浊度较大时，对应溶解介质颗粒含量越大，对光发生较多的散射作用，图像产生的噪点越多，因此，成像效果不佳。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种溶洞水环境下获取图像最大分辨率的试验装置，其特征是：包括真彩相机、分辨率测试卡、透明水槽、补光装置、浑浊度测试仪和控制器，其中，所述真彩相机和补光装置设置于可调节支架上，所述分辨率测试卡和透明水槽放置于固定架上，所述真彩相机、补光装置、透明水槽及分辨率测试卡位于同一竖向平面，补光装置的位置高于真彩相机，真彩相机镜头与分辨率测试卡的中心位置位于同一平面；

所述透明水槽设置于真彩相机与分辨率测试卡之间，分辨率测试卡设置在透明水槽外侧，透明水槽内具有容纳不同溶解介质的容纳空间，所述浑浊度测试仪对被测溶液进行浑浊度测定；

所述控制器接收所述浑浊度测试仪和分辨率测试卡的测试值，采用二次抛物线函数分别对不同补光强度数据进行拟合，确定补光强度对应的最大分辨率的变化规律。

2.如权利要求1所述的一种溶洞水环境下获取图像最大分辨率的试验装置，其特征是：所述透明水槽为立方体玻璃水槽，与真彩相机的相对位置固定不变。

3.如权利要求1所述的一种溶洞水环境下获取图像最大分辨率的试验装置，其特征是：所述浑浊度测试仪对被测溶液进行浑浊度测定，对同一种介质统一采用不同的浑浊度来进行成像效果测试。

4.如权利要求1所述的一种溶洞水环境下获取图像最大分辨率的试验装置，其特征是：所述补光装置为补光灯，且补光灯的强度可调。

5.如权利要求1所述的一种溶洞水环境下获取图像最大分辨率的试验装置，其特征是：所述真彩相机镜头与分辨率测试卡的中心位置在同一高度，且位置固定不变。

6.如权利要求1所述的一种溶洞水环境下获取图像最大分辨率的试验装置，其特征是：所述分辨率测试卡为标准型，提供实际拍摄的垂直分辨率和水平分辨率的辅助测试，同时，分辩率的计算使用HYRes软件，分开垂直分辨率和水平分辨率两部分进行。

7.基于如权利要求1-6中任一项所述的装置的工作方法，其特征是：包括以下步骤：

将补光装置与真彩相机按设定位置固定好，并调整补光装置的高度，使其略高于真彩相机的镜头；

固定玻璃水槽位置，向水槽内加入清水，并将分辨率测试卡贴紧水槽固定；

浑浊度测试仪对水槽内清水进行浑浊度校准工作，调整其浑浊度为0，以此作为基准，确定后续试验所用试样的浑浊度；

打开补光装置，将依次设置不同的光强，在每个光强下分别用相机拍摄一张照片，并做好试验记录；

向透明水槽内加入定量的待测物质，测试溶液浑浊度大小，同时记录不同待测物质量、不同光强下的照片；

将所得照片用HYRes软件处理，判断照片的分辨率数值，以此分析影响成像效果的因素并总结规律。

8.如权利要求7所述的工作方法，其特征是：在补光装置工作前，将室内所有灯光熄灭。

9.基于如权利要求1-6中任一项所述的装置的分析方法，其特征是：根据测得的数据，绘制摄取图像的最大分辨率随水质浑浊度的变化曲线，得到摄取图像最大分辨率随浑浊度增大呈非线性减小趋势；

采用二次抛物线函数，分别对不同补光强度下的数据拟合，随着浑浊度增大，补光强度对应的最大分辨率离散型增大，确定不同补光强度下最大分辨率随浑浊度减小的速率情况。