CN111263044A - 一种水下拍摄及图像处理装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水下拍摄及图像处理装置及方法，包括镜头、与镜头相连的CMOS传感器模块、图像处理系统、防水罩以及与镜头连接的电源；所述图像处理系统包括图像压缩处理模块、主控模块和图像传输模块，所述图像处理模块在主控模块的控制下将镜头采集的图像或视频进行压缩和预处理，通过图像传输模块将图像传输至上位机。本发明具有防水功能，可以直接进行水下图像的获取，能对拍摄到的水下图像进行实时处理，将具有较多细节信息的清晰图像传输到电脑端，提高目标探测的准确性和实时性。

Description

一种水下拍摄及图像处理装置及方法
技术领域
本发明涉及一种水下拍摄及图像处理装置及方法。
背景技术
作为占地球面积百分之七十一的海洋，汉语分丰富的自然资源，包括矿产、石油和天然气等。因此，对海洋的合理开发和利用是非常重要的，也促进了水下信息获取、传输和处理等技术手段的进步。水下探测的技术一般分为声探测和光电探测两类，本发明采用光电探测方法，即使用视觉采集设备对水下目标进行拍摄，通过对图像或者视频信息进行处理，实现目标识别与探测。本发明能够对近距离、高精度的场景获取较为清晰的图像，可使用的图像信息更加丰富，细节信息更加精细。
在对水下目标进行拍摄时，由于海水中富有生物，泥沙等各种悬浮颗粒的影响，导致水下成像的散射现象尤为严重，透射光线发生严重的光强度衰减，从而导致水下成像过程中图像降质，降低图像的对比度，同时难以提取水下目标的特征信息。同时，背景环境光在水体颗粒对成像的后向散射都会使得目标物辐射减弱，成像模糊，对比度低等。这些因素严重影响水下目标的识别、探测，对水下环境侦察、水下救援、沉船打捞等增加了实施难度。因此，研究水下图像复原技术，获取清晰的水下场景信息对国家的国民经济、科技乃至军事发展都具有一定的实际应用极值。
水下图像去雾是近年来的研究热点，它能够帮助我们在可见度低，浑浊的复杂水下环境中，快速有效的从图片信息中挑选出我们想要的细节信息，以有限的计算资源完成快速的水下探测。现如今的水下机器人或其他的探测装置，多是将采集到的图片传输到电脑端后再进行处理，实时性较差，对水下目标的探测过程较长，对人力，物力消耗极大。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种实时、快速、高效的水下拍摄及图像处理装置及方法，以解决上述问题。
技术方案：本发明的一种水下拍摄及图像处理装置，包括：镜头、与镜头相连的CMOS传感器模块、图像处理系统、防水罩以及与镜头连接的电源；所述图像处理系统包括图像压缩处理模块、主控模块和图像传输模块，所述图像处理模块在主控模块的控制下将镜头采集的图像或视频进行压缩和预处理，通过图像传输模块将图像传输至上位机；所述防水罩为封闭且透明的箱体，镜头、CMOS传感器模块设于防水罩内部，并通过固定板与箱体连接并固定。
所述预处理包括图像去雾和图像增强。
所述所述图像传输模块通过水密线缆与上位机连接。
所述主控模块与图像处理模块之间采用TCP/IP全双工通信模式进行数据传输。
所述防水罩内部顶端设有照明灯。
一种水下拍摄及图像处理方法，采用上述的水下拍摄及图像处理装置，包括以下步骤：
(1)将水下拍摄及图像处理装置放入水中，此时主控模块关闭；
(2)待装置下降到一定深度后，通过镜头拍摄图像或视频，将原始图像传输至上位机；
(3)启动主控模块，控制图像处理模块对采集的图像或视频进行预处理，压缩后传输至上位机；
(4)移动装置，拍摄图像或视频，再次进行预处理和传输步骤。
所述步骤(3)中的预处理包括以下步骤：
(31)建立水下成像的数学模型：
Itotal(x，y)＝D(x，y)+B(x，y)
Itotal(x，y)表示采集到的水下原始图像，D(x，y)为物体表面反射的光经过水体衰减和经过前向散射作用后到达探测系统的光强；B(x，y)为由水下粒子后向散射产生的水下背景光强；
D(x，y)和B(x，y)的表达式分别如下所示：
D(x，y)＝L(x，y)e-β(x，y)ρ(x，y)
L(x，y)为水下目标有效幅值信息，它既包含水下目标的直接辐射信息，又包含水下目标信息传输过程中与水中粒子撞击产生的前向散射；
水下传输率为：
t(x，y)＝e-β(x，y)ρ(x，y)
其中，β(x，y)表示水体对光的吸收和散射的总衰减系数；ρ(x，y)是光源与成像系统之间的相对距离；
B(x，y)＝B∞(1-t(x，y))
其中，B∞表示水下无穷远处的背景光强，是水体的固有参数，t(x，y)表示光在水下的传输率；利用式Itotal(x，y)的表达式可以求出成像系统的光强表达式为：
Itotal(x，y)＝L(x，y)t(x，y)+B∞(1-t(x，y))
联立以上公式，得到水下传输率的表达式：
Figure BDA0002387294390000031
进一步求得成像系统获得的图像的光强表达式：
Figure BDA0002387294390000032
(32)为求解水下传输率，估算无穷远处背景光；在暗原色先验的基础上，引出了亮原色原理的方法估计无穷远处的背景光强值，亮原色的表达式为：
Lbright＝maxc∈{r，g，b}(maxz∈Ω(x，y)(Lc(z)))
其中Lc表示输入图像的一个颜色通道，Ω(x，y)表示以(x，y)为中心的图像区域；亮通道图像时输入图像经过两次最大值计算得到的；此时，获取到的水下图像的模型可表示为：
Itotal(x，y)＝L(x，y)t(x，y)+B∞(1-t(x，y))＝B∞ρt(x，y)+B∞(1-t(x，y))
其中，ρ为物体表面反射率，在亮通道中为常数1，亮原色的表达式可表述为：
Lbright＝B∞
(33)水下成像过程中由于介质选择性的吸收颜色而导致水下图像偏蓝绿色，影响视觉效果，对每个像素位置均对红色通道的衰减进行补偿，达到白平衡的效果，其数学表示为：
Figure BDA0002387294390000041
其中，Ir，Ig表图像I的红色和绿色通道，每个通道在其通道动态范围上限归一化到[0，1]区间中；
Figure BDA0002387294390000042
和
Figure BDA0002387294390000043
表示Ir和Ig的平均值；α表示恒定参数。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
(1)本发明具有防水功能，可以直接进行水下图像的获取，能对拍摄到的水下图像进行实时处理，将具有较多细节信息的清晰图像传输到电脑端，提高目标探测的准确性和实时性。
(2)本发明采用适合水下图像的去雾方法对水下图像进行去雾，校正色偏，提高检测目标取边缘完整性，不但有效提高目标区域对比度，而且提供更多的关键信息，提高目标检测精度，在众多的目标干扰中准确而快速的检测到目标物。为水下复杂环境及其他自然场景下的目标检测提供了一条切实可行的策略，提高水下目标检测的准确性，为后续的一系列处理打下坚实的基础。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明的固定板结构示意图。
具体实施方
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示的水下拍摄及图像处理装置，包括镜头2、与镜头相连的CMOS传感器模块3、图像处理系统、防水罩5以及与镜头连接的电源。图像处理系统包括图像压缩处理模块3、主控模块7和图像传输模块。
防水罩5为封闭且透明的箱体，为亚克力玻璃材质，具有良好的防水性能，并且对光线的光强衰减作用较小，进而对成像的影响较小。镜头2、CMOS传感器模块3设于防水罩内部，与图像处理模块4共同集成在固定板1上，并通过固定板1与防水罩6连接并固定，如图2所示。由于水下环境复杂，大气中的光照不足以对水下进行照明，防水罩5内部顶端设置照明灯6来提高环境亮度。
图像处理模块4在主控模块7的控制下将镜头采集的图像或视频进行压缩和预处理，通过图像传输模块将图像传输至上位机，进行压缩处理主要是为了减少存储需要的空间和提升传输速度。预处理包括图像去雾和图像增强。主控制模块7与图像处理模块4之间由TCP/IP全双工通信模式进行数据传输。通过水密线缆对整个装置提供能源，以及装置与电脑端的数据传输。本发明装置可安装在水下机器人上进行自主控制探测水下环境或由悬挂在浮标上进行水下环境的定位探测。
一种水下拍摄及图像处理方法，采用上述的水下拍摄及图像处理装置，包括以下步骤：
(1)将水下拍摄及图像处理装置放入水中，此时主控模块关闭；
(2)待装置下降到一定深度后，通过镜头拍摄图像或视频，将原始图像传输至上位机；
(3)启动主控模块，控制图像处理模块对采集的图像或视频进行预处理，压缩后传输至上位机；
(31)建立水下成像的数学模型：
Itotal(x，y)＝D(x，y)+B(x，y)
Itotal(x，y)表示采集到的水下原始图像，D(x，y)为物体表面反射的光经过水体衰减和经过前向散射作用后到达探测系统的光强；B(x，y)为由水下粒子后向散射产生的水下背景光强；
D(x，y)和B(x，y)的表达式分别如下所示：
D(x，y)＝L(x，y)e-β(x，y)ρ(x，y)
L(x，y)为水下目标有效幅值信息，它既包含水下目标的直接辐射信息，又包含水下目标信息传输过程中与水中粒子撞击产生的前向散射；
水下传输率为：
t(x，y)＝e-β(x，y)ρ(x，y)
其中，β(x，y)表示水体对光的吸收和散射的总衰减系数；ρ(x，y)是光源与成像系统之间的相对距离；
B(x，y)＝B∞(1-t(x，y))
其中，B∞表示水下无穷远处的背景光强，是水体的固有参数，t(x，y)表示光在水下的传输率；利用式Itotal(x，y)的表达式可以求出成像系统的光强表达式为：
Itotal(x，y)＝L(x，y)t(x，y)+B∞(1-t(x，y))
联立以上公式，得到水下传输率的表达式：
Figure BDA0002387294390000061
进一步求得成像系统获得的图像的光强表达式：
Figure BDA0002387294390000062
(32)为求解水下传输率，估算无穷远处背景光。为了求得水下传输率，水下无穷远处的光强值的估计是十分重要的环节。现有的水下成像技术主要是人工手动选择水下图像中无目标区域的某一点强度值，作为整幅水下图像的无穷远处的背景光强值。这种估计方法本身存在较大的偶然性和误差性。在暗原色先验的基础上，引出了亮原色原理的方法估计无穷远处的背景光强值的方法，避免了人工选择的偶然性。亮原色的表达式为：
Lbright＝maxc∈{r，g，b}(maxz∈Ω(x，y)(Lc(z)))
其中Lc表示输入图像的一个颜色通道，Ω(x，y)表示以(x，y)为中心的图像区域；亮通道图像时输入图像经过两次最大值计算得到的；此时，获取到的水下图像的模型可表示为：
Itotal(x，y)＝L(x，y)t(x，y)+B∞(1-t(x，y))＝B∞ρt(x，y)+B∞(1-t(x，y))
其中，ρ为物体表面反射率，在亮通道中为常数1，亮原色的表达式可表述为：
Lbright＝B∞
使用亮通道估计无穷远处背景光强值与现在的技术相比计算方法简单许多，并且能自动选取无穷远处的光强值，使得每一个像素都有与之对应的无穷远处的背景光强值，避免了认为选取的偶然性和繁琐，使得随无穷远处的背景光强值的估计更加合理可靠。
(33)水下成像过程中由于介质选择性的吸收颜色而导致水下图像偏蓝绿色，影响视觉效果，对每个像素位置均对红色通道的衰减进行补偿，达到白平衡的效果，其数学表示为：
Figure BDA0002387294390000071
其中，Ir，Ig表图像I的红色和绿色通道，每个通道在其通道动态范围上限归一化到[0，1]区间中；
Figure BDA0002387294390000072
和
Figure BDA0002387294390000073
表示Ir和Ig的平均值；α表示恒定参数，经验表明α＝1时适合于各种照明条件和采集设置。经过白平衡处理后的图像消除了光源引起的色偏来增强图像外观。
(4)移动装置，拍摄图像或视频，再次进行预处理和传输步骤，以达到实时处理，实时更新图像或视频的目的。

Claims (8)

1.一种水下拍摄及图像处理装置，其特征在于，包括：镜头(2)、与镜头相连的CMOS传感器模块(3)、图像处理系统、防水罩(5)以及与镜头连接的电源；所述图像处理系统包括图像压缩处理模块(4)、主控模块(7)和图像传输模块，所述图像处理模块(4)在主控模块(7)的控制下将镜头采集的图像或视频进行压缩和预处理，通过图像传输模块将图像传输至上位机；所述防水罩(5)为封闭且透明的箱体，镜头(2)、CMOS传感器模块(3)设于防水罩(5)内部，并通过固定板(1)与防水罩(5)连接并固定。
2.根据权利要求1所述的水下拍摄及图像处理装置，其特征在于，所述预处理包括图像去雾和图像增强。
3.根据权利要求1所述的水下拍摄及图像处理装置，其特征在于，所述所述图像传输模块通过水密线缆与上位机连接。
4.根据权利要求1所述的水下拍摄及图像处理装置，其特征在于，所述主控模块(7)与图像处理模块(4)之间采用TCP/IP全双工通信模式进行数据传输。
5.根据权利要求1所述的水下拍摄及图像处理装置，其特征在于，所述防水罩(5)内部顶端设有照明灯(6)。
6.根据权利要求1所述的水下拍摄及图像处理装置，其特征在于，所述防水罩(5)为亚克力玻璃材质。
7.一种水下拍摄及图像处理方法，采用上述任一项权利要求所述的水下拍摄及图像处理装置，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将水下拍摄及图像处理装置放入水中，此时主控模块关闭；
(2)待装置下降到一定深度后，通过镜头拍摄图像或视频，将原始图像传输至上位机；
(3)启动主控模块，控制图像处理模块对采集的图像或视频进行预处理，压缩后传输至上位机；
(4)移动装置，拍摄图像或视频，再次进行预处理和传输步骤。
8.根据权利要求7所述的水下拍摄及图像处理方法，其特征在于，所述步骤(3)中的预处理包括以下步骤：
(31)建立水下成像的数学模型：
Itotal(x，y)＝D(x，y)+B(x，y)
Itotal(x，y)表示采集到的水下原始图像，D(x，y)为物体表面反射的光经过水体衰减和经过前向散射作用后到达探测系统的光强；B(x，y)为由水下粒子后向散射产生的水下背景光强；
D(x，y)和B(x，y)的表达式分别如下所示：
D(x，y)＝L(x，y)e-β(x，y)ρ(x，y)
L(x，y)为水下目标有效幅值信息，它既包含水下目标的直接辐射信息，又包含水下目标信息传输过程中与水中粒子撞击产生的前向散射；
水下传输率为：
t(x，y)＝e-β(x，y)ρ(x，y)
其中，β(x，y)表示水体对光的吸收和散射的总衰减系数；ρ(x，y)是光源与成像系统之间的相对距离；
B(x，y)＝B∞(1-t(x，y))
其中，B∞表示水下无穷远处的背景光强，是水体的固有参数，t(x，y)表示光在水下的传输率；利用式Itotal(x，y)的表达式可以求出成像系统的光强表达式为：
Itotal(x，y)＝L(x，y)t(x，y)+B∞(1-t(x，y))
联立以上公式，得到水下传输率的表达式：
Figure FDA0002387294380000021
进一步求得成像系统获得的图像的光强表达式：
Figure FDA0002387294380000022
(32)为求解水下传输率，估算无穷远处背景光；在暗原色先验的基础上，引出了亮原色原理的方法估计无穷远处的背景光强值，亮原色的表达式为：
Lbright＝maxc∈{r，g，b}(maxz∈Ω(x，y)(Lc(z)))
其中Lc表示输入图像的一个颜色通道，Ω(x，y)表示以(x，y)为中心的图像区域；亮通道图像时输入图像经过两次最大值计算得到的；此时，获取到的水下图像的模型可表示为：
Itotal(x，y)＝L(x，y)t(x，y)+B∞(1-t(x，y))＝B∞ρt(x，y)+B∞(1-t(x，y))
其中，ρ为物体表面反射率，在亮通道中为常数1，亮原色的表达式可表述为：
Lbright＝B∞
(33)对每个像素位置均对红色通道的衰减进行补偿，达到白平衡的效果，其数学表示为：
Figure FDA0002387294380000031
其中，Ir，Ig表图像I的红色和绿色通道，每个通道在其通道动态范围上限归一化到[0，1]区间中；
Figure FDA0002387294380000032
和
Figure FDA0002387294380000033
表示Ir和Ig的平均值；α表示恒定参数。
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