CN111505659B - 水下去水体噪声计算三维成像方法及成像系统 - Google Patents

Abstract

一种水下去水体噪声计算三维成像方法，采用脉冲激光器进行水下照明，采用选通图像传感器采集图像信息，通过控制激光脉冲和选通成像器件间的延时可获取参考水体噪声图、感兴趣信息帧图像，并通过关闭激光器获得系统的背景噪声图，进而计算获得水体深度噪声图，利用感兴趣信息帧图像与水体深度噪声图差分获得去噪声信息帧图像，最终利用距离能量相关算法实现去水体噪声三维重建。本发明通过获取水体深度噪声图，可对水下选通图像中的含目标和不含目标区域精确去噪，获得去噪的二维图像，并进一步计算获得去噪三维图像，具有适应性好、实用性强的特点。

Description

水下去水体噪声计算三维成像方法及成像系统

技术领域

本发明涉及水下光学成像技术领域，特别涉及一种水下去水体噪声计算三维成像方法及成像系统。

背景技术

当前，人类进入了大规模开发利用海洋的时期，掀起了围绕蓝色国土空间拓展、海床矿产资源勘探、海洋生物及渔业资源评估、海洋天然产物开发、涉海土木建筑工程等新一轮海洋竞争，关键是海洋认知能力的比拼。水下探测是认识海洋的关键技术，尤其是可直观显示目标形貌的成像技术。相比声呐成像，水下光学成像可获取直观、高分辨率的图像，利于海底管线、失事舰船飞机、水下文物、鱼类和浮游动物、渔网、水雷等探测及识别，具有不可替代性，现已成为水下无人潜航器的标配。

水下光学成像不同于大气环境下的光学成像，需要在强散射、低照度或无光环境下实现远距离、高质量的二维成像和三维成像。但是，受海水吸收和散射的影响，传统水下光学成像作用距离通常为1～3个衰减长度，且只能获得二维强度图像，难以获取三维图像。相比传统水下摄像机，水下距离选通成像的作用距离可提高2～3倍。由于距离选通成像可通过控制激光脉冲和选通脉冲间的延时对感兴趣距离下的空间进行切片成像，因此，存在“时间-空间”的映射关系，利用这种关系可实现三维成像。虽然距离选通成像可通过空间切片的方式抑制空间切片与系统间水体的后向散射等噪声影响，提高了作用距离和图像质量，但是，仍然存在以下问题：空间切片内水体的后向散射噪声仍然会出现在选通图像中，从而降低图像的信噪比和对比度，并会降低三维图像的距离分辨率。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种水下去水体噪声计算三维成像方法及成像系统，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种水下去水体噪声计算三维成像方法，包括如下步骤：

步骤1：控制激光脉冲和选通成像器件的延时，获取不含目标的参考水体的参考水体噪声图N_{参考水体噪声}；

步骤2：关闭照明脉冲激光器，保持选通成像器件的工作参数不变，获得系统的背景噪声图N_背景噪声；

步骤3：通过参考水体噪声图和背景噪声图差分获得差分参考水体噪声图N_{差分参考水体噪声}，进而利用标准参考水体噪声图的灰度-水体衰减系数曲线获取工作水域的水体衰减系数；

步骤4：控制激光脉冲和选通成像器件的延时，获取感兴趣区的信息帧A和信息帧B，即含目标的A帧图像I_A和B帧图像I_B；

步骤5：基于水体衰减系数，利用差分参考水体噪声图计算获得感兴趣区信息帧A和信息帧B对应的水体噪声图N_{A帧水体噪声}和N_{B帧水体噪}声；

步骤6：利用A帧图像和B帧图像基于距离能量相关三维重建算法计算获得含噪声的感兴趣区的距离图像D_含噪声；

步骤7：基于距离图像D_含噪声对A帧和B帧对应的水体噪声图N_{A帧水体噪声}和N_{B帧水体噪}声进行修正，计算获得含目标的A帧图像和B帧图像各自对应的深度噪声图N_{A帧水体深度噪声}和N_{B帧水体深度噪声}；

步骤8：A帧图像I_A和B帧图像I_B与各自对应的水体深度噪声图及背景噪声图分别差分，计算获得去噪声A帧图像I_去噪A和B帧图像I_去噪B；

步骤9：基于去噪声A帧图像I_去噪A和B帧图像I_去噪B，通过距离能量相关三维重建算法获得去噪声距离图像D_去噪声，进而基于摄像机模型实现三维重建；

步骤10：如需进一步增强去噪效果，采用迭代的方式，重复步骤7至步骤9，直至获得所需的去噪效果，其中步骤7中的距离图像D_含噪声更换为步骤9获得的D_去噪声。

作为本发明的另一方面，提供了一种采用如上所述的水下去水体噪声计算三维成像方法的成像系统，包括脉冲激光器和选通成像器件，其中，

所述脉冲激光器是水下的照明光源，按照给定的激光脉宽、峰值功率和重复频率工作；

所述选通成像器件为选通图像传感器，其具有选通功能，仅在给定延时下选通图像传感器按照给定的选通门宽开启工作，从而形成选通脉冲，该选通脉冲与激光脉冲一一对应，且相对于激光脉冲存在一定的延时，该延时包括信息帧A延时、信息帧B延时、参考水体延时，具体为：

信息帧A延时为

信息帧B延时为

参考水体延时为

上述公式中，R为感兴趣区的起始位置，R_景深为感兴趣区的景深，n为水的折射率，c为光在空气中的传播速度，其中参考水体的延时的典型值为

相应地，选通脉冲的选通门宽和激光脉冲的激光脉宽满足

基于上述技术方案可知，本发明的水下去水体噪声计算三维成像方法及成像系统相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：

1、利用本发明，由于可通过参考水体噪声图分析获取工作水域的水体衰减系数进而计算信息帧的水体噪声图，所以，本发明具有较好的环境适应性，可适应不同水体衰减系数下的工作水域成像。

2、利用本发明，由于可结合感兴趣区的距离图计算目标区的水体噪声，从而获得水体深度噪声图，实现精确水体噪声分析，所以，相比传统水体背景差分去噪，可实现二维图像的精确去噪，从而获得较好的水体去噪效果。

3、利用本发明，由于利用水体深度噪声图可对二维图像进行精细去噪，从而进一步利用去噪后的二维图像进行去噪三维重建，所以，本发明可实现三维图像去噪重建，获得去水体噪声的三维图像。

附图说明

图1是本发明实施例的水体噪声图与水体深度噪声图；

图2是本发明实施例的参考水体与信息帧；

图3是本发明实施例的水体深度噪声图获取方法；

图4是本发明实施例的去水体深度噪声图获取方法；

图5是本发明实施例的实验用金字塔立体目标靶；

图6是本发明实施例的去水体噪声计算三维成像实验结果。

上图中，附图标记含义如下：

1、脉冲激光器；2、选通图像传感器；3、同步控制模块；

4、感兴趣区；5、参考水体；6、信息帧A；7、信息帧B。

具体实施方式

本发明公开了一种水下去水体噪声计算三维成像方法，采用脉冲激光器进行水下照明，采用选通图像传感器采集图像信息，通过控制激光脉冲和选通成像器件间的延时可获取参考水体噪声图、感兴趣信息帧图像，并通过关闭激光器获得系统的背景噪声图，进而计算获得水体深度噪声图，利用感兴趣信息帧图像与水体深度噪声图差分获得去噪声信息帧图像，最终利用距离能量相关算法实现去水体噪声三维重建。本发明通过获取水体深度噪声图，可对水下选通图像中的含目标和不含目标区域精确去噪，获得去噪的二维图像，并进一步计算获得去噪三维图像，具有适应性好、实用性强的特点。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种水下去水体噪声计算三维成像方法，采用脉冲激光器1进行水下照明，采用选通图像传感器2采集图像信息，通过同步控制模块3控制激光脉冲和选通成像器件间的延时实现感兴趣区二维图像和三维图像的获取。本质上，本方法是基于距离选通成像实现的。相比传统的水下光学成像，距离选通成像可实现感兴趣区的切片成像，从而抑制感兴趣区与成像系统间的水体后向散射等噪声，提高图像信噪比。但是，由于感兴趣区水体存在一定景深，所以，该水体内仍存在水体后向散射等噪声，从而影响选通图像的质量，进而影响基于选通图像的三维重建。如感兴趣区水体内不存在目标，则获得的选通图像仅是水体噪声图，如图1中右下角的水体噪声图。如果感兴趣区水体内存在目标，当目标为非扩展目标时，即目标尺寸小于成像视场，则获得的选通图像中含目标区和不含目标区的水体噪声存在不同。如图1所示，感兴趣区4水体内存在三条鱼，不同鱼具有不同的距离，从而不同鱼对应不同的水体噪声积分区间，从感兴趣区起始位置R到三条鱼间的水体噪声存在差异，图1左下角给出了由于鱼的调制导致含目标区和不含目标区的噪声不同而形成的的水体深度噪声图。

本发明三维成像是通过获取感兴趣区的信息帧A和信息帧B，利用距离能量相关三维重建算法实现的。如不去除水体噪声的影响，将会影响三维成像的质量。欲实现水下去水体噪声三维成像，就需要获得感兴趣区的水体深度噪声图，从而进行精确去噪。如图2所示，在获取水体深度噪声图时，本发明中需首先获取参考水体5的参考水体噪声图，并通过关闭激光器获得系统的背景噪声图。

所述的信息帧A、信息帧B、参考帧都是利用选通图像传感器2获得的，该器件具有选通功能，仅在给定延时下选通图像传感器按照给定的选通门宽开启工作，从而形成选通脉冲，该选通脉冲与激光脉冲一一对应，且相对于激光脉冲存在一定的延时，该延时包括信息帧A延时、信息帧B延时、参考水体延时，具体为：

信息帧A延时为

信息帧B延时为

参考水体延时为

公式(1)-(3)中，R为感兴趣区的起始位置，R_景深为感兴趣区的景深，如图2所示，n为水的折射率，c为光在空气中的传播速度，其中参考水体的延时满足公式(3)，其典型值为

相应地，选通脉冲的选通门宽和激光脉冲的激光脉宽满足

图2中R_{参考水体起始}和R_{参考水体结束}是参考水体的起始位置和结束位置，R_{A帧水体起始}和R_{A帧水体结束}是信息帧A的起始位置和结束位置，R_{B帧水体起始}和R_{B帧水体结束}分别是信息帧B的起始位置和技术位置，它们的大小分别是

在获得参考水体噪声N_{参考水体噪声}和系统的背景噪声N_背景噪声后，对两者进行差分可获得差分参考水体噪声图N_{差分参考水体噪声}，如图3所示。如果已知工作水域的水体衰减系数，那么，则可基于差分参考水体噪声图计算获得感兴趣区信息帧A和信息帧B对应的水体噪声图N_{A帧水体噪声}和N_{B帧水体噪声}。为此，本发明给出了利用差分参考水体噪声图与标准参考水体噪声图的灰度-水体衰减系数曲线获取工作水域水体衰减系数的方法。

标准水体噪声图是对于不同水衰减系数下的水体获得的差分水体选通图像，即获得水体选通图像与对应系统的背景噪声图差分，其典型的水衰减系数范围是0.1/m～2/m，步长间隔是0.1/m。基于标准水体噪声图利用公式(12)在当前参考水体噪声图获取工作参数下计算获得标准参考水体噪声图N_{标准参考水体噪声}，并画出基于标准参考水体噪声图的灰度-水体衰减系数曲线，那么从该曲线中寻找差分参考水体噪声图灰度对应的水体衰减系数，便是该工作水域的水体衰减系数。

公式(12)、(13)、(14)中，σ为水体衰减系数，R_{标准水体起始}和R_{标准水体结束}分别是标准水体噪声图获取时标准水体的起始位置和结束位置，H_当前和H_标准为当前系统和标准水体噪声图获取系统的系统参数，其大小可由公式(15)计算获得

H＝η_镜头η_口径η_增益η_灰度E_激光 (15)

公式(15)中，η_镜头为系统成像镜头和照明镜头的透过率，η_口径为成像镜头的接收口径，η_增益为选通图像传感器的增益，η_灰度为选通图像传感器能量与灰度的转换系数，E_激光为脉冲激光器的在一帧图像中的能量。

在获得工作水域的水衰减系数后，基于差分参考水体噪声图利用公式(16)和(17)可计算出感兴趣区信息帧A和信息帧B对应的水体噪声图N_{A帧水体噪声}和N_{B帧水体噪声}。

如图3所示，在获取信息帧对应的水体噪声图后，需要结合含噪声的距离图像计算获得感兴趣区信息帧对应的水体深度噪声图。含噪声的距离图像可利用A帧图像和B帧图像通过公式(18)计算获得。

公式(18)中，(i，j)为图中的像素坐标，I_{A帧头信号}和I_{B帧头信号}分别是三维成像景深内A帧图像和B帧图像的像素灰度。

获得含噪声距离图后，便可利用公式(19)、(20)计算获得信息帧对应的水体深度噪声图。

如图4所示，利用信息帧与对应的水体深度噪声图、背景图差分就可以获得去噪后的信息帧。

I_去噪A＝I_A-N_背景噪声-N_{A帧水体深度噪声}

(21)

I_去噪B＝I_B-N_背景噪声-N_{B帧水体深度噪声}

(22)

进而，基于去噪声A帧图像和去噪声B帧图像利用公式(23)计算获得去噪声距离图

公式(23)中，(i，j)为图中的像素坐标。I_{去噪A帧头信号}和I_{去噪B帧头信号}分别是三维成像景深内去噪A帧图像和去噪B帧图像的像素灰度。

最终，基于去噪声距离图利用摄像机模型就可以重建三维图像。

本实施例的具体步骤如下：

第一步：在工作水域开启工作；

第二步：控制激光脉冲和选通成像器件的延时，获取不含目标的参考水体的参考水体噪声图N_{参考水体噪声}；

第三步：关闭照明脉冲激光器，保持选通成像器件的工作参数不变，获得系统的背景噪声图N_背景噪声；

第四步：通过参考水体噪声图和背景噪声图差分获得差分参考水体噪声图N_{差分参考水体噪声}，进而利用标准参考水体噪声图的灰度-水体衰减系数曲线获取工作水域的水体衰减系数；

第五步：控制激光脉冲和选通成像器件的延时，获取感兴趣区的信息帧A和信息帧B，即含目标的A帧图像I_A和B帧图像I_B；

第六步：基于水体衰减系数，利用差分参考水体噪声图计算获得感兴趣区信息帧A和信息帧B对应的水体噪声图N_{A帧水体噪声}和N_{B帧水体噪声}；

第七步：利用A帧图像和B帧图像基于距离能量相关三维重建算法计算获得含噪声的感兴趣区的距离图像D_含噪声；

第八步：基于距离图像D_含噪声对A帧和B帧对应的水体噪声图N_{A帧水体噪声}和N_{B帧水体噪声}进行修正，计算获得含目标的A帧图像和B帧图像各自对应的深度噪声图N_{A帧水体深度噪声}和N_{B帧水体深度噪声}；

第九步：A帧图像I_A和B帧图像I_B与各自对应的水体深度噪声图及背景噪声图分别差分，计算获得去噪声A帧图像I_去噪A和B帧图像I_去噪B；

第十步：基于去噪声A帧图像I_去噪A和B帧图像I_去噪B，通过距离能量相关三维重建算法获得去噪声距离图像D_去噪声，进而基于摄像机模型实现三维重建；

第十一步：如需进一步增强去噪效果，可采用迭代的方式，重复第七步至第九步，直至获得所需的去噪效果，其中第七步中的距离图像D_含噪声更换为第九步获得的D_去噪声。

第十二步：基于去噪距离图像，利用摄像机模型可重建三维点云数据，输出三维图像。

为了能使该方法能够清楚、详细的呈现本发明所提出的方法的有效性，本发明以图5的金字塔立体目标靶为水下目标，金字塔高度为10cm，共10阶，每阶高度为1cm。实验所用的脉冲激光器波长为532nm，典型重复频率为30kHz，选通图像传感器为选通ICCD，像素数为1024×1024。激光脉冲宽度和选通脉冲的门宽均为8ns。实验中，金字塔立体目标靶距离成像系统16.2m。图6给出了部分实验结果，包括含噪声的B帧图像、含噪声距离图像、去噪声的B帧图像和去噪声距离图像。未去噪的B帧图像对比度低，水体噪声明显，去噪后的B帧图像对比度明显提高；未去噪的距离图像无法呈现金字塔的结构，去噪后的距离图像则可呈现出金子塔的形貌。比较去噪前后的图像可发现，本发明对二维图像和三维图像均有明显去噪效果。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种水下去水体噪声计算三维成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：控制激光脉冲和选通成像器件的延时，获取不含目标的参考水体的参考水体噪声图N_{参考水体噪声}；

步骤2：关闭照明脉冲激光器，保持选通成像器件的工作参数不变，获得系统的背景噪声图N_背景噪声；

步骤3：通过参考水体噪声图和背景噪声图差分获得差分参考水体噪声图N_{差分参考水体噪声}，进而利用标准参考水体噪声图的灰度-水体衰减系数曲线获取工作水域的水体衰减系数；

基于标准水体噪声图利用公式(1)在当前参考水体噪声图获取工作参数下计算获得标准参考水体噪声图N_{标准参考水体噪声}，并画出基于标准参考水体噪声图的灰度-水体衰减系数曲线，那么从该曲线中寻找差分参考水体噪声图灰度对应的水体衰减系数，便是该工作水域的水体衰减系数；

公式(1)中，σ为水体衰减系数，H_当前和H_标准为当前系统和标准水体噪声图获取系统的系统参数，其大小可由下述公式计算获得

H＝η_镜头η_口径η_增益η_灰度E_激光 (2)；

公式(2)中，η_镜头为系统成像镜头和照明镜头的透过率，η_口径为成像镜头的接收口径，η_增益为选通图像传感器的增益，η_灰度为选通图像传感器能量与灰度的转换系数，E_激光为脉冲激光器在一帧图像中的能量；

公式(1)中，R_{参考水体起始}和R_{参考水体结束}分别是当前系统下参考水体的起始位置和结束位置，其大小如公式(3)和(4)所示：

公式(1)中，R_{标准水体起始}和R_{标准水体结束}分别是标准水体噪声图获取时标准水体的起始位置和结束位置，其大小如公式(5)和(6)所示：

公式(5)和(6)中τ_标准水体为标准水体的延时；公式(3)、(4)、(5)、(6)中t_激光脉冲是激光脉冲宽度，t_选通脉冲是选通脉冲宽度；

步骤4：控制激光脉冲和选通成像器件的延时，获取感兴趣区的信息帧A和信息帧B，即含目标的A帧图像I_A和B帧图像I_B；

步骤5：基于水体衰减系数，利用差分参考水体噪声图计算获得感兴趣区信息帧A和信息帧B对应的水体噪声图N_{A帧水体噪声}和N_{B帧水体噪声}；

步骤6：利用A帧图像和B帧图像基于距离能量相关三维重建算法计算获得含噪声的感兴趣区的距离图像D_含噪声；

步骤7：基于距离图像D_含噪声对A帧和B帧对应的水体噪声图N_{A帧水体噪声}和N_{B帧水体噪声}进行修正，计算获得含目标的A帧图像和B帧图像各自对应的深度噪声图N_{A帧水体深度噪声}和N_{B帧水体深度噪声}；

步骤8：A帧图像I_A和B帧图像I_B与各自对应的水体深度噪声图及背景噪声图分别差分，计算获得去噪声A帧图像I_去噪A和B帧图像I_去噪B；

步骤9：基于去噪声A帧图像I_去噪A和B帧图像I_去噪B，通过距离能量相关三维重建算法获得去噪声距离图像D_去噪声，进而基于摄像机模型实现三维重建；

步骤10：为进一步增强去噪效果，采用迭代的方式，重复步骤7至步骤9，直至获得所需的去噪效果，其中步骤7中的距离图像D_含噪声更换为步骤9获得的D_去噪声。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参考水体噪声图是处于成像系统和感兴趣区中间的参考水体的选通图像，该选通图像中不含目标，除参考水体延时外，获取参考水体噪声图的时域参数均与信息帧的时域参数相同；

所述背景噪声图是系统和环境光引入的噪声，在与参考水体噪声图的选通成像器件相同的参数下，关闭照明脉冲激光器，即获得工作水域的背景噪声图。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述标准水体噪声图是对于不同水衰减系数下的水体获得的差分水体选通图像，即获得水体选通图像与对应系统的背景噪声图差分。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信息帧对应的水体噪声图是基于差分参考水体噪声图计算获得的，具体为

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含噪声的感兴趣的距离图像D_含噪声是基于A帧图像和B帧图像利用距离能量相关三维重建算法实现的，其中距离能量相关算法为

其中，(i，j)为图中的像素坐标，I_{A帧头信号}和I_{B帧头信号}分别是三维成像景深内A帧图像和B帧图像的像素灰度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述深度噪声图N_{A帧水体深度噪声}和N_{B帧水体深度噪声}是修正水体噪声图N_{A帧水体噪声}和N_{B帧水体噪声}内的目标区域的水体噪声，对于不含目标的区域的水体噪声不需要修正，含目标的区域的水体噪声是目标与信息帧起始位置间的噪声，而目标与信息帧结束位置间的水体噪声则由于目标遮挡而消失，具体为

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述去噪声A帧图像I_去噪A和B帧图像I_去噪B是指去掉水体深度噪声图和背景噪声图的信息帧。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述去噪声距离图像是基于去噪声A帧图像和去噪声B帧图像利用下述公式计算获得，

其中，(i，j)为图中的像素坐标，I_{去噪A帧头信号}和I_{去噪B帧头信号}分别是三维成像景深内去噪A帧图像和去噪B帧图像的像素灰度。

9.一种采用如权利要求1-8任一所述的水下去水体噪声计算三维成像方法的成像系统，其特征在于，包括脉冲激光器和选通成像器件，其中，

所述脉冲激光器是水下的照明光源，按照给定的激光脉宽、峰值功率和重复频率工作；

所述选通成像器件为选通图像传感器，其具有选通功能，仅在给定延时下选通图像传感器按照给定的选通门宽开启工作，从而形成选通脉冲，该选通脉冲与激光脉冲一一对应，且相对于激光脉冲存在一定的延时，该延时包括信息帧A延时、信息帧B延时、参考水体延时，具体为：

信息帧A延时为

信息帧B延时为

参考水体延时为

上述公式中，R为感兴趣区的起始位置，R_景深为感兴趣区的景深，n为水的折射率，c为光在空气中的传播速度，其中参考水体的延时的典型值为

相应地，选通脉冲的选通门宽和激光脉冲的激光脉宽满足