CN113484873B - 一种水下光场干预成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水下成像领域，特别是一种水下光场干预成像方法，其特征在于，包括：A系统参数初始化；B像素、光束对象初始化；C模糊补偿式泛光照明；D人工交互选定照明区域；E区域光场生成；F区域光场计算成像。本发明提供的水下光场干预成像方法能实现光场能量空间分布的精细化控制，主要体现在两方面：精细化控制空间区域照明能量的有无；根据水体的吸收衰减参数以及照明区域的空间坐标属性对需要照明的区域进行照明能量的针对性分配，实现远距离上的强光场分布补偿和近距离上的弱光场后向散射最小化。
Description
技术领域
本发明涉及水下成像领域，特别是一种水下光场干预成像方法。
背景技术
传统水下光电探测与成像通常搭建普通水下光源实现了水下光场能量分布的静态投送，属于粗粒度的能量控制；一旦光场搭建完成，其景深、探测距离、视角便无法改变，这就造成了系统功耗、体积、重量的上升，也会损失一定的图像细节。动态海洋环境下的水下目标观测的另一个需求是实现近距离目标的精细化成像，即高对比度、纹理细节成像，其在大坝开裂检修、海参病虫害防治、水下考古等应用中具有重要作用。作者在这一部分提出了在局部空间上使用细粒度的水下离散光场探测成像方法，其通过使用交互式的动态光场控制方法进行兴趣区域内的光场能量投送，实现照明能量大小、区域同目标位置、尺度的细粒度匹配，进而实现目标的高对比度和高分辨率的成像。
光场能量空间分布与图像清晰度的关系，需要在不同的水质条件下通过能量场的分布的不同方式来达到最佳的图像细节。目前先进的水下成像技术使用了诸如 “基于空间几何分离-层级光场技术”、“基于时间分离-距离选通成像技术”、“空间分离-同步激光扫描”、“偏振态分离-偏振成像”等，都是使用空间连续光场照明（也称作泛光照明）或用激光照明，其光场分布或是太粗糙或是太局部化，其主要体现在以下两个方面：传统的照明模式是一个光源在持续地亮，空间的每一个角度里面都是不可分、不可控的，这是一种泛光照明的方式；使用激光进行照明时，空间光场就是一个点，扫描也好、距离选通也好，某一个时刻上的能量分布就是一个点，或者一个切面。光源参数无法得到智能化的调整导致了水下光场分布粗糙或者局部化，这是以上系统在目标细节衬度提高上的一个关键问题。
研究数据表明水下光场能量的针对性分布可以提高水下目标成像质量，对于已知位置的目标物成像，集中照明能量和能量的分布区域、去除不相关区域的照明能量对成像衬度的提升很大，也就是对感兴趣的区域实现有效照明，其他的区域能量尽量压低、关掉。
发明内容
为达到上述技术目的，本发明提供了一种水下光场干预成像方法，包括：
A：系统参数初始化
A1水体光学参数设置，A2坐标系构建，包括空间坐标系的构建，成像单元CCD坐标系的构建，A3系统几何参数的确定输入，包括光轴距、光源坐标、CCD坐标；
B：像素、光束对象初始化
在进行初次的场景扫描时需要尽可能地减小后向散射的影响，因此需要进行不同的距离使用不一样的光束能量进行照明，初始化结束后，系统则以光束对象中的初始化值进行每道光束辐照能量的投送，实现模糊补偿式泛光照明；
C：模糊补偿式泛光照明
在模糊补偿式泛光照明条件下，水下空间中具有最大的光场分布区域，非常适合对目标进行“探测性”成像，即在这样的成像视野内成像系统可以给用户提供更多的场景信息，主要是目标的有无；
D：人工交互选定照明区域
用户通过成像显示屏确定目标的像素区域或者感兴趣的像素区域，再进一步通过人工交互的方式选定对应区域，对选定的区域进行区域性照明与成像；
E：区域光场生成
区域光场生成的目的是通过光场扫描即光束遍历的方法对选定区域中的光束对象和像素对象中的各个属性进行填充，实现像素对象同光束对象的一一映射，进而为“区域光场计算成像”提供必要的数据；
F：区域光场计算成像
对用户选定区域内的满足成像条件的像素对象在确定的光束照明下，基于成像单元CCD成像，获得对应的像素值，得到区域光场成像图片，读取成像图像显示在显示器上。
作为优选，成像空间中位置(i,j)处的像素并非具有无限小的面积，其在空间坐标系中对应的是一个四棱锥，称之为“像素锥，pixel pyramid”，该像素锥在整个系统中将使用 pixellndex=(i,j)来进行索引,根据空间立体几何关系可知，任意一个像素锥将在光源的光束发散锥内截断一个扇形发光面，在该扇面中包含了若干光束对象，将该像素锥截断的这些光束的集合定义为“像素锥光束集，pyramidBeamSet”,
pyramidBeamSet=
其中，第一列元素代表光源编号，第二列和第三列元素代表该光源编号下的光束坐标索引;
定义照亮像素锥内的有效成像面源的光束为“目标光束索引集，targetBeamIndexSet”，
targetBeamIndexSet=
其中，第一列元素代表光源编号，第二列和第三列元素代表该光源编号下的光束坐标索引;
根据空间立体几何关系可知，任意一个光束对象将在CCD成像系统的成像视野锥内截断一个扇形发光面，在该扇面中包含了若干像素锥对象，我们将该光束对象截断的这些像素锥的集合定义为“光束锥像素集，pyramidPixelSet”：
PyramidPixelSet=
其中，第一列元素代表CCD像素索引行坐标，第二列元素代表CCD像素索引列坐标。
作为优选，在每个“像素锥”中可能存在多个目标反射面源，从空间投影关系和遮挡原理可以看出，只有离摄像机最近的目标反射面源才可以在CCD阵列上成像，对应像素pixel (i,j),该面源可以存在像素锥中的任何位置，我们用targetLoc=(x,y,z)表示该面源的空间位置，targetLoc表征了像素pixel (i,j)是由水体介质成像还是目标反射面源成像，若该“像素锥”上没有目标反射面源，则targetLoc=(inf,inf,inf)，若该“像素锥”上存在目标反射面源，则targetLoc包含具体的数值,当光束锥中包含多个目标面元时，由于投影遮挡的作用，CCD得到的成像能量来自于离CCD最近的目标面元;
在每个光束锥中可能存在多个目标反射面源，然而在实际物理空间中，从空间投影关系和遮挡原理可以看出，只有离该光束锥的发射光源最近的目标反射面源才可以在获取光束锥的能量，该面源虽然能够获取到光束锥的照明能量，但是其能否在CCD感光面上成像则取决于该面源所在的像素锥中的是否存在“像素锥内面源遮挡成像”现象，若不存在该问题，则系统探测流程时可以得到该面源的空间位置的信息，我们依然使用targetLoc=(x,y,z）表示该参数，同时其对应的成像像素索引使用targetPixelIndex表示，targetLoc表征了像素pixel (i,j)是由水体介质成像还是目标反射面源成像，若该“像素锥”上没有目标反射面，则targetLoc=(inf,inf,inf) ， targetPixelIndex=(inf,inf)。
作为优选，E区域光场生成包括：
E1从用户选定区域内选取像素对象，通过像素锥光束遍历用户选定区域内是否存在满足成像条件的像素对象，排除像素锥内已经被占用了的光束对象，进而通过目标面元光束选取，得到像素对象的目标光束索引集 ；
E2根据“像素锥-targetBeamIndex-光轴距”空间几何关系计算出目标反射面源的空间位置targetLoc；
E3最后更新光束能量，从目标光束索引集中确定光束能量最大的光束作为唯一照明光束，确定唯一性光束Beam对象。
作为优选，所述步骤F区域光场计算成像中的光场成像条件包括：
a存在目标反射面源，即该像素为用户选定区域内目标反射面源成像目标对象内的像素,如果用户选定区域内不存在目标反射面源成像目标对象，则该用户选定区域内不存在成像目标，则该区域内的像素对象都不满足成像条件;
b目标反射面源接收到了光束锥内的辐照能量，该目标反射面源在目标光束的光束锥内无遮挡;
c目标反射面源在其对应的像素锥内不存在面源遮挡成像问题，即在对应的像素锥内在目标反射面源与成像单元CCD之间没有遮挡对象。
本发明的有益效果为：本发明提供的水下离散光场探测成像方法能实现光场能量空间分布的精细化控制，主要体现在两方面：
精细化控制空间区域照明能量的有无。
根据水体的吸收衰减参数以及照明区域的空间坐标属性对需要照明的区域进行照明能量的针对性分配，实现远距离上的强光场分布补偿和近距离上的弱光场后向散射最小化。
附图说明
图1：成像系统的基本成像结构-像素有限面积示意图
图2：离散光场中像素对象的空间描述示意图
图3：离散光场中光束对象的空间描述示意图
图4：成像像素对象和光束对象的一对一映射示意图；
图5：成像画面中辐照能量分布示意图；
图6：离散光场探测成像整体流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
成像空间中位置（i,j）处的像素并非具有无限小的面积，其在世界坐标空间中对应的是一个如图1所示的一个四棱锥，我们在这里称之为“像素锥，pixel pyramid，简写为pp），该像素锥在整个系统中将使用 pixelIndex=(i, j)来进行索引。图2展示了一个像素锥与一个光束集合的对应关系：根据空间立体几何关系可知，对于如图2所示的光场几何布放方式，任意一个像素锥将在光源的光束发散锥EFGH-L1内截断一个扇形发光面，其如图2中的三角扇面W。在该扇面中包含了若干光束对象，我们将该像素锥截断的这些光束的集合定义为“像素锥光束集，pyramidBeamSet”：
pyramidBeamSet=
其中，第一列元素代表光源编号，第二列和第三列元素代表该光源编号下的光束坐标索引。
从图2中还可以看出像素锥1有效成像面源A2对应的照明光束为光束B1，我们定义照亮像素锥内的有效成像面源的光束为“目标光束索引集，targetBeamIndexSet”，该光束之所以是一个集合的原因在于离散光场的构建中可能会对应多个光源，在该系统中能够实现对有效成像面源A2进行照明的可能还有其他的光源：
targetBeamIndexSet=
公式中的矩阵元素的物理意义同pyramidBeamSet的定义相同。
在每个“像素锥”中可能存在多个目标反射面源，从空间投影关系和遮挡原理可以看出，只有离摄像机最近的目标反射面源才可以在CCD阵列上成像，对应像素pixel (i,j)。该面源可以存在像素锥中的任何位置，我们用targetLoc=(x, y, z)表示该面源的空间位置，targetLoc表征了像素Pixel(i,j)是由水体介质成像还是目标反射面源成像：若该“像素锥”上没有目标反射面源，则 targetLoc=(inf,inf,inf)
若该“像素锥”上存在目标反射面源，则targetLoc则包含具体的数值。另一方面，从图2中可以看出当光束锥中包含多个目标面元时，由于投影遮挡的作用，CCD得到的成像能量来自于离CCD最近的目标面元：即在像素锥中对应的是目标面元A2。
根据以上的论述，同时结合面向对象的程序设计思路，我们可以通过一个“像素对象”Pixel的形式对以上光场描述参数进行归纳：
表1-1像素对象的数据结构如下：
其中属性targetBeamIndex表示经过区域光场生成算法从targetBeamIndexSet集合中选出来的最终的目标面元唯一性照明光束,pixelIndex表示成像CCD中的像素索引，pixelValue用于存储成像CCD中的像素响应值。
类比于像素对象的特点，图3展示了一个光束对象与一个像素锥集合的对应关系：根据空间立体几何关系可知，对于如图3所示的光场几何布放方式，任意一个光束对象将在CCD成像系统的成像视野锥ABCD-O内截断一个扇形发光面，其如图 3的三角扇面P。在该扇面中包含了若干像素锥对象，我们将该光束对象截断的这些像素锥的集合定义为“光束锥像素集，PyramidPixelSet ”：
PyramidPixelSet=
其中，第一列元素代表CCD像素索引行坐标，第二列元素代表CCD像素索引列坐标。
在每个光束锥中可能存在多个目标反射面源，然而在实际物理空间中，从空间投影关系和遮挡原理可以看出，只有离该光束锥的发射光源最近的目标反射面源才可以在获取光束锥的能量。该面源虽然能够获取到光束锥的照明能量，但是其能否在CCD感光面上成像则取决于该面源所在的像素锥中的是否存在 “像素锥内面源遮挡成像”现象，若不存在该问题，则系统探测流程时可以得到该面源的空间位置的信息，我们依然使用targetLoc=(x,y,z)表示该参数，同时其对应的成像像素索引使用targetPixelIndex 表示。targetLoc表征了像素pixel=(i, j)是由水体介质成像还是目标反射面源成像：若该“像素锥”上没有目标反射面，则
targetLoc=(inf,inf,inf)
targetPixelIndex=(inf,inf)
采用相似的方式，我们定义离散光场描述中的另一个对象：光束对象——Beam，如表1-2光束对象的数据结构所示。其中，
表 1-2光束对象的数据结构
一种水下光场干预成像方法，其特征在于，包括：
A：系统参数初始化；
A1水体光学参数设置，例如水体的衰减系数，其获取依赖其他外部仪器或估计值；
A2坐标系构建，包括空间坐标系的构建，成像单元CCD坐标系的构建；
A3系统几何参数的确定输入，包括光轴距、光源坐标、CCD坐标，其中光源坐标、CCD坐标参数可以通过用户手动输入的方式，或基于传感器的检测的方式来获取；
B：像素、光束对象初始化
在进行初次的场景扫描时需要尽可能地减小后向散射的影响，因此需要进行不同的距离使用不一样的光束能量进行照明，初始化结束后，系统则以光束对象中的初始化值进行每道光束辐照能量的投送，实现模糊补偿式泛光照明。
C：模糊补偿式泛光照明
在模糊补偿式泛光照明条件下，水下空间中具有最大的光场分布区域，非常适合对目标进行“探测性”成像，即在这样的成像视野内成像系统可以给用户提供更多的场景信息，主要是目标的有无。
D：人工交互选定照明区域
用户通过成像显示屏确定目标的像素区域或者感兴趣的像素区域，再进一步通过人工交互的方式选定对应区域，对选定的区域进行区域性照明与成像。
E：区域光场生成
区域光场生成的目的是通过光场扫描即光束遍历的方法对选定区域中的光束对象和像素对象中的各个属性进行填充，实现像素对象同光束对象的一一映射，进而为“区域光场计算成像”提供必要的数据。
具体步骤为：
E1从用户选定区域内选取像素对象，通过像素锥光束遍历用户选定区域内是否存在满足成像条件的像素对象，排除像素锥内已经被占用了的光束对象，进而通过目标面元光束选取，得到像素对象的目标光束索引集 ；
E2根据“像素锥-targetBeamIndex-光轴距”空间几何关系计算出目标反射面源的空间位置targetLoc；
E3最后更新光束能量，从目标光束索引集中确定光束能量最大的光束作为唯一照明光束，确定唯一性光束Beam对象。
F：区域光场计算成像
对用户选定区域内的满足成像条件的像素对象在确定的光束照明下，基于成像单元CCD成像，获得对应的像素值，得到区域光场成像图片，读取成像图像显示在显示器上。
成像条件包括：
a存在目标反射面源，即该像素为用户选定区域内目标反射面源成像目标对象内的像素,如果用户选定区域内不存在目标反射面源成像目标对象，则该用户选定区域内不存在成像目标，则该区域内的像素对象都不满足成像条件;如图5中成像区域N内不存在目标反射面元，则该区域内的像素对象都不满足成像条件。
b目标反射面源接收到了光束锥内的辐照能量，该目标反射面源在目标光束的光束锥内无遮挡;如图3中目标面元A2由于被目标面元A1遮挡无法得到该光束锥的辐射能量，则目标面元不满足该条件。
c目标反射面源在其对应的像素锥内不存在面源遮挡成像问题，即在对应的像素锥内在目标反射面源与成像单元CCD之间没有遮挡对象。如图2中目标面元A1虽然满足上述两个条件，但其由于被目标面元A2遮挡而无法将辐照得反射能量用于CCD成像，则目标面元不满足该条件。
如图4所示，其描述了水下离散光场干预成像中的通用系统配置和成像应用场景：一台CCD水下摄像机、若干台离散光源（此处为了图示的简洁只画出了两台离散光源）；水下探测空间中存在两个目标,目标J和目标K。
如图5所示，展示了该成像系统对水下探测空间的成像显示画面。其中通过人工交互选定了两块感兴趣的像素区域（图中椭圆虚线所示），离散光场探测成像的基本目的就是实现感兴趣像素区域的目标区域照明，该基本目的可以分解成以下详细要求：
1.成像画面中只有通过人工交互的选定区域才可能具有辐照能量分布。如图5中的人工交互区域外的目标J不能接收到辐照能量，也无法成像。
2.只对选定区域中的目标面元区域实现照明，区域内的其他非目标面元像素锥内不存在辐照能量分布。如图5中的选定区域M中非目标区域没有光束辐照能量分布，选定区域N中没有目标时离散光源也不会对该像素锥进行能量的投送。
目标反射面源在离散光场干预成像的过程中充当了很重要的桥梁作用，人工交互的选定区域中的对应像素对象和光束对象是通过目标反射面源产生了一对一的映射关系，表 1-3中的三个对象属性beamIndex 、targetLoc 、targetPixelIndex 表征了这个对应关系。
表 1-3像素对象和光束对象中的一一映射属性元素
上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。
Claims (2)
1.一种水下光场干预成像方法，其特征在于，包括：
A：系统参数初始化
A1水体光学参数设置，A2坐标系构建，包括空间坐标系的构建，成像单元CCD坐标系的构建，A3系统几何参数的确定输入，包括光轴距、光源坐标、CCD坐标；
B：像素、光束对象初始化
在进行初次的场景扫描时需要尽可能地减小后向散射的影响，因此需要进行不同的距离使用不一样的光束能量进行照明，初始化结束后，系统则以光束对象中的初始化值进行每道光束辐照能量的投送，实现模糊补偿式泛光照明；
C：模糊补偿式泛光照明
在模糊补偿式泛光照明条件下，水下空间中具有最大的光场分布区域，非常适合对目标进行“探测性”成像，即在这样的成像视野内成像系统可以给用户提供更多的场景信息，主要是目标的有无；
D：人工交互选定照明区域
用户通过成像显示屏确定目标的像素区域或者感兴趣的像素区域，再进一步通过人工交互的方式选定对应区域，对选定的区域进行区域性照明与成像；
E：区域光场生成
区域光场生成的目的是通过光场扫描即光束遍历的方法对选定区域中的光束对象和像素对象中的各个属性进行填充，实现像素对象同光束对象的一一映射，进而为“区域光场计算成像”提供必要的数据；
F：区域光场计算成像
对用户选定区域内的满足成像条件的像素对象在确定的光束照明下，基于成像单元CCD成像，获得对应的像素值，得到区域光场成像图片，读取成像图像显示在显示器上；
成像空间中位置(i,j)处的像素并非具有无限小的面积，其在空间坐标系中对应的是一个四棱锥，称之为“像素锥，pixel pyramid”，该像素锥在整个系统中将使用 pixellndex=(i,j)来进行索引,根据空间立体几何关系可知，任意一个像素锥将在光源的光束发散锥内截断一个扇形发光面，在该扇形发光面中包含了若干光束对象，将该像素锥截断的这些光束的集合定义为“像素锥光束集，pyramidBeamSet”,
pyramidBeamSet=
其中，第一列元素代表光源编号，第二列和第三列元素代表该光源编号下的光束坐标索引;
定义照亮像素锥内的有效成像面源的光束为“目标光束索引集，targetBeamIndexSet”，
targetBeamIndexSet=
其中，第一列元素代表光源编号，第二列和第三列元素代表该光源编号下的光束坐标索引;
根据空间立体几何关系可知，任意一个光束对象将在CCD成像系统的成像视野锥内截断一个扇形发光面，在该扇面中包含了若干像素锥对象，我们将该光束对象截断的这些像素锥的集合定义为“光束锥像素集，pyramidPixelSet”：
PyramidPixelSet=
其中，第一列元素代表CCD像素索引行坐标，第二列元素代表CCD像素索引列坐标；
E区域光场生成包括：
E1从用户选定区域内选取像素对象，通过像素锥光束遍历用户选定区域内是否存在满足成像条件的像素对象，排除像素锥内已经被占用了的光束对象，进而通过目标面元光束选取，得到像素对象的目标光束索引集 ；
E2根据“像素锥-targetBeamIndex-光轴距”空间几何关系计算出目标反射面源的空间位置targetLoc；
E3最后更新光束能量，从目标光束索引集中确定光束能量最大的光束作为唯一照明光束，确定唯一性光束Beam对象；
所述步骤F区域光场计算成像中的光场成像条件包括：
a存在目标反射面源，即该像素为用户选定区域内目标反射面源成像目标对象内的像素,如果用户选定区域内不存在目标反射面源成像目标对象，则该用户选定区域内不存在成像目标，则该区域内的像素对象都不满足成像条件;
b目标反射面源接收到了光束锥内的辐照能量，该目标反射面源在目标光束的光束锥内无遮挡;
c目标反射面源在其对应的像素锥内不存在面源遮挡成像问题，即在对应的像素锥内在目标反射面源与成像单元CCD之间没有遮挡对象。
2.根据权利要求1所述的一种水下光场干预成像方法，其特征在于：在每个“像素锥”中可能存在多个目标反射面源，从空间投影关系和遮挡原理可以看出，只有离摄像机最近的目标反射面源才可以在CCD阵列上成像，对应像素pixel (i,j),该面源可以存在像素锥中的任何位置，我们用targetLoc=(x,y,z)表示该面源的空间位置，targetLoc表征了像素pixel (i,j)是由水体介质成像还是目标反射面源成像，若该“像素锥”上没有目标反射面源，则targetLoc=(inf,inf,inf)，若该“像素锥”上存在目标反射面源，则targetLoc包含具体的数值,当光束锥中包含多个目标面元时，由于投影遮挡的作用，CCD得到的成像能量来自于离CCD最近的目标面元；
在每个光束锥中可能存在多个目标反射面源，然而在实际物理空间中，从空间投影关系和遮挡原理可以看出，只有离该光束锥的发射光源最近的目标反射面源才可以在获取光束锥的能量，该面源虽然能够获取到光束锥的照明能量，但是其能否在CCD感光面上成像则取决于该面源所在的像素锥中的是否存在“像素锥内面源遮挡成像”现象，若不存在该问题，则系统探测流程时可以得到该面源的空间位置的信息，我们依然使用targetLoc=(x,y,z）表示该参数，同时该目标反射面源对应的成像像素索引使用targetPixelIndex表示，targetLoc表征了像素pixel (i,j)是由水体介质成像还是目标反射面源成像，若该“像素锥”上没有目标反射面，则targetLoc=(inf,inf,inf) ，targetPixelIndex=(inf,inf)。
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2020
- 2020-03-16 CN CN202010181346.1A patent/CN113484873B/zh active Active
Patent Citations (6)
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