CN114302080A - 一种高性能水下电视 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高性能水下电视，包括水下照明光源、起偏器、检偏器、水下摄像机和图像处理模块，所述水下照明光源与水下摄像机在同一水平面上分开布置，照明光轴和成像光轴汇聚在待拍摄目标上，水下照明光源的出射处设置起偏器，偏振方向为水平方向，水下摄像机镜头前设置检偏器，检偏方向为竖直方向，其检偏方向与起偏器的起偏方向垂直。本发明所述的高性能水下电视，具有功耗低、结构紧凑、成像质量优于普通水下电视、具有一定智能等特点，且对普通水下电视的改造成本较低。根据不同的水质，可选择不同照明功率、不同的照明及成像视场、不同的分置距离，还可以调节摄像机增益及曝光时间，使图像达到最佳曝光，获得高质量的水下图像。

Description

一种高性能水下电视

技术领域

本发明涉及水下光电成像技术领域，具体是一种高性能水下电视。

背景技术

普通水下电视一般包括水下照明光源、水下摄像机、控制器以及水密电缆几部分，可对水下近距离目标进行探测，由于自带光源，即使在晚间或者深水无环境光照明条件下也能够成像。水下照明光源可以是钨丝灯、HMI金属卤素灯、LED灯等几种类型，目前最常见的是LED灯，具有功耗低、发热小、寿命长等优点，其光谱分布有利于在水下高效传输。水下摄像机的图像传感器有硅靶摄像管、增强型硅靶摄像管、数字CCD及CMOS器件，目前最常见的是数字CCD和CMOS水下摄像机。

水下成像的主要障碍是水体对光线的衰减以及散射，为了提高水下成像距离及改善水下成像质量，一方面需要提高照明光源的水下传输效率以及提高水下摄像机的灵敏度，另一方面还要有效抑制水体后向散射，通常是将照明光源与摄像机分开一定的距离，使照明视场与成像视场在空间中相交为一个角度，这是普通水下电视提升成像质量的主要途径。

水下电视的起源至少可追溯到1947年，美国海军在比基尼珊瑚岛上进行原子弹爆炸试验时首次应用水下电视观察原子弹爆炸影响，为潜艇安装一副可以看见潜艇外部世界的眼睛。从此，各国都相继开展了水下电视的技术研究。上世纪90年代，美国Ben-thos公司研制出了DSC-5010型及DSC-4000型水下数字摄像系统。

英国的西穆拉德公司研制生产的OE0285型摄像机是一种高灵敏度摄像机，采用1英寸孔径的增强型硅靶摄像管，利用两级的一代增强器，可以提供非常好的光照灵敏度。与单级的一代像增强器相比，两级的一代增强器的灵敏度提高了100倍，且噪声极小。在有云的星光条件下，能在极其微弱的光线状态下观察到各种目标，解决了冰层及海水下光线微弱的问题。

德国的ATLAS ELEKTRONIK研制的SeaFox反水雷军用ROV，配备了实时成像和高强度照明的水下电视，提升了水雷的探测和识别能力。

日本广播协会先后研制出晶体管摄像装置、光导摄像管摄像装置等适合于水下摄影的摄像装置。

在国内，上海交通大学、天津大学、海军工程大学、中国科学院西安光学精密机械研究所、中国水利水电科学研究院等大学和研究所也开展了水下电视设备研制和应用研究。如上海交通大学采用INV-2402型高灵敏度CCD暗光黑白摄像机研制了便携式水下电视设备，可适用于最大水深300m的水下环境。中国科学院西安光学精密机械研究所提出了一种新型的二维扫描式水下电视系统，该系统可以进行水平360°，垂直90°全方位扫描，通过该系统可以对水中运动目标进行跟踪监视，最大工作深度可达1000m。天津大学研制QKD-9型孔内水下电视及JCD-2型孔内电视系统应用于桩基完整性检测。中国水利水电科学研究院利用美国Benthos公司生产的水下机器人携带电视系统对哈尔滨市西泉眼水库溢洪道两侧翼墙以及溢流堰受水流冲蚀程度进行了探查，取得了良好效果。海军工程大学等使用国产水下电视系统，对长江航道整治工程水下沉排进行了检查，该系统是潜水员手持水下电视摄像头，缆线连接岸边同步录制图像。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高性能水下电视，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高性能水下电视，包括水下照明光源、起偏器、检偏器、水下摄像机和图像处理模块，所述水下照明光源与水下摄像机在同一水平面上分开布置，照明光轴和成像光轴汇聚在待拍摄目标上，水下照明光源的出射处设置起偏器，偏振方向为水平方向，水下摄像机镜头前设置检偏器，检偏方向为竖直方向，其检偏方向与起偏器的起偏方向垂直，水下照明视场与成像视场根据应用需要设计成尽量小的角度，并在空间上交叉，尽量减小视场重叠区域的体积，以抑制后向散射，提升图像质量，照明光线经起偏器后变成偏振光对水下场景进行照明，目标反射光经检偏器检偏后进入水下摄像机成像，摄像机输出的水下目标原始视频经图像处理模块进行背景剔除后形成最终视频，获得水下异动信息。

作为本发明的进一步技术方案：所述水下照明光源为高亮LED光源，利用一个圆锥形反光杯限制水下照明视场，将LED光源放置于锥顶处，照明视场角度即为锥顶角，反光杯内壁作氧化发黑处理。

作为本发明的进一步技术方案：所述水下摄像机输出的H.265视频通过网口输入图像处理模块，经剔除背景图像处理后，再经另一个网口将视频输出到UUV上的控制器，UUV据此做出相应的决策。

作为本发明的进一步技术方案：所述水下摄像机为高灵敏度高清数字CMOS摄像机，自带镜头，成像视场小于照明视场，具有切换自动/手动增益模式，在手动增益模式下，摄像机的图像增益和曝光时间可调。

作为本发明的进一步技术方案：所述图像处理模块的处理过程如下：首先，图像处理模块保存正常情况下的水下场景图像作为基准图像，然后开启告警模式，即对随后采集到的每一帧图像都与基准图像做相减运算，如果差图像为零，则表明场景无异动，如果差图像出现明显轮廓，则说明场景中出现了外来目标，应该发出告警信息。

作为本发明的进一步技术方案：所述图像处理模块还可以通过串口控制水下照明光源开启和关闭以及调节光源功率大小，还可以调节水下摄像机的增益、曝光时间。

作为本发明的进一步技术方案：各模块所需电源由外部提供。

作为本发明的进一步技术方案：所述图像处理模块还可以连接外部控制器或计算机，进行显示、存储后续处理。

作为本发明的进一步技术方案：所述水下照明光源的光轴与水下摄像机的光轴水平距离为330mm，照明视场35°及成像视场25°。

作为本发明的进一步技术方案：所述图像处理模块安装在UUV的内部，通过一个串口来控制水下照明光源的功率调节器，用以对水下照明光源进行开关及功率调节。图像处理模块还通过网口对水下摄像机的成像参数进行设置，将摄像机切换至手动增益模式，图像增益及曝光时间由程序控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明所述的高性能水下电视，具有功耗低、结构紧凑、成像质量优于普通水下电视、具有一定智能等特点，且对普通水下电视的改造成本较低。根据不同的水质，可选择不同照明功率、不同的照明及成像视场、不同的分置距离，还可以调节摄像机增益及曝光时间，使图像达到最佳曝光，获得高质量的水下图像，本发明可以形成灵活多样、适应性强的水下电视产品。偏振成像技术的运用，可以抑制水体后向散射，提升图像对比度，特别是对浑浊的水体，其改善效果更加明显。背景剔除算法能有效去除背景的影响，有利于在复杂水下环境中发现微弱目标，并实现告警。本装置安装方便，工作时可远程控制，或者事先设置好工作流程，根据实时情况自主工作和决策，无需人为干预，实现智能控制。本装置的应用可完成水下移动平台及水下固定场所的近距离水下监视及搜索任务，实现水下监测、侦察、搜索、施工、考古、救生、打捞等，具有显著的经济价值。

附图说明

图1为高性能水下电视组成图；

图2为高性能水下电视在UUV上安装示意图(俯视图)；

图3为高性能水下电视在UUV上安装示意图(UUV迎头方向)；

图4为照明视场(左)与成像视场(右)空间关系图。

图中：1-控制器、2-图像处理模块、3-水下照明光源、4-水下摄像机、5-起偏器、6-反光杯、7-检偏器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：请参阅图1-3所示，一种高性能水下电视，包括水下照明光源3、起偏器5、检偏器7、水下摄像机4和图像处理模块2。水下照明光源3出射处安装一片线偏振片，偏振方向为水平方向，在水下摄像机4镜头前安装另一片偏振片，偏振方向为竖直方向。

水下照明光源3与水下摄像机4在空间上分开一定距离进行布置，照明光轴和成像光轴朝向观察区域并相交为一定角度。水下照明视场与成像视场根据应用需要设计成尽量小的角度，并在空间上交叉，尽量减小视场重叠区域的体积，以抑制后向散射，提升图像质量。照明光线经起偏器5后变成偏振光对水下场景进行照明，目标反射光经检偏器7检偏后进入水下摄像机4成像，摄像机输出的水下目标原始视频经图像处理模块2进行背景剔除后形成最终视频，可获得水下异动信息，最后可将视频输入外部控制器1(或计算机)，可进行显示、存储等后续处理。

水下照明光源3为高亮LED光源，利用一个圆锥形反光杯6限制水下照明视场，将LED光源放置于锥顶处，照明视场角度即为锥顶角，为避免反光杯6内壁产生散射，将其作氧化发黑处理，减小反射率。

水下摄像机4为高灵敏度高清数字CMOS摄像机，自带镜头，成像视场略小于照明视场，可切换自动/手动增益模式，在手动增益模式下，摄像机的图像增益和曝光时间可调。

在具体布置时，根据安装平台的条件许可，将水下照明光源3与水下摄像机4分开适当距离，并使照明视场与成像视场相交于观察区域，尽量减小视场重叠区域的体积。

在水下照明光源3的出射处设置起偏器5，使光线变为偏振光，利用偏振光对水下目标进行照明；在水下摄像机4镜头前设置检偏器7，其检偏方向与起偏器5的起偏方向垂直，通过起偏和检偏抑制水体产生的后向散射，使目标反射光得到相对增强，提升图像质量。

图像处理模块2对水下摄像机4获取的水下视频进行背景剔除运算，可检测水下环境异动，实现告警。首先，图像处理模块2保存正常情况下的水下场景图像作为基准图像，然后开启告警模式，即对随后采集到的每一帧图像都与基准图像做相减运算，如果差图像为零，则表明场景无异动，如果差图像出现明显轮廓，则说明场景中出现了外来目标，应该发出告警信息。图像处理模块2还可以通过串口控制水下照明光源3开启和关闭以及调节光源功率大小，还可以调节水下摄像机4的增益、曝光时间等成像参数。

图像处理模块2可以与外部控制器1(或计算机)通信，以便外部控制器1能够控制水下电视的成像过程，例如控制水下照明光源3的功率及水下摄像机4的成像参数，对视频数据进行下载及进一步处理等，这有利于高性能水下电视融入自动化及智能系统。

本设计中水下电视各模块所需电源由外部提供。

实施例2，在实施例1的基础上，水下照明光源3选用30W高亮LED白光光源，外形为Φ70×120mm圆柱，反光杯6锥顶角为35°，长度80mm，LED灯置于锥顶处，反光杯6内壁进行黑色氧化以减小反射率，水下照明光源3内部带有一个光源功率调节器，可以由图像处理模块2通过串口控制。水下摄像机4选用高灵敏度CMOS摄像机，分辨率为1920×1080，视频流格式为H.265，成像视场为25°。

实施例3，在实施例1的基础上，高性能水下电视安装在小型UUV的前方左右两侧，UUV的直径为Φ260mm，如图2为安装俯视图，左边为水下照明光源3，右边为水下摄像机4，图3是沿UUV正前方观察的视图。高性能水下电视各功能模块由UUV上的12V直流电源供电。

水下照明光源3的光轴与水下摄像机4的光轴互相平行，水平距离为330mm，根据照明视场35°及成像视场25°设计，可绘制出照明视场和成像视场在5米范围内的交叠关系，如图4所示。

实施例4，在实施例1的基础上，图像处理模块2安装在UUV的内部，通过一个串口来控制水下照明光源3的功率调节器，用以对水下照明光源3进行开关及功率调节。图像处理模块2还通过网口对水下摄像机4的成像参数进行设置，将摄像机切换至手动增益模式，图像增益及曝光时间由程序控制。

水下摄像机4输出的H.265视频通过网口输入图像处理模块2，经剔除背景图像处理后，再经另一个网口将视频输出到UUV上的控制器1，UUV据此做出相应的决策。

实施例5，在实施例1的基础上，本设计的控制器1可以采用高性能的单片机，体积较小，且性能优越，利于集成化设计。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种高性能水下电视，包括水下照明光源、起偏器、检偏器、水下摄像机和图像处理模块，其特征在于，所述水下照明光源与水下摄像机在同一水平面上分开布置，照明光轴和成像光轴汇聚在待拍摄目标上，水下照明光源的出射处设置起偏器，偏振方向为水平方向，水下摄像机镜头前设置检偏器，检偏方向为竖直方向，其检偏方向与起偏器的起偏方向垂直，照明光线经起偏器后变成偏振光对水下场景进行照明，目标反射光经检偏器检偏后进入水下摄像机成像，摄像机输出的水下目标原始视频经图像处理模块进行背景剔除后形成最终视频，获得水下异动信息。

2.根据权利要求1所述的一种高性能水下电视，其特征在于，所述水下照明光源为高亮LED光源，利用一个圆锥形反光杯限制水下照明视场，将LED光源放置于锥顶处，照明视场角度即为锥顶角，反光杯内壁作氧化发黑处理。

3.根据权利要求2所述的一种高性能水下电视，其特征在于，所述水下摄像机输出的H.265视频通过网口输入图像处理模块，经剔除背景图像处理后，再经另一个网口将视频输出到外部控制器。

4.根据权利要求1所述的一种高性能水下电视，其特征在于，所述水下摄像机为高灵敏度高清数字CMOS摄像机，自带镜头，成像视场小于照明视场，具有切换自动/手动增益模式，在手动增益模式下，摄像机的图像增益和曝光时间可调。

5.根据权利要求1所述的一种高性能水下电视，其特征在于，所述图像处理模块的处理过程如下：首先，图像处理模块保存正常情况下的水下场景图像作为基准图像，然后开启告警模式，即对随后采集到的每一帧图像都与基准图像做相减运算，如果差图像为零，则表明场景无异动，如果差图像出现明显轮廓，则说明场景中出现了外来目标，发出告警信息。

6.根据权利要求4所述的一种高性能水下电视，其特征在于，所述图像处理模块还可以通过串口控制水下照明光源开启和关闭以及调节光源功率大小，还可以调节水下摄像机的增益、曝光时间。

7.根据权利要求1所述的一种高性能水下电视，其特征在于，所述图像处理模块连接外部控制器或计算机，进行显示、存储后续处理。

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