水下原位图像复原系统及其方法与流程

本发明涉及图像复原技术领域，具体涉及一种水下原位图像复原系统及其方法。

背景技术：

地球百分之七十以上的面积是海洋，广袤的大洋中蕴藏着丰富的渔业、矿业资源，这对于缓解人类所面临的越来越大的人口、资源、环境压力有着至关重要的作用，因此海洋信息的获取、传输和处理等理论与技术的重要性也更加凸显。

水下机器人作为探索海洋的重要手段之一，能够在水中长时间工作，执行水下观察、摄影、打捞和施工等任务，同时在军事上也有用武之地，用于侦察、布雷等。这些任务的成功都离不开对水中信息的获取，因此，现在的水下机器人大都配备了图像处理识别系统，水下信息获取的准确性也就具有了现实意义。

水下图像的典型特点表现如下：(1)水下成像最本质直接的物理特性即水体对光线的吸收导致光能量的衰减以及水分子和水中杂质引起的散射现象对光线的偏移，这些情况导致水下图像采集到的信息弱而模糊不清；(2)水下介质对各个波段的散射和吸收特性不一致，通常红波段衰减最为严重，这导致水下图像颜色失真。水下成像环境比陆上复杂得多且水下图像普遍质量较差，在对图像进行目标识别、图像分割等分析和处理之前，需将其进行预处理，增强图像的对比度，突出感兴趣的细节及特征，改善图像的视觉效果，提供直观、清晰、适合于分析的图像。因此，图像复原技术对于水下图像尤为重要，而水下复原方法的研究也有很强的实际应用价值。

国内外部分学者改进了直方图均衡化系列算法、小波变换和傅里叶变换等图像增强算法并用于水下图像的清晰化处理。例如王猛等人使用结合了同态滤波与小波变换的方法提高水下图像对比度，探讨了同态滤波在水下图像处理中的可发挥的作用。rafaelgarcia等分别使用同态滤波、照度域减法、局部直方图均衡化法处理水下图像，根据不同的效果说明其适用范围。李庆忠使用小波分解增强水下yuv空间的彩色图像。dr.jyotisinghai使用一种改进的直方图均衡化方法来处理水下图像，可以实现亮度保持，这种方法的准则是熵值最大，其研究成果于2007年在一次关于多媒体与计算机智能的国际会议上发表。国内发明专利方面，王建等人《一种基于湍流模型的水下图像复原方法》(申请号：cn201510086152)，首先将彩色水下图像由rgb空间转换到ycbcr颜色空间，采用双边滤波法对灰度分量进行平滑处理，求取基于湍流模型的退化图像，校正后得到复原图像。边信黔等人《基于散射模型的水下图像复原方法》(申请号：cn201010209306)，首先采用线性拟合法和平均法对所考虑水域的水下光线传播散射模型进行标定，总结出映射的全面约束条件，根据约束条件构造出分段映射函数实现图像复原。关于基于物理模型的水下退化图像复原方法，grosso、voss用实验方法测量水下的光学传递函数，但设备昂贵复杂难以实用。实验方法中也可用光的传递函数结合水体一维mtf信息，该方法数据较多，精度较高，但是实际在海下难以具备实验室的条件，因此通用性不好。

技术实现要素：

基于提到的上述问题，本申请通过提供一种水下原位图像复原系统及其方法，采用非盲复原方法，在已知点扩散函数(psf)的情况下，能够更准确地提取图像信息，获取清晰的图像，解决了水下拍摄图像的降质问题，提高了图像复原质量且适用于不同水质下的降质图像复原。

本申请采用以下技术方案予以实现：

一种水下原位图像复原系统，包括水下机器人框架、激光手电筒、ccd相机以及支架，所述水下机器人框架有n条处于同一水平面的横杆，n为大于等于3的整数，在每条横杆的一端均设置所述激光手电筒，在横杆的另一端设置所述支架，所述ccd相机安装在所述支架上，所述激光手电筒正对所述ccd相机，且所述激光手电筒发出的光束与所述ccd相机的镜头处于同一水平线上。

作为一种优选的技术方案，为了使所述激光手电筒发出的光束与所述ccd相机的镜头处于同一水平线上，在所述激光手电筒与所述水下机器人框架之间还设置有一定高度的方块，所述激光手电筒放置在所述方块上，用钢箍将所述方块与所述激光手电筒一起固定在所述水下机器人框架的横杆上。

一种水下原位图像复原系统的复原方法，包括如下步骤：

s1：构建水下原位图像复原系统，将所述ccd相机设置在所述水下机器人框架横杆的一端的不同位置处，在横杆的另一端设置有激光手电筒，同时测得所述ccd相机在距激光手电筒n个不同距离处的点扩散函数，n为大于等于3的整数；

s2：根据步骤s1中测得的点扩散函数以及体散射函数公式，确定该水下原位图像复原系统的点扩散函数；

s3：根据图像退化模型，得到水下降质图像的复原图像。

进一步地，步骤s2中根据以下公式来确定该水下原位图像复原系统的点扩散函数psf(θ)：

体散射函数：

空间频率：

式中，θ为角分量，k为常数，c为光束衰减因子，ω为散射反照率，cω为总衰减系数，τ＝kl为光学长度，k为总衰减系数，l为成像距离，θ0为多次散射的平均散射角，φ为方位角。

进一步地，步骤s3中图像退化模型为：

设水下拍摄单元要拍摄的场景为f(x,y)，经过光学成像系统后获得的图像g(x,y)＝f(x,y)*h(x,y)+n(x,y)，其中，(x,y)为坐标变量，h(x,y)为光学成像系统的点扩散函数，n(x,y)为加性噪声，*表示卷积。

作为一种优选的技术方案，步骤s1中，同时测得所述ccd相机在距激光手电筒10cm、15cm、20cm处的点扩散函数。

与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：

1、利用实验测量得到精确的点扩散函数，提高图像复原质量。根据图像退化模型，点扩散函数(psf)的精确性在很大程度上决定了图像复原的精确度。

2、可满足实时复原的要求。由于本发明采用ccd对光强信息进行实时接收，并通过信号处理系统保证信号的快速处理，可满足实时复原的应用要求。

3、本系统满足小型化、低成本、高性能等要求，对各种水体的实时水下图像复原有着十分重要的意义。

附图说明

图1为水下原位图像复原系统结构示意图。

具体实施方式

本基于提到的上述问题，本申请通过提供一种水下原位图像复原系统及其方法，采用非盲复原方法，在已知点扩散函数(psf)的情况下，能够更准确地提取图像信息，获取清晰的图像，解决了水下拍摄图像的降质问题，提高了图像复原质量且适用于不同水质下的降质图像复原。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。

实施例

一种水下原位图像复原系统，如图1所示，包括水下机器人框架1、激光手电筒2、ccd相机3以及支架4，所述水下机器人框架1有3条处于同一水平面的横杆，在每条横杆的一端均设置所述激光手电筒2，在横杆的另一端设置所述支架4，所述ccd相机安装在所述支架4上，所述激光手电筒2正对所述ccd相机3，且所述激光手电筒2发出的光束与所述ccd相机3的镜头处于同一水平线上。为了使所述激光手电筒2发出的光束与所述ccd相机3的镜头处于同一水平线上，在所述激光手电筒2与所述水下机器人框架1之间还设置有一定高度的方块5，所述激光手电筒2放置在所述方块5上，用钢箍6将所述方块5与所述激光手电筒2一起固定在所述水下机器人框架1的横杆上。

在本实施例中，采用螺栓和螺母7的结构将所述ccd相机安装在所述支架4上，所述支架4也是采用螺栓和螺母7的结构设置在所述水下机器人框架1的横杆上。

一种水下原位图像复原系统的复原方法，包括如下步骤：

s1：构建水下原位图像复原系统，将所述ccd相机3设置在所述水下机器人框架1横杆的一端的不同位置处，在横杆的另一端设置有激光手电筒2，同时测得所述ccd相机3在距激光手电筒10cm、15cm及20cm处的点扩散函数；

s2：根据步骤s1中测得的点扩散函数以及体散射函数公式，确定该水下原位图像复原系统的点扩散函数；

体散射函数：

空间频率：

式中，θ为角分量，k为常数，c为光束衰减因子，ω为散射反照率，cω为总衰减系数，τ＝kl为光学长度，k为总衰减系数，l为成像距离，θ0为多次散射的平均散射角，φ为方位角；

s3：根据图像退化模型，得到水下降质图像的复原图像。

其中，图像退化模型为：

设水下拍摄单元要拍摄的场景为f(x,y)，经过光学成像系统后获得的图像g(x,y)＝f(x,y)*h(x,y)+n(x,y)，其中，(x,y)为坐标变量，h(x,y)为光学成像系统的点扩散函数，n(x,y)为加性噪声，*表示卷积。

本申请的上述实施例中，通过提供一种水下原位图像复原系统及其方法，包括水下机器人框架、激光手电筒、ccd相机以及支架，所述水下机器人框架有n条处于同一水平面的横杆，n为大于等于3的整数，在每条横杆的一端均设置所述激光手电筒，在横杆的另一端设置所述支架，所述ccd相机安装在所述支架上，所述激光手电筒正对所述ccd相机，且所述激光手电筒发出的光束与所述ccd相机的镜头处于同一水平线上，本发明采用非盲复原方法，在已知点扩散函数(psf)的情况下，能够更准确地提取图像信息，获取清晰的图像，解决了水下拍摄图像的降质问题，提高了图像复原质量且适用于不同水质下的降质图像复原。

应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。