[發明專利]一種基于物理模型的光源優化方法及優化系統

有效

• 申請號: 201911033948.6
• 申請日: 2019-10-29
• 公開（公告）號: CN110851965B
• 公開（公告）日: 2023-05-12
• 發明（設計）人: 榮生輝;李騰躍;何波;曹雪婷;劉永彬;沈鉞;李光亮;年睿
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 北京匯捷知識產權代理事務所(普通合伙) 11531
• 代理人: 馬金華

1.一種基于物理模型的光源優化方法，其特征在于，所述基于物理模型的光源優化方法包括：

步驟一，構建水下相機模型：將ISO、A/D轉換、快門速度、尺度因子、相機鏡頭透射率和漸暈效果、白平衡參數、拜耳濾波器參數集成，得到水下相機模型；

步驟二，構建水下光源模型；

步驟三，構建水效應模型；

步驟四，構建完整的水下光學成像模型：結合步驟一至步驟三的水下光學成像模型的所有因素，構建完整的水下光學成像模型；

步驟五，仿真方法參數設定：利用步驟四得到的完整水下光學成像模型，輸入相關參數；

步驟六，圖像質量評估標準：在步驟五中設置參數，進行仿真得到水下仿真照明圖像，并評價仿真圖像質量，以及定義加權品質函數；

步驟七，優化算法：通過輸入模型參數和設置光源角度獲得的仿真結果各自對應一個圖像品質函數值，多張仿真圖像作為優化過程中的輸入數據；結合光源角度使用梯度下降算法計算品質函數值的梯度，通過數值有限差分找到有效步長，確定有效步長后優化算法將重復在梯度方向上進行計算，直到達到最大迭代；

步驟一中，將相機鏡頭透射率和漸暈效果融入到水下相機模型中，通過調節白平衡參數來對場景照明進行補償降低圖像色偏，在水下相機模型中使用拜耳濾波器參數作為相機相對靈敏度衡量因素；

水下相機模型為：

其中，E_c表示到達相機CCD芯片的光照強度，k表示全局尺度因子，b表示白平衡參數，c表示相機相對靈敏度，T_l表示相機鏡頭透射率，f_n表示相機的f參數，φ表示相機的中心線與光線到達相機鏡頭的夾角；

步驟二中，光線的光照強度與光軸夾角關系為：

其中，I_θ(λ)為在角度為θ時的相對光照強度，I₀(λ)為沿著光軸方向的最大光照強度；

步驟三中，水效應模型表示為：

步驟四中，完整的水下光學成像模型，如下：

步驟五中，所述仿真方法參數的設定具體包括：

1)根據相機手冊，輸入未失真圖像的焦距f，CCD尺寸；

2)漸暈效應參考Jaffe模型進行設置；

3)相機白平衡參數b和相機相對靈敏度參數c使用在實驗水域拍攝圖像時的對應參數；

4)相機全局尺度因子k參考像素值與計算的絕對光照強度值進行比較來獲得；

5)紅色，綠色，藍色峰值波長分別選取650nm，510nm和440nm；

6)光源的波長對應的相對強度使用光譜儀的測量值；

7)水衰減系數η的選取；

8)水下目標反照率r的設定；

9)品質函數的權重選用經驗值[0.2,0.2,0.6]進行計算；

10)在優化過程中，采樣角度在β₁開始到β₂結束，間隔為Δ，共計張仿真圖像；

11)仿真過程中視目標區域為平坦區域，相機垂直拍攝目標區域。

2.如權利要求1所述的基于物理模型的光源優化方法，其特征在于，步驟六中，加權品質函數為：

Q＝Q_g+Q_e-Q_r；

其中，Q_g，Q_e和Q_r分別表示圖像梯度，圖像綠色通道熵值以及圖像綠色通道中像素比例的歸一化因子。

3.如權利要求1所述的基于物理模型的光源優化方法，其特征在于，步驟七后，還需進行實驗驗證，通過比較實驗數據的信息熵值驗證算法有效性，其驗證算法公式為：

其中，l是圖像灰度級，p(l)是圖像矩陣中每個灰度級出現的概率，H是圖像信息熵值；

對所拍攝的四種角度的中間圖像做圖像信息熵計算并對比得到當相機距離海底1米時，光源角度為40°時，圖像信息熵值最大；當相機距離海底2米時，光源角度為25°時，圖像信息熵值最大。

4.一種實現權利要求1～3任意一項所述基于物理模型的光源優化方法的信息數據處理終端。