[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

本發明屬于水下圖像處理技術領域，公開了一種基于物理模型的光源優化方法及優化系統，構建水下相機模型、構建水下光源模型、構建水效應模型、構建完整的水下光學成像模型、仿真方法參數設定、圖像質量評估標準、優化算法、實驗驗證。本發明具有較強的實用性和推廣性，通過實驗表明在構建的水下光學成像模型基礎上提出的仿真算法在真實實驗場景中實用可靠，不僅可以用于水下單光源優化照明，也適用于水下多光源照明。本發明具有較強的自適應性，對于不同的水下環境都可進行建模并遵循發明中方法進行研究；結合相機參數，水效應參數以及光源參數綜合考慮詳細的介紹了影響水下成像效果的因素，相較于傳統水下成像模型更加全面具體。

技術領域

本發明屬于水下圖像處理技術領域，尤其涉及一種基于物理模型的光源優化方法及優化系統。

背景技術

目前，最接近的現有技術：

水下成像技術是海洋探測的重要內容，廣泛應用于深水考古，生態調查，水下三維地形繪制和水下目標識別等領域。水下運動平臺(例如自主式水下航行器-AUV，有纜式水下機器人-ROV和水下拖曳系統)攜帶相機到指定的作業區域捕獲水下目標的圖像數據來進行有效的分類和識別工作。因此，獲得高質量的水下圖像數據對于提高上述水下任務的準確性具有重要意義。然而，在水下世界中沒有自然光或沒有足夠的陽光，機器人必須攜帶自己的光源來幫助水下相機捕捉所需的圖像。當光線通過水這種介質時，會發生吸收和散射效應。吸收效應導致光子被粒子吸收后光束中的光通量損失，主要影響圖像顏色，導致獲取的圖像呈現綠色或藍色外觀。散射效應的發生是由于光子在與粒子碰撞后改變了傳播方向，主要降低了圖像可見度，使圖像中呈現出“面紗”效果。以上光在水下的衰減效應發生在從光源到水下相機的整個路徑上，與光傳播的距離有密切關系。水下作業過程中，水下光源良好的照明對于相機的輔助作用意義重大，不良的光源投射方向會造成大量光線投射到觀測場景之外使觀測區域亮度下降，也會造成圖像局部曝光過強的光照不均問題或加重水效應對成像效果的影響。

由于海洋或水下實驗成本高，因此一個有效的辦法是通過構建水下物理模型進行仿真實驗預測在相應的探測環境中的水下光源投射方向。為改善水下圖像成像質量、提升水下任務的準確率，需要對水下成像影響進行詳細分析，構建物理模型以降低各類因素對成像效果的影響，有重要的實際應用價值?，F存的水下成像技術研究有Jaffe-McGlamery模型等。傳統的水下成像模型側重研究水效應對成像的影響，缺乏對于綜合因素及面向特定水下運動平臺的考慮。因此，亟需一種新的物理模型的光源優化算法及其仿真方法，以綜合考慮各種影響因素，解決現有技術存在的問題。

綜上所述，現有技術存在的問題是：

傳統的水下成像模型側重研究水效應對成像的影響，缺乏對于綜合因素及面向特定水下運動平臺的考慮。

現有技術中，獲取圖像品質差，在水下采集的圖像數據常常存在光照不均問題。

現有技術中，由于水質不同(如衰減系數)，相同設備在不同的水域采集水下圖像質量，為獲得良好圖像，光源需要以不同角度提供照明。

解決上述技術問題的難度：

1.研究水效應模型的機構和研究人員側重模型構建和仿真，驗證時偏重于靜態的水池實驗或是海水中進行擺拍式實驗，多數沒有研究過海洋機器人的背景，如AUV作為一個運動載體在水下成像過程中對成像的影響。研究海洋機器人的機構和研究人員更側重工程實用性，對于模型構建的精細度不夠高；2.現有技術在條件允許的情況下，可以根據經驗人為干預水下光源成像角度來捕獲良好水下圖像，對于海洋探測和研究，人無法潛入深海去調節光源角度解決水下成像光照不均問題；3.世界各地水域水質差異較大，同一水域不同深度的衰減系數也各不相同，獲取精確的水效應參數是一個技術難題。

解決上述技術問題的意義：