[發明專利]一種水下拍攝及圖像處理裝置及方法

在審

• 申請號: 202010102371.6
• 申請日: 2020-02-19
• 公開（公告）號: CN111263044A
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發明（設計）人: 明梅;劉卿卿;馬信源;居彩華
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: H04N5/225
• 分類號: H04N5/225;H04N5/217;H04N5/232;H04N9/73
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

1.一種水下拍攝及圖像處理裝置，其特征在于，包括：鏡頭(2)、與鏡頭相連的CMOS傳感器模塊(3)、圖像處理系統、防水罩(5)以及與鏡頭連接的電源；所述圖像處理系統包括圖像壓縮處理模塊(4)、主控模塊(7)和圖像傳輸模塊，所述圖像處理模塊(4)在主控模塊(7)的控制下將鏡頭采集的圖像或視頻進行壓縮和預處理，通過圖像傳輸模塊將圖像傳輸至上位機；所述防水罩(5)為封閉且透明的箱體，鏡頭(2)、CMOS傳感器模塊(3)設于防水罩(5)內部，并通過固定板(1)與防水罩(5)連接并固定。

2.根據權利要求1所述的水下拍攝及圖像處理裝置，其特征在于，所述預處理包括圖像去霧和圖像增強。

3.根據權利要求1所述的水下拍攝及圖像處理裝置，其特征在于，所述所述圖像傳輸模塊通過水密線纜與上位機連接。

4.根據權利要求1所述的水下拍攝及圖像處理裝置，其特征在于，所述主控模塊(7)與圖像處理模塊(4)之間采用TCP/IP全雙工通信模式進行數據傳輸。

5.根據權利要求1所述的水下拍攝及圖像處理裝置，其特征在于，所述防水罩(5)內部頂端設有照明燈(6)。

6.根據權利要求1所述的水下拍攝及圖像處理裝置，其特征在于，所述防水罩(5)為亞克力玻璃材質。

7.一種水下拍攝及圖像處理方法，采用上述任一項權利要求所述的水下拍攝及圖像處理裝置，其特征在于，包括以下步驟：

(1)將水下拍攝及圖像處理裝置放入水中，此時主控模塊關閉；

(2)待裝置下降到一定深度后，通過鏡頭拍攝圖像或視頻，將原始圖像傳輸至上位機；

(3)啟動主控模塊，控制圖像處理模塊對采集的圖像或視頻進行預處理，壓縮后傳輸至上位機；

(4)移動裝置，拍攝圖像或視頻，再次進行預處理和傳輸步驟。

8.根據權利要求7所述的水下拍攝及圖像處理方法，其特征在于，所述步驟(3)中的預處理包括以下步驟：

(31)建立水下成像的數學模型：

I^total(x，y)＝D(x，y)+B(x，y)

I^total(x，y)表示采集到的水下原始圖像，D(x，y)為物體表面反射的光經過水體衰減和經過前向散射作用后到達探測系統的光強；B(x，y)為由水下粒子后向散射產生的水下背景光強；

D(x，y)和B(x，y)的表達式分別如下所示：

D(x，y)＝L(x，y)e^{-β(x，y)ρ(x，y)}

L(x，y)為水下目標有效幅值信息，它既包含水下目標的直接輻射信息，又包含水下目標信息傳輸過程中與水中粒子撞擊產生的前向散射；

水下傳輸率為：

t(x，y)＝e^{-β(x，y)ρ(x，y)}

其中，β(x，y)表示水體對光的吸收和散射的總衰減系數；ρ(x，y)是光源與成像系統之間的相對距離；

B(x，y)＝B_∞(1-t(x，y))

其中，B_∞表示水下無窮遠處的背景光強，是水體的固有參數，t(x，y)表示光在水下的傳輸率；利用式I^total(x，y)的表達式可以求出成像系統的光強表達式為：

I^total(x，y)＝L(x，y)t(x，y)+B_∞(1-t(x，y))

聯立以上公式，得到水下傳輸率的表達式：

進一步求得成像系統獲得的圖像的光強表達式：

(32)為求解水下傳輸率，估算無窮遠處背景光；在暗原色先驗的基礎上，引出了亮原色原理的方法估計無窮遠處的背景光強值，亮原色的表達式為：

L^bright＝max_{c∈{r，g，b}}(max_{z∈Ω(x，y)}(L^c(z)))

其中L^c表示輸入圖像的一個顏色通道，Ω(x，y)表示以(x，y)為中心的圖像區域；亮通道圖像時輸入圖像經過兩次最大值計算得到的；此時，獲取到的水下圖像的模型可表示為：

I^total(x，y)＝L(x，y)t(x，y)+B_∞(1-t(x，y))＝B_∞ρt(x，y)+B_∞(1-t(x，y))

其中，ρ為物體表面反射率，在亮通道中為常數1，亮原色的表達式可表述為：

L^bright＝B_∞

(33)對每個像素位置均對紅色通道的衰減進行補償，達到白平衡的效果，其數學表示為：

其中，I_r，I_g表圖像I的紅色和綠色通道，每個通道在其通道動態范圍上限歸一化到[0，1]區間中；和表示I_r和I_g的平均值；α表示恒定參數。