水下遠距離全視景成像特性分析

賈 鵬，朱春麗，王 振，尹 豐，孫 欽，韓云峰

(1.哈爾濱工程大學(xué) 機電工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028)

長期在海底工作的海底工程設(shè)備面臨如海底洋流和暗流的沖刷、海洋污損生物附著引起的腐蝕和污損、漁船的漁網(wǎng)拖拽和落物產(chǎn)生的破壞等。因此，需要對海底工程設(shè)備及周邊環(huán)境進行遠距離全視景視頻成像，預(yù)警外部風(fēng)險，保障海底工程設(shè)備的長期可靠穩(wěn)定運行。

為提高系統(tǒng)可靠性，適應(yīng)海底工作環(huán)境，水下視頻成像系統(tǒng)一般采用閉路電視成像技術(shù)。閉路電視技術(shù)成像效果主要取決于水下成像設(shè)備的性能、圖像處理算法和成像設(shè)備的布置方式。

在水下成像設(shè)備性能方面，董會[1]等人設(shè)計了基于反攝遠結(jié)構(gòu)的水下微光成像系統(tǒng)，改善了水下微光環(huán)境下成像效果。Bosch[2]等人設(shè)計了六攝像機系統(tǒng)的水下全向多攝像機系統(tǒng)，并提出了同時處理廣角鏡頭和非重疊鏡頭的內(nèi)、外參數(shù)估計的全標(biāo)定方法。張欣婷[3]等人設(shè)計了大視場的水下成像光學(xué)系統(tǒng)，對大視場系統(tǒng)產(chǎn)生的高畸變進行校正。在圖像處理方法的研究方面，聶瑛[4]等人通過紅光和綠光照明采集圖像的灰度線性差值去除散射噪聲信息，從而獲取較好的目標(biāo)圖像信息。李慶武[5]等人采用暗原色算法對圖像進行去模糊，對去模糊后的圖像進行顏色校正，提高了水下圖像的質(zhì)量。Dubok[6]等人提出了基于光學(xué)成像模型和非局部均值去噪的水下圖像增強框架，降低了增強圖像中噪聲。在成像設(shè)備布置方式的研究方面。張利[7]與張法全[8]等人研究了光源的角度對水下成像質(zhì)量的影響，得出成像距離不變，圖像襯度和信噪比隨光源角度變大而增大的規(guī)律。趙欣慰[9]等人分析了背景光與水體光學(xué)參數(shù)、相機-光源-景物空間位置等參數(shù)之間的關(guān)系，得出了自然和人工2種不同光照條件下的背景光簡化表達式。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對水下光成像的研究焦點多在通過改進成像設(shè)備和使用圖像處理降噪算法改善水下成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量，針對水下遠距離全視景成像性能的研究較少。徐洪梅[10]等人提出了使用基于菲涅爾透鏡的水下集束光源建立非均勻光場，提高了水下光學(xué)成像距離。韓捷飛[11]等人使用偏振成像技術(shù)提高了遠距離成像質(zhì)量。以上2種方法提高了水下光學(xué)成像距離和成像質(zhì)量，但是需要對水下光源進行特殊定制，限制了應(yīng)用的場景。此外，現(xiàn)有研究均未涉及水下全視景光學(xué)成像效果。

海底工程設(shè)備長期處于海洋環(huán)境中，復(fù)雜環(huán)境和第三方破壞會造成海底工程設(shè)備的故障和失效，因此，對海底工程設(shè)備周圍環(huán)境的全視景遠距離視頻成像的研究是必要的。本文針對固定式水下視頻成像系統(tǒng)進行成像性能研究，建立了水下遠距離全視景成像照度和襯度模型，并對遠距離全視景成像照度和成像襯度深入分析，為水下視頻遠距離全視景成像系統(tǒng)的設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 水下視頻成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水下視頻成像系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)主要包括對接鎖緊基座、整體支架、水下控制艙、水下電機艙、水下照明艙和連接軸等部件，如圖1所示。整體支架承載水下視頻成像系統(tǒng)各設(shè)備艙，被固定在基座上。水下控制艙接受外界的電力和通信信號，向各水下設(shè)備供電，同時對各水下設(shè)備進行控制。水下電機艙帶動水下照明艙和水下攝像艙進行水平方向的同步旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)水下攝像機的360°成像。

圖1 水下遠距離全視景視頻成像系統(tǒng)

水下照明艙結(jié)構(gòu)如圖2所示，內(nèi)部裝有照明燈、俯仰舵機和可編程控制器，提供可調(diào)整俯仰角度的水下照明，輔助水下攝像機進行全視景成像。水下照明艙外部設(shè)有紫外線殺菌燈，對玻璃半球進行海洋生物污損防護。

圖2 水下照明艙結(jié)構(gòu)示意

為簡化設(shè)計，水下攝像艙結(jié)構(gòu)與水下照明艙類似，照明燈被替換為高清攝像機，攝像機具備30倍變焦性能，配合水下電機艙的±180°水平旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對海底設(shè)備及周圍環(huán)境的全視景遠距離成像。

基座和整體支架采用可分離設(shè)計，當(dāng)水下設(shè)備被意外損壞或達到設(shè)計壽命時，可回收整體支架，更換損壞設(shè)備，延長整體工作壽命。

2 水下遠距離全視景成像光強分析

2.1 水下遠距離成像光照度分析

光在水中傳輸時被水體及水中微粒吸收和散射，導(dǎo)致水下光學(xué)成像系統(tǒng)的觀察距離很短。水下照明燈發(fā)出的光是圓錐形的，光束的全張角為φ，一般水下照明燈的全張角較小，可取為π/6。照明燈對目標(biāo)物的單位面積產(chǎn)生的直射照度Eod、散射照度Eos和總照度Eo為[12]：

(1)

(2)

Eo=Eod+Eos

(3)

式中：I0為照明燈初始發(fā)光強度；l為照明燈與目標(biāo)物光路距離；c為海水的體積衰減系數(shù)，k為散射光的衰減系數(shù)，一般c/k=2.7。

目標(biāo)物被照亮后，可以認(rèn)為其在各個方向上光亮度相同，即全張角φ= π的朗伯光源，則在各個方向上，目標(biāo)物的反射光亮度Lo為：

Lo=ρEoπ-1

(4)

式中：ρ為目標(biāo)物的反射率，取其典型值0.2。

目標(biāo)物反射的光經(jīng)過傳輸后進入攝像機的直射光通量Φcd和散射光通量Φcs可表示為[13]：

Φcd=LoSr2exp(-cr)·πD2/4

(5)

(6)

式中：S為目標(biāo)物的反射面積；r為目標(biāo)物與攝像機的距離，即成像距離；D為攝像機鏡頭直徑。

對于固定焦距f的水下攝像機鏡頭,其接收的回程直射光照度Ecd、回程散射光照度Ecs為[14]：

(7)

(8)

式中：f/D為鏡頭相對孔徑的倒數(shù)即光圈F，一般取1.2；τ為攝像機鏡頭的透過率，取為0.85。

以水質(zhì)清澈的南海為例，其水體體積衰減系數(shù)c約為0.23。假設(shè)照明燈與攝像機的距離為1.5 m，設(shè)定成像距離r為1倍水質(zhì)能見度，即15 m，可求得攝像機總接受光照度與照明燈光照強度關(guān)系為：

Ec=Ecd+Ecs=0.000 030 7I0

(9)

照明燈的光通量與光照強度的關(guān)系如下：

(10)

式中：Φ為照明燈光通量；I為照明燈發(fā)光強度。

結(jié)合式(9)和式(10)，即可求得攝像機最低照度與照明燈光通量的關(guān)系為Φ=47 883Ec。實際工作時，照明燈發(fā)出的光線經(jīng)過多次散射，因此應(yīng)選擇5～10倍計算值的照明燈光通量。

2.2 水下全視景成像光照度分析

為提高水下視頻成像效果，利用同步掃描原理，同時控制攝像機與照明燈的俯仰角度，使攝像機與照明燈的光軸在目標(biāo)物上交匯。

當(dāng)攝像機俯仰旋轉(zhuǎn)觀察不同角度的目標(biāo)物時，光源與目標(biāo)物之間的光路距離l也會改變，造成攝像機接收光照度的變化。攝像機處于不同水平旋轉(zhuǎn)角度、相同俯仰角度時，其接受的回程照度是一致的，因此，僅對不同攝像機俯仰角度的攝像機成像照度進行分析。

攝像機成像照度可由式(7)求得，對于相同的攝像機與目標(biāo)物距離r，僅需計算不同俯仰角度θ時的光路距離l，即可求得攝像機成像照度。

攝像機向照明燈相同一側(cè)旋轉(zhuǎn)，即向水平面下方旋轉(zhuǎn)時，水下成像光路如圖3所示。

圖3 攝像機向下觀察時的光路距離

此時，照明燈與目標(biāo)物的光路距離l與俯仰角度θ的關(guān)系為：

(11)

同理，攝像機向與照明燈相反一側(cè)旋轉(zhuǎn)即向水平面上方旋轉(zhuǎn)時，照明燈與目標(biāo)物的光路距離l與俯仰角度θ的關(guān)系為：

(12)

假設(shè)照明燈的初始光強度I0為3 000 cd，不同成像距離，攝像機進行-90 ～ 90°的俯仰運動時，攝像機最終接受到的光照度如圖4所示。提高成像距離，攝像機接收光照度顯著降低。相同成像距離，隨攝像機俯仰角的減小，接收光照度逐漸增大。當(dāng)成像距離較短時，接收光照度隨俯仰角度的減小而增加的比較劇烈。此外，攝像機向下觀察時，接收光照度較大。在實際工作中，攝像機一般觀察水平面左右及以下的海底設(shè)備，此時攝像機接收光照度更大，成像效果較好。

圖4 攝像機接收光照度隨成像距離和攝像機俯仰角度變化

以照明燈的初始光強度I0為3 000 cd，不同攝像機與照明燈距離，攝像機進行-90 ～ 90°的俯仰運動時，攝像機最終接受到的光照度如圖5所示。

圖5 攝像機接收光照度隨攝像機與照明燈距離和攝像機俯仰角度的變化

攝像機與照明燈的距離對接收光照度影響較小，相同攝像機與照明燈距離，隨攝像機俯仰角的減小，接收光照度逐漸增大。此外，提高攝像機與照明燈距離，攝像機接收光照度隨俯仰角的變化更劇烈。同時，將降低攝像機向上觀察時接收到的光照度，提高攝像機向下觀察時接收到的光照度，有利于對水平面以下的目標(biāo)物成像。

通過對水下遠距離全視景成像時攝像機接收照度分析可得，接收照度對監(jiān)測距離的變化較為敏感，而監(jiān)測角度的變化對接收照度的影響較小。將攝像機設(shè)置在照明燈上方，可提高水下攝像機對水平面以下區(qū)域的接受照度，符合實際工作需求。

此外，水下攝像機在最遠監(jiān)測距離，最大監(jiān)測角度為90°時取得最小接收照度，通過此照度即可確定水下攝像機的成像照度性能參數(shù)。

3 水下遠距離全視景成像襯度分析

3.1 水下成像襯度模型

水下成像效果的主要指標(biāo)是襯度，即圖像上不同區(qū)域間明暗程度的差異。水下視頻成像系統(tǒng)的成像畫面如果不能滿足人眼襯度視覺閥值，目標(biāo)物和背景無法被區(qū)分，視頻成像系統(tǒng)無法獲取有效的目標(biāo)物圖像，人眼襯度視覺閥值一般取0.02。

水下目標(biāo)物成像襯度C定義為[15]：

(13)

式中：Lo為目標(biāo)物在攝像機處亮度；Lb為背景亮度。

后向散射計算比較復(fù)雜，忽略多次散射，簡化后向散射計算模型如圖6所示。

圖6 后向散射計算模型

對于與光源距離為l的散射體積元dV，經(jīng)過r距離的傳輸后，攝像機接收到的由散射體積元dV產(chǎn)生的后向散射亮度dL(r)為：

(14)

式中：β(θ)為體積散射函數(shù)[16]。

海底設(shè)備體積較大，假設(shè)高度為5 m，成像距離為15 m，當(dāng)攝像機對整個設(shè)備進行觀察時，此時設(shè)備的頂部到底部，能進入攝像機的后向散射光線的體積散射角為153 ～ 173°，圖7為一些海域的體積散射系數(shù)實際測量值，在體積散射角為153 ～ 173°時，體積散射系數(shù)變化不大，為簡化計算，認(rèn)為進入攝像機的后向散射光體積散射系數(shù)為定值，可取15 m處的β(163°)=1×10-3。

圖7 不同海域的海水體積散射系數(shù)測量值

對式(14)積分，得到沿光軸方向攝像機接收到背景亮度Lb為：

(15)

目標(biāo)物與攝像機的距離為r0，將dL(r)在[r1，r0]區(qū)間進行積分，得到沿光軸方向攝像機接收到目標(biāo)物與攝像機之間的水體產(chǎn)生的亮度Lp：

(16)

因此，距離攝像機為r0處，亮度為Lo的漫反射目標(biāo)物，攝像機成像的襯度C為：

(17)

水下視頻成像系統(tǒng)需要對海底工程設(shè)備進行全覆蓋視頻成像，因此，對不同攝像機俯仰角度的攝像機成像襯度進行分析。

3.2 水下全視景成像襯度分析

由式(14)和式(17)可以看出，與攝像機距離固定為r的目標(biāo)物，僅需計算不同俯仰角度θ時的照明燈與目標(biāo)物的光路距離l，即可求得攝像機成像襯度，而不同俯仰角度對應(yīng)的照明燈與目標(biāo)物的光路距離l已由式(11)和式(12)求出。

不同攝像機與目標(biāo)物距離，攝像機進行-90 ～ 90°的俯仰運動時，攝像機成像襯度值如圖8所示，攝像機成像襯度隨著俯仰角的減小出現(xiàn)先增大后減小的情況，隨成像距離的增加而減小。此外，隨著成像距離的增加，成像襯度的變化更平穩(wěn)，高于最低成像閾值的俯仰成像角度增加，最高成像襯度所對應(yīng)的成像角度不斷提高，在較遠的成像距離時，最佳成像襯度均出現(xiàn)在-40°左右。

圖8 攝像機成像襯度隨成像距離和俯仰角度的變化

圖9給出了攝像機最大成像仰角隨成像距離的變化，隨著成像距離的增大，攝像機有效觀察角度范圍迅速減小，水下視頻成像系統(tǒng)對近處物體的視頻成像效果較好，對遠處角度較高物體的觀察效果較差。在15 m的監(jiān)測距離下，攝像機最大觀察仰角為25°，而低于0°的觀察俯角內(nèi)，攝像機成像襯度均高于閾值。

圖9 攝像機最大成像仰角隨成像距離變化曲線

成像距離固定為15 m，不同攝像機與照明燈距離，攝像機進行-90～ 90°的俯仰運動時，攝像機成像襯度值如圖10所示。增大攝像機與照明燈的距離，可以提高同一俯仰角度的攝像機成像襯度。相同攝像機與照明燈距離時，攝像機成像襯度隨成像俯仰角度的減小而先增大后減小。此外，提高攝像機與照明燈距離，攝像機成像襯度隨成像俯仰角度的變化較為劇烈，且不同攝像機與照明燈的距離下，最高成像襯度所對應(yīng)的成像角度基本不變，最佳成像襯度均出現(xiàn)在-40°左右。

圖10 攝像機成像襯度隨攝像機與照明燈距離和俯仰角度的變化

通過對水下遠距離全視景成像時攝像機成像襯度分析可得，不同監(jiān)測距離下，攝像機成像襯度隨俯仰角度的變化基本一致，隨監(jiān)測距離的增大，成像襯度迅速下降。攝像機與照明燈距離對不同俯仰角度的成像襯度影響較大，提高攝像機與照明燈距離，可顯著提高成像襯度，且不同俯仰角度成像襯度的差異變大。一般海底工程設(shè)備在海底，因此水下視頻成像系統(tǒng)主要觀察水平面及以下的目標(biāo)物，將攝像機設(shè)置在照明燈上方，將提高攝像機對水平面以下區(qū)域的觀察效果，符合實際工作需求。此外，攝像機在不同監(jiān)測距離下和不同攝像機與照明燈距離下，均在俯仰角度為-40°時取得最大成像襯度，實際應(yīng)用時，應(yīng)考慮將重點監(jiān)測海底設(shè)備放置于此角度以提高視頻監(jiān)測效果。

4 水下試驗

水下遠距離全視景視頻成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，因此進行中間試驗，使用簡單的結(jié)構(gòu)，安裝可直接用于水下的攝像機和照明燈，對水下遠距離全視景視頻成像系統(tǒng)的成像性能進行驗證。

水下遠距離全視景視頻成像系統(tǒng)測試裝置如圖11所示，由底座、支撐架、水下攝像機和水下照明燈組成。支撐架的頂部可以水平旋轉(zhuǎn)，模擬攝像機和照明燈的俯仰角度調(diào)整。試驗所使用水下攝像機型號為OceanCAM-IP，最低照度為0.01 lx；水下照明燈型號為SeaLED 65，可輸出3 000 lm的光通量，具備遠程調(diào)光能力。試驗場地如圖12所示的綜合試驗水池。

圖11 水下遠距離全視景成像測試裝置

圖12 綜合試驗水池

本次試驗分為2部分，分別設(shè)置不同的成像裝置與水下測試板的距離和角度，模擬實際工作時對海底工程設(shè)備的遠距離全覆蓋視頻監(jiān)測效果。

4.1 相對距離對成像效果影響的試驗

這是水下攝像機對水下測試板的成像效果受這兩者之間距離影響的試驗。試驗過程：

1) 使用賽氏盤測量試驗水池的水體透明度。

2) 固定攝像機與照明燈的距離為1.5 m。

3) 由近及遠調(diào)整水下測試板與水下攝像機的距離直至無法成像，記錄水下測試板的拍攝效果。

圖13展示了不同攝像機與測試板距離，攝像機正對測試板的成像效果。測得水池水質(zhì)能見度為10.4 m，試驗中，當(dāng)水下測試板與水下攝像機的距離小于4 m時，視頻圖像比較清晰，但是畫面過曝，不適合在成像器上觀看。隨著水下測試板與水下攝像機距離的逐漸增加，成像畫面變得昏暗，圖像質(zhì)量變差，而當(dāng)水下測試板與水下攝像機的距離超過12 m時，圖像非常模糊幾乎無法辨認(rèn)。

圖13 不同成像距離時的拍攝圖像

試驗結(jié)果證實，攝像機接收隨照度和成像襯度隨成像距離迅速下降，在1倍水質(zhì)能見度距離以上，攝像機基本不能接收到目標(biāo)物的反射光，且目標(biāo)物反射光混在背景光中，基本不能成像。

4.2 相對角度對成像效果影響的試驗

在攝像機和測試板之間的距離相同的條件下，試驗水下成像系統(tǒng)與水下測試板之間的相對角度變化對成像效果的影響。試驗過程：

1) 固定攝像機與照明燈的距離調(diào)為1.5 m。

2) 調(diào)整測試板與攝像機的距離為10 m。

3) 沿圓周方向移動水下測試板位置，使測試板與攝像機始終正對，與水下成像系統(tǒng)呈不同角度，記錄拍攝效果。

圖14展示了攝像機和測試板之間的距離相同，水下成像系統(tǒng)與測試板呈不同相對角度時的成像效果。水下測試板與攝像機同側(cè)時，成像質(zhì)量較差，與攝像機異側(cè)時，成像質(zhì)量較好。隨著水下測試板與水下成像系統(tǒng)角度的減小，成像畫面的亮度逐漸提高，成像質(zhì)量變得更好，俯仰角度過小時，由于畫面背景亮度的增加，圖像襯度略有下降。

圖14 水下成像裝置與水下測試板不同角度的拍攝圖像

試驗結(jié)果證實，攝像機接收隨照度隨俯仰角度的減小而逐漸再增大，成像襯度隨俯仰角度的減小而先上升后下降，在-40°左右取得最佳成像質(zhì)量。

5 結(jié)論

1) 通過對水下遠距離成像照度的分析，計算得出水下照明燈發(fā)出的光通量與水下攝像機接收的光照度之前的函數(shù)關(guān)系，為水下攝像機和水下照明燈性能選擇提供參數(shù)。

2) 攝像機接收光照度隨成像距離和俯仰角度的減小而增大，接收照度對監(jiān)測距離的變化較為敏感，而監(jiān)測角度的變化對接收照度的影響較小。攝像機設(shè)置在照明燈上方，可提高攝像機對水平面以下區(qū)域的接受照度，符合實際工作需求。

3) 攝像機成像襯度隨成像距離增加而迅速減小，隨俯仰觀察角度的減小而先增大后減?。浑S著成像距離的增大，最大觀察仰角從90°減小至最大成像距離15 m時的25°。提高攝像機與照明燈距離可以有效改善攝像機成像襯度。水下攝像機在不同監(jiān)測距離下和不同攝像機與照明燈距離下，均在俯仰角度為-40°左右時取得最大成像襯度。

4) 水下成像試驗驗證了水下成像系統(tǒng)的遠距離成像能力達到1倍水質(zhì)能見度，其成像質(zhì)量隨成像距離的增大而減小，隨俯仰角度的增大而先增大后減小，在-40°左右取得最佳成像質(zhì)量。