水下視頻監(jiān)控系統(tǒng)光場(chǎng)分布與成像效果研究

田魯軍 吳孟軒 賈 鵬 王振

摘要：水下生產(chǎn)系統(tǒng)長(zhǎng)期在水下工作運(yùn)行，會(huì)出現(xiàn)落物拋錨、海底腐蝕等現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生失效，因此進(jìn)行深海視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究，以便對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。基于對(duì)深海視頻監(jiān)控系統(tǒng)的工作環(huán)境進(jìn)行分析，結(jié)合技術(shù)指標(biāo)對(duì)深海視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行方案研究；根據(jù)水下光學(xué)特性建立水下照明光場(chǎng)分布函數(shù)，得到影響照明燈輸出光通量的因素；考慮在水下可見光散射作用下攝像機(jī)成像所需要照明燈輸出的光通量確定攝像機(jī)和照明燈的位置分布；通過計(jì)算圖像對(duì)比度和信噪比得到深海視頻監(jiān)控系統(tǒng)的有效觀察范圍，最后通過試驗(yàn)證實(shí)攝像機(jī)與照明燈夾角為60°時(shí)得到最好的成像效果。研究結(jié)果可為固定式水下視頻遠(yuǎn)距離全視景成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：水下；監(jiān)控系統(tǒng)；光場(chǎng)分布；成像效果

中圖分類號(hào)：TE952文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.3969/j.issn.10013482.2024.02.003

由于海底工程設(shè)備長(zhǎng)期在水下工作，面臨著如海洋污損生物附著引起的腐蝕和污損、海底洋流和漁船產(chǎn)生的落物等諸多問題，所以需要對(duì)設(shè)備及其周邊的工作環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)距離全視景成像，以此來預(yù)警風(fēng)險(xiǎn)及保障設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行［1］。

海底環(huán)境較為復(fù)雜，為提高可靠性，水下視頻成像系統(tǒng)一般采用閉路電視成像技術(shù)。在水下成像設(shè)備性能方面，董會(huì)［2］等人設(shè)計(jì)了基于反攝遠(yuǎn)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。西安光機(jī)所研制了一款用于水下50 m深度的SS1000型水下成像系統(tǒng)，主要由外殼、保護(hù)罩、水下攝像鏡頭和高精度攝像機(jī)組成，距離選通脈寬控制范圍為0.02～2 .00 ms，在南海油田進(jìn)行海洋開發(fā)輔助設(shè)備和水下觀測(cè)［3］。中國(guó)工程物理研究院［4］研制的水下距離選通成像系統(tǒng)采用532 nm波長(zhǎng)、400 mJ單脈沖能量的激光器作為光源，結(jié)合3 ns最小門寬、1 024×1 024像素的攝像機(jī)作為選通器件和圖像接收器使用DG535型脈沖發(fā)生器進(jìn)行激光脈沖和攝像機(jī)選通門的精確延時(shí)和控制功能。曹美［5］等人采用暗原色算法對(duì)圖像進(jìn)行去模糊，對(duì)去模糊后的圖像進(jìn)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(qiáng)框架，降低了增強(qiáng)圖像中噪聲的增加。在成像設(shè)備布置方式的研究方面。

第53卷第2期田魯軍，等：水下視頻監(jiān)控系統(tǒng)光場(chǎng)分布與成像效果研究石油礦場(chǎng)機(jī)械2024年3月目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)水下遠(yuǎn)距離全視景成像性能的研究較少。徐洪梅［7］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(chǎng)，提高了水下光學(xué)成像距離。韓捷飛［8］等人使用偏振成像技術(shù)提高了遠(yuǎn)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(duì)水下光源進(jìn)行特殊定制，限制了應(yīng)用的場(chǎng)景。此外，現(xiàn)有研究均未涉及水下全視景光學(xué)成像效果。

1水下視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

水下視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按各部分功能劃分為控制單元、集成電機(jī)單元、海洋污著防護(hù)單元、水下成像系統(tǒng)和對(duì)接安裝單元等，如圖1所示?？刂茊卧獙?duì)整個(gè)系統(tǒng)提供電力和通信信號(hào)；集成電機(jī)單元為水下成像系統(tǒng)在水平面內(nèi)0～360°的旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力；海洋污著防護(hù)單元安裝在照明單元和攝像單元上，重點(diǎn)保護(hù)攝像艙和照明艙的玻璃罩不被海洋污著生物附著。水下成像系統(tǒng)主要由照明單元、攝像單元和連接軸組成，照明單元和攝像單元中的舵機(jī)可帶動(dòng)攝像機(jī)和照明燈在豎直面內(nèi)±60°范圍內(nèi)做俯仰運(yùn)動(dòng)，對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)及其周圍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)；對(duì)接安裝單元主要有整體支架和固定基座組成，整體支架搭載控制單元、集成電機(jī)單元、海洋污著防護(hù)單元和水下成像系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的安裝和回收，固定基座安裝在水下管匯上，用于與整體支架對(duì)接。

2散射作用下照明光通量計(jì)算和成像效果研究

2.1散射作用下照明燈光通量計(jì)算

前向和后向散射的影響導(dǎo)致攝像機(jī)接收到的光照度不只是直射光產(chǎn)生的［9］，而且由于水質(zhì)不同，水中懸浮物對(duì)光的散射就不一樣［10］，但是由于散射光的計(jì)算非常復(fù)雜，因此只對(duì)特定位置關(guān)系的成像系統(tǒng)和目標(biāo)物進(jìn)行散射光計(jì)算。

選擇2個(gè)具有代表性的位置進(jìn)行計(jì)算，即，攝像機(jī)與目標(biāo)物距離為1 m、攝像機(jī)與水平面夾角為-60°和攝像機(jī)與目標(biāo)物距離15 m、攝像機(jī)與水平面夾角為60°這2個(gè)位置進(jìn)行計(jì)算。

若照明燈發(fā)出的光強(qiáng)為IZ， 反光面積為S′的目標(biāo)物處照度的計(jì)算公式為：

EM=IZr2×e-cr （1）

式中：c 為海水可見光衰減系數(shù)，m-1；r為照明燈與目標(biāo)物之間的距離，m；EM 為目標(biāo)物面積元ds上的照度，lux；IZ 為照明燈發(fā)光強(qiáng)度，cd。

假設(shè)照明燈所發(fā)出的光全部照在目標(biāo)物上，則可認(rèn)為目標(biāo)物滿足達(dá)朗伯定律的漫反射目標(biāo)，即各個(gè)方向上光線亮度相同，因此S′上的亮度LM可以表示為：

LM=ρ×EMπ （2）

式中：ρ為水下目標(biāo)常規(guī)反射系數(shù)。

當(dāng)照明燈發(fā)出的光強(qiáng)為IZ 時(shí)，目標(biāo)物收到的總照度為［11］：

E′M=IZr2×（e-cr+c1kre-kr+c2kre-2kr） （3）

其中：c1=［2.5-1.51g（2π/δz）］/4π；

c2=（7/4π）［2.5-1.51g（2π/δz）］（2π/δz）1/2

式中：k為符合達(dá)朗貝爾規(guī)律漫反射光的體積衰減系數(shù)，m-1；δz為照明燈光束的全張角，rad。

根據(jù)公式（2）～（3），可將攝像機(jī)可接收到的光通量ΦS1表示為：

ΦS1=λ×LM×S′L2×π×D24×e-cl （4）

式中：（π×D2）/4為攝像機(jī)接收光的面積，m2；λ為攝像機(jī)透過率。

由小孔成像可知，攝像機(jī)傳感器上畫面大小與實(shí)際目標(biāo)物尺寸之間的關(guān)系為：

S′=lf2×S″（5）

式中：S′為實(shí)際目標(biāo)物尺寸，m2；l為目標(biāo)物與攝像機(jī)之間的距離，m；f為攝像機(jī)焦距，mm；S″為攝像機(jī)傳感器面積，m2。

由公式（3）～（5）可得攝像機(jī)所接收到的直射光照度ESZ：ESZ=ρλlz4F2e-cr-cl+kr4π×（2.5-1.51g2πδz）×［1+7e-kr2πδz］e-kr-cl （6）

式中：F為攝像機(jī)的光圈的倒數(shù)。

根據(jù)公式（6）可以將攝像機(jī)接收到的來自目標(biāo)物的散射光寫ESS為：ESS=ρλlz［kl（1+72e-kl）］7.81F2e-cr-cl+kr4π（2.5-1.51g2πδ）×［1+7e-kr2πδ］e-kr-kl（7）式中：δ為水下目標(biāo)物反射光全張角，rad。

攝像機(jī)所接收到的來自目標(biāo)物的總照度為：

ES=ESS+ESZ （8）

水下目標(biāo)反射率典型值ρ=0.2，根據(jù)攝像機(jī)基本參數(shù)可知，攝像機(jī)光圈倒數(shù)F=1.6～4.4；當(dāng)光圈越小時(shí)，照明燈提供的光通量越大，否則照明燈提供的光通量越小，因此取F=1.6，取攝像機(jī)鏡頭通過率λ=0.85、k=0.074［12］、c=0.2、δz=2π/9及δ=π。將以上參數(shù)帶入公式（6）、（7）及（8）可得到攝像機(jī)接收到的總照度。

當(dāng)攝像機(jī)與水平面成-60°夾角，與照明燈相距l(xiāng)=1 m，照明燈與目標(biāo)物相距r=0.5 m，可得到攝像機(jī)接收到的總照度與照明燈發(fā)射光通量之間的關(guān)系為：

ES=0.022 2IZ （9）

且水下照明燈的發(fā)射光照度與光通量之間的關(guān)系如下：

IZ=ΦZΩ=ΦZ4πsin2（ΦZ/4） （10）

2.2深海視頻監(jiān)控系統(tǒng)成像效果研究

成像系統(tǒng)能夠接收到的散射光與許多因素有關(guān)，其中包括照明燈光束、攝像機(jī)視場(chǎng)和空間位置分布，把攝像機(jī)照明燈的位置進(jìn)行合理配置可以有效提高成像系統(tǒng)所捕捉到的圖片質(zhì)量。將照明燈的角度配置作為獨(dú)立變量，通過分析光通量與圖像對(duì)比度的相關(guān)性對(duì)光源角度配置進(jìn)行研究。

水下圖像對(duì)比度C計(jì)算式［13］為：

C=LM-LBLB（11）

式中：LM為攝像機(jī)捕捉到的目標(biāo)物的亮度，cd/m2；LB為背景亮度，cd/m2。

對(duì)于目標(biāo)物與攝像機(jī)距離為l的散射體積元dV=ds×dl，如圖2所示。

圖2后向散射計(jì)算模型圖2中，dl為攝像機(jī)軸線上的長(zhǎng)度元，ds為垂直于該軸線且以攝像機(jī)視角為邊界的面積元［12］。由此，攝像機(jī)所接收到的的光照強(qiáng)度計(jì)算式為：

dI（θ）=β（θ）EM（l）dV （12）

式中：θ為攝像機(jī)與照明燈相對(duì)于散射體積元的夾角，rad；β（θ）為體積散射系數(shù)［14］，m-1·sr-1。

亮度定義公式為：

dL（l）=dI（θ）/ds （13）

根據(jù)亮度定義公式，則dV產(chǎn)生向后散射的亮度為：

dL（l） =EM（l）β（θ）dl（14）

與光源距離為l的散射體積元，其光照度E（r）由公式（3）表示，將公式（3）代入公式（12）則攝像機(jī)的后向散射亮度dL（l）為：

dL（l）=β（θ）e-dI（θ）r2e-cr+2.5-1.51g2πδz·1+72πδz12e-kr·I（θ）k4πre-krdl? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （15）

將攝像機(jī)、照明燈和目標(biāo)物的幾何關(guān)系代入式（15）中，照明燈發(fā)出光束中靠近y軸的光線與攝像機(jī)軸線交點(diǎn)為（l1，0），將dL（l）在［l1，∞］區(qū)間積分得到光軸方向攝像機(jī)的背景亮度LB為：

LB=L（l1，∞）=∫∞l1dL（l）（16）

目標(biāo)物與攝像機(jī)之間的距離為l0，將dL（l）在［l1，l0］區(qū)間進(jìn)行積分，得到沿光軸方向的攝像機(jī)接收到目標(biāo)物與攝像機(jī)之間的水體產(chǎn)生的亮度LM為：

LM=L（l1，l0）=∫l0l1dL（l）（17）

由式（17）可得，當(dāng)目標(biāo)物與攝像機(jī)之間的距離為l0時(shí)，亮度為L(zhǎng)0的漫反射目標(biāo)物，攝像機(jī)成像的對(duì)比度C為：

C=L0+LM-LBLB（18）

如果不考慮成像系統(tǒng)本身對(duì)于信噪比的影響，可以將信噪比簡(jiǎn)化為：

SNR=L0LB（19）

照明燈內(nèi)外光束角與攝像機(jī)軸線的長(zhǎng)度l1，l2由攝像機(jī)與目標(biāo)物的距離l0和照明燈與水平面夾決定，因此公式（18）和（19）給出了圖像對(duì)比度C和信噪比SNR隨目標(biāo)物距離和照明燈與水平夾角的變化規(guī)律。對(duì)于位置已經(jīng)確定的目標(biāo)物，當(dāng)照明燈光束角和攝像機(jī)視場(chǎng)角一定時(shí)，照明燈光束重看部分的體積與內(nèi)外光線和攝像機(jī)視場(chǎng)的交點(diǎn)距離成正比，假設(shè)光束角和攝像機(jī)視場(chǎng)角相同，攝像機(jī)的視場(chǎng)剛好能看到完整目標(biāo)物，此時(shí)計(jì)算圖像對(duì)比度和信噪比的數(shù)值。

由公式（18）可知照明燈只要保持?jǐn)z像機(jī)的最低成像要求，改變照明燈的光通量對(duì)于圖像的對(duì)比度沒有影響，因此計(jì)算深海視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的成像對(duì)比度是否滿足要求即可確定該系統(tǒng)的有效工作范圍。

不同攝像機(jī)與目標(biāo)物距離，照明燈進(jìn)行-60°～+60°的俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)，圖像對(duì)比度如圖3所示。

圖3深海視頻監(jiān)控系統(tǒng)圖像對(duì)比度

圖像對(duì)比度隨著照明燈與水平面夾角的減小出現(xiàn)先增大后減小的情況，這是因?yàn)楫?dāng)照明燈跟隨攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，攝像機(jī)與水平面夾角的變化始終小于照明燈與水平面夾角的變化。隨著照明燈與水平面夾角的減小，照明燈的光線與攝像機(jī)的視線重疊區(qū)域逐漸減小，導(dǎo)致圖像對(duì)比度逐漸增大，當(dāng)夾角減小到一定程度時(shí)視線重疊區(qū)域面積逐漸增大，后向散射作用增強(qiáng)，圖像對(duì)比度逐漸減小，最佳圖像對(duì)比度出現(xiàn)在照明燈位于水平面以下40°的位置。

不同目標(biāo)物距離，照明燈進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)，信噪比隨與水平面夾角增大而減小，說明在與水平面夾角增大時(shí)，圖像中關(guān)于目標(biāo)物的有用信息越來越少，此時(shí)即使圖像的亮度和對(duì)比度滿足成像要求，攝像機(jī)捕捉到的圖像很可能是無效的。結(jié)合圖像對(duì)比度的趨勢(shì)圖（如圖3）和圖像信噪比圖（如圖4）來看在深海視頻監(jiān)控系統(tǒng)的攝像機(jī)和照明燈固定在某一角度位置進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，攝像機(jī)視場(chǎng)滿足觀察要求情況下，照明燈應(yīng)該盡可能保持在水平線以下為攝像機(jī)提供照度。

圖4深海視頻監(jiān)控系統(tǒng)信噪比

3水下視頻監(jiān)控系統(tǒng)試驗(yàn)研究

水下視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)水下設(shè)備生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，成像效果的好壞直接關(guān)乎系統(tǒng)的性能，因此需要對(duì)照明光通量輸出光通量因素和變化趨勢(shì)進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)比觀察不同距離目標(biāo)物時(shí)照明燈角度配置對(duì)于圖像質(zhì)量的影響。

3.1水下照明光場(chǎng)分布試驗(yàn)

使用預(yù)試驗(yàn)裝置針對(duì)陸上和水下環(huán)境的光場(chǎng)分布進(jìn)行試驗(yàn)，并且通過調(diào)整攝像機(jī)與照明燈方位驗(yàn)證深海視頻監(jiān)控系統(tǒng)攝像機(jī)與照明燈布置是否滿足成像要求。

水下試驗(yàn)平臺(tái)由12～24 V的直流電機(jī)、成像分辨板、OceanCAMIP型攝像機(jī)、SeaLED65型照明燈以及PLC控制器等組成，如圖5所示。

圖5水下視頻監(jiān)控系統(tǒng)試驗(yàn)裝置

通過賽式盤可以測(cè)試出試驗(yàn)水池的能見度為10.4 m，水質(zhì)衰減系數(shù)c為0.37，因此針對(duì)本試驗(yàn)水池需要對(duì)深海視頻監(jiān)控系統(tǒng)在目標(biāo)物為1倍衰減距離～1倍水質(zhì)能見度即27～104 m遠(yuǎn)的光場(chǎng)分布進(jìn)行分析。

3.2水下視頻監(jiān)控系統(tǒng)成像質(zhì)量試驗(yàn)

使用預(yù)試驗(yàn)裝置對(duì)于深海視頻監(jiān)控系統(tǒng)成像質(zhì)量進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2.1水下視頻監(jiān)控系統(tǒng)成像質(zhì)量試驗(yàn)步驟

1）通過導(dǎo)軌將照明燈固定在距離攝像機(jī)1 m遠(yuǎn)的位置。

2）將水下成像分辨率板下放到與深海視頻監(jiān)控系統(tǒng)距離3倍衰減距離的位置，在0～60°區(qū)間內(nèi)調(diào)整照明燈的角度，通過調(diào)節(jié)攝像機(jī)的焦距和光圈獲得3倍衰減距離位置最佳圖像效果，記錄該圖像，如圖6所示。

圖6試驗(yàn)中攝像機(jī)和照明燈的位置示意

3.2.2水下視頻監(jiān)控系統(tǒng)成像質(zhì)量分析

當(dāng)照明燈與攝像機(jī)夾角為10°時(shí)只能辨別圖像內(nèi)容物輪廓，圖像噪點(diǎn)多，當(dāng)照明燈與攝像機(jī)夾角為60°時(shí)效果最好且噪點(diǎn)相對(duì)較少，當(dāng)照明燈與攝修機(jī)夾角增加時(shí)噪點(diǎn)逐漸減少，四個(gè)典型位置中只有60°時(shí)圖像內(nèi)容物輪廓清晰，噪點(diǎn)相對(duì)較少，但整體均無法辨別內(nèi)容物細(xì)節(jié)，并且亮度差距不大，這是由于照明燈的全張角過大導(dǎo)致的攝像機(jī)視線與照明燈光線重疊部分增大，后向散射作用嚴(yán)重，即使照明燈輸出光通量可以滿足成像要求，圖像質(zhì)量也不滿足觀察細(xì)節(jié)的要求，拍攝效果如圖7所示，所以需要通過減小照明燈的全張角改善照明燈光線與攝像機(jī)視線重疊部分過大的問題。

圖7照明燈與攝像機(jī)不同角度下拍攝圖像

3.2.3試驗(yàn)結(jié)果分析

在目標(biāo)物距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于攝像機(jī)與照明燈間距時(shí)，攝像機(jī)與照明燈間距變化不會(huì)導(dǎo)致照明燈與目標(biāo)物之間的距離劇烈變化，照明燈在不同間距下輸出光通量保持平穩(wěn)變化，照明燈輸出光通量在攝機(jī)與照明燈夾角為36°時(shí)最大，一倍水質(zhì)透明度距離下照明燈輸出光通量隨攝像機(jī)與照明燈夾角變化最大;照明燈與攝像機(jī)的夾角處于0～60°時(shí)均無法辨別圖像內(nèi)容物細(xì)節(jié)，60°時(shí)圖像內(nèi)容物輪廓最為清晰，噪點(diǎn)相對(duì)較少。

4結(jié)論

1）根據(jù)特定位置的散射光計(jì)算得出攝像機(jī)得到的總照度和照明燈的光通量，為水下照明燈和攝像機(jī)的性能選擇提供參數(shù)。

2）照明燈隨著攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)視線重疊區(qū)域面積增大，后向散射作用也更強(qiáng)，在這種情況下圖片對(duì)比度逐漸減小成像質(zhì)量下降。當(dāng)照明燈位于水平面以下 40°的位置時(shí)成像質(zhì)量最好。

3）水下成像試驗(yàn)驗(yàn)證了在一倍水質(zhì)透明度距離下照明燈與攝像機(jī)的夾角處于 0～60°時(shí)均無法辨別圖像內(nèi)容物細(xì)節(jié)，60°時(shí)圖像內(nèi)容物輪廓最為清晰，噪點(diǎn)相對(duì)較少。

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