一种水下光场干预成像方法技术

本发明专利技术涉及水下成像领域，特别是一种水下光场干预成像方法，其特征在于，包括：A系统参数初始化；B像素、光束对象初始化；C模糊补偿式泛光照明；D人工交互选定照明区域；E区域光场生成；F区域光场计算成像。本发明专利技术提供的水下光场干预成像方法能实现光场能量空间分布的精细化控制，主要体现在两方面：精细化控制空间区域照明能量的有无；根据水体的吸收衰减参数以及照明区域的空间坐标属性对需要照明的区域进行照明能量的针对性分配，实现远距离上的强光场分布补偿和近距离上的弱光场后向散射最小化。最小化。最小化。

【技术实现步骤摘要】
一种水下光场干预成像方法


[0001]本专利技术涉及水下成像领域，特别是一种水下光场干预成像方法。

技术介绍

[0002]传统水下光电探测与成像通常搭建普通水下光源实现了水下光场能量分 布的静态投送，属于粗粒度的能量控制；一旦光场搭建完成，其景深、探测 距离、视角便无法改变，这就造成了系统功耗、体积、重量的上升，也会损 失一定的图像细节。动态海洋环境下的水下目标观测的另一个需求是实现近 距离目标的精细化成像，即高对比度、纹理细节成像，其在大坝开裂检修、 海参病虫害防治、水下考古等应用中具有重要作用。作者在这一部分提出了 在局部空间上使用细粒度的水下离散光场探测成像方法，其通过使用交互式 的动态光场控制方法进行兴趣区域内的光场能量投送，实现照明能量大小、 区域同目标位置、尺度的细粒度匹配，进而实现目标的高对比度和高分辨率 的成像。
[0003]光场能量空间分布与图像清晰度的关系，需要在不同的水质条件下通过 能量场的分布的不同方式来达到最佳的图像细节。目前先进的水下成像技术 使用了诸如“基于空间几何分离-层级光场技术”、“基于时间分离-距离选 通成像技术”、“空间分离-同步激光扫描”、“偏振态分离-偏振成像”等， 都是使用空间连续光场照明(也称作泛光照明)或用激光照明，其光场分布 或是太粗糙或是太局部化，其主要体现在以下两个方面：传统的照明模式是 一个光源在持续地亮，空间的每一个角度里面都是不可分、不可控的，这是 一种泛光照明的方式；使用激光进行照明时，空间光场就是一个点，扫描也 好、距离选通也好，某一个时刻上的能量分布就是一个点，或者一个切面。 光源参数无法得到智能化的调整导致了水下光场分布粗糙或者局部化，这是 以上系统在目标细节衬度提高上的一个关键问题。
[0004]研究数据表明水下光场能量的针对性分布可以提高水下目标成像质量， 对于已知位置的目标物成像，集中照明能量和能量的分布区域、去除不相关 区域的照明能量对成像衬度的提升很大，也就是对感兴趣的区域实现有效照 明，其他的区域能量尽量压低、关掉。

技术实现思路

[0005]为达到上述技术目的，本专利技术提供了一种水下光场干预成像方法，包括：
[0006]A：系统参数初始化
[0007]A1水体光学参数设置，A2坐标系构建，包括空间坐标系的构建，成像 单元CCD坐标系的构建，A3系统几何参数的确定输入，包括光轴距、光源 坐标、CCD坐标；
[0008]B：像素、光束对象初始化
[0009]在进行初次的场景扫描时需要尽可能地减小后向散射的影响，因此需要 进行不同的距离使用不一样的光束能量进行照明，初始化结束后，系统则以 光束对象中的初始化值进行每道光束辐照能量的投送，实现模糊补偿式泛光 照明；
[0010]C：模糊补偿式泛光照明
[0011]在模糊补偿式泛光照明条件下，水下空间中具有最大的光场分布区域， 非常适合对目标进行“探测性”成像，即在这样的成像视野内成像系统可以 给用户提供更多的场景信息，主要是目标的有无；
[0012]D：人工交互选定照明区域
[0013]用户通过成像显示屏确定目标的像素区域或者感兴趣的像素区域，再进 一步通过人工交互的方式选定对应区域，对选定的区域进行区域性照明与成 像；
[0014]E：区域光场生成
[0015]区域光场生成的目的是通过光场扫描即光束遍历的方法对选定区域中的 光束对象和像素对象中的各个属性进行填充，实现像素对象同光束对象的一 一映射，进而为“区域光场计算成像”提供必要的数据；
[0016]F：区域光场计算成像
[0017]对用户选定区域内的满足成像条件的像素对象在确定的光束照明下，基 于成像单元CCD成像，获得对应的像素值，得到区域光场成像图片，读取成 像图像显示在显示器上。
[0018]作为优选，成像空间中位置(i,j)处的像素并非具有无限小的面积，其在 空间坐标系中对应的是一个四棱锥，称之为“像素锥，pixel pyramid”，该 像素锥在整个系统中将使用pixellndex＝(i,j)来进行索引,根据空间立体几何 关系可知，任意一个像素锥将在光源的光束发散锥内截断一个扇形发光面， 在该扇面中包含了若干光束对象，将该像素锥截断的这些光束的集合定义为
ꢀ“
像素锥光束集，pyramidBeamSet”,
[0019][0020]其中，第一列元素代表光源编号，第二列和第三列元素代表该光源编号 下的光束坐标索引；
[0021]定义照亮像素锥内的有效成像面源的光束为“目标光束索引集， targetBeamIndexSet”，
[0022][0023]其中，第一列元素代表光源编号，第二列和第三列元素代表该光源编号 下的光束坐标索引；
[0024]根据空间立体几何关系可知，任意一个光束对象将在CCD成像系统的成 像视野锥内截断一个扇形发光面，在该扇面中包含了若干像素锥对象，我们 将该光束对象截断的这些像素锥的集合定义为“光束锥像素集， pyramidPixelSet”：
[0025][0026]其中，第一列元素代表CCD像素索引行坐标，第二列元素代表CCD像素 索引列坐标。
[0027]作为优选，在每个“像素锥”中可能存在多个目标反射面源，从空间投 影关系和遮挡原理可以看出，只有离摄像机最近的目标反射面源才可以在 CCD阵列上成像，对应像素pixel(i,j),该面源可以存在像素锥中的任何位置， 我们用targetLoc＝(x,y,z)表示该面源的空间位置，targetLoc表征了像素pixel(i,j) 是由水体介质成像还是目标反射面源成像，若该“像素锥”上没有目标反射 面源，则targetLoc＝(inf,inf,inf)，若该“像素锥”上存在目标反射面源，则targetLoc 包含具体的数值,当光束锥中包含多个目标面元时，由于投影遮挡的作用，CCD 得到的成像能量来自于离CCD最近的目标面元；
[0028]在每个光束锥中可能存在多个目标反射面源，然而在实际物理空间中， 从空间投影关系和遮挡原理可以看出，只有离该光束锥的发射光源最近的目 标反射面源才可以在获取光束锥的能量，该面源虽然能够获取到光束锥的照 明能量，但是其能否在CCD感光面上成像则取决于该面源所在的像素锥中的 是否存在“像素锥内面源遮挡成像”现象，若不存在该问题，则系统探测流 程时可以得到该面源的空间位置的信息，我们依然使用targetLoc＝(x,y,z)表 示该参数，同时其对应的成像像素索引使用targetPixelIndex表示，targetLoc 表征了像素pixel(i,j)是由水体介质成像还是目标反射面源成像，若该“像素 锥”上没有目标反射面，则targetLoc＝(inf,inf,inf)，targetPixelIndex＝(inf,inf)。
[0029]作为优选，E区域光场生成包括：
[0030]E1从用户选定区域内选取像素对象，通过像素锥光束遍历用户选定区域 内是本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水下光场干预成像方法，其特征在于，包括：A：系统参数初始化A1水体光学参数设置，A2坐标系构建，包括空间坐标系的构建，成像单元CCD坐标系的构建，A3系统几何参数的确定输入，包括光轴距、光源坐标、CCD坐标；B：像素、光束对象初始化在进行初次的场景扫描时需要尽可能地减小后向散射的影响，因此需要进行不同的距离使用不一样的光束能量进行照明，初始化结束后，系统则以光束对象中的初始化值进行每道光束辐照能量的投送，实现模糊补偿式泛光照明；C：模糊补偿式泛光照明在模糊补偿式泛光照明条件下，水下空间中具有最大的光场分布区域，非常适合对目标进行“探测性”成像，即在这样的成像视野内成像系统可以给用户提供更多的场景信息，主要是目标的有无；D：人工交互选定照明区域用户通过成像显示屏确定目标的像素区域或者感兴趣的像素区域，再进一步通过人工交互的方式选定对应区域，对选定的区域进行区域性照明与成像；E：区域光场生成区域光场生成的目的是通过光场扫描即光束遍历的方法对选定区域中的光束对象和像素对象中的各个属性进行填充，实现像素对象同光束对象的一一映射，进而为“区域光场计算成像”提供必要的数据；F：区域光场计算成像对用户选定区域内的满足成像条件的像素对象在确定的光束照明下，基于成像单元CCD成像，获得对应的像素值，得到区域光场成像图片，读取成像图像显示在显示器上。2.根据权利要求1所述的一种水下光场干预成像方法，其特征在于：成像空间中位置(i,j)处的像素并非具有无限小的面积，其在空间坐标系中对应的是一个四棱锥，称之为“像素锥，pixel pyramid”，该像素锥在整个系统中将使用pixellndex＝(i,j)来进行索引,根据空间立体几何关系可知，任意一个像素锥将在光源的光束发散锥内截断一个扇形发光面，在该扇面中包含了若干光束对象，将该像素锥截断的这些光束的集合定义为“像素锥光束集，pyramidBeamSet”,其中，第一列元素代表光源编号，第二列和第三列元素代表该光源编号下的光束坐标索引；定义照亮像素锥内的有效成像面源的光束为“目标光束索引集，targetBeamIndexSet”，
其中，第一列元素代表光源编号，第二列和第三列元素代表该光源编号下的光束坐标索引；根据空间立体几何关系可知，任意一个光束对象将在CCD成像系统的成像视野锥内截断一个扇形发光面，在该扇面中包含了若干像素锥对象，我们将该光束对象截断的这些像素锥的集合定义为“光束锥像素集，pyramidPixelSet”：其中，第一列元素代表CCD像素索引行坐标，第二列元素代表CCD像素索引列坐标。3.根据权利要求2所述的一种水下光场干预成像方法，其特征在于：在每个“像素锥”中可能存在多个目标反射面源，从空间...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑冰，孙梦楠，付民，王晓晓，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：