水下光學(xué)成像圖像的典型劣化分析與仿真模擬

1、水下光學(xué)圖像劣化分析與仿真模擬李維香，陳曄，袁飛* （廈門大學(xué) 水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廈門 361005）摘 要：對(duì)水下圖像進(jìn)行有效的改善必須建立在水下成像系統(tǒng)的機(jī)制和特性的研究基礎(chǔ)之上。在分析總結(jié)了水下光學(xué)圖像獲取過程中的劣化類型和原因的基礎(chǔ)上，基于Jaffe-McGlamery成像模型，成功仿真了淺海干凈水質(zhì)下、光學(xué)攝像機(jī)水下拍攝成像圖像模糊、色彩降維等劣化特點(diǎn)，體現(xiàn)了攝像機(jī)、光源與成像平面的位置特點(diǎn)以及海水前向散射、光譜選擇性吸收和衰減等影響，同時(shí)體現(xiàn)了光學(xué)設(shè)備對(duì)成像的離焦和運(yùn)動(dòng)造成的劣化。研究成果對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及圖像的后續(xù)處理具有一定的理論支撐和參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：水

2、下成像；圖像劣化；劣化分析；Jaffe-McGlamery模型The Degradation Analysis and Simulation of Underwater Optical ImageLI Wei-Xiang， CHEN Ye， YUAN Fei (Xiamen University Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology Xiamen 361005, China)Abstract：The effectively improvement of the

3、underwater image must base on the research about the underwater imaging systems mechanism and characteristics. On the basis of the analysis on the underwater optical images degradation types and reasons in the process of obtaining, this paper successfully simulates the deterioration characteristics

4、such as image blur, color reduction based on Jaffe-McGlamery imaging model in the shallow water and clean water situation. The result shows the location characteristics of the camera and the light source and the imaging plane, and the impact that the water forward scattering and absorption select an

5、d attenuation cause on. Meantime it reflects the deterioration characteristic caused by the device defocus and motion. The result is valuable and can be reference to the design of optical system and the image pre-process. Keywords：underwater imaging； image distortion；distortion analytics； Jaffe-McGl

6、amery model0 引 言水下成像成為海洋開發(fā)和利用領(lǐng)域中極有價(jià)值的方式之一。水下成像過程中,水體的結(jié)構(gòu)對(duì)光的傳播有很大的影響。水介質(zhì)的密度遠(yuǎn)大于空氣密度,相對(duì)于空氣中所拍攝的普通圖像來說水下成像所遇到的問題更為復(fù)雜和困難。典型的水下圖像由于存在照明條件不良及水體對(duì)光的吸收效應(yīng)、散射效應(yīng)和卷積效應(yīng)等，使得水下圖像大多存在以下問題12：有限的可視距離、低對(duì)比度、非均勻照明、模糊、光斑、色彩降維以及各種復(fù)雜因素的噪聲。因而,對(duì)水下圖像進(jìn)行有效的改善必須建立在對(duì)水下成像系統(tǒng)的機(jī)制和特性進(jìn)行全面的研究之上。此外,對(duì)水下圖像劣化模型的研究也是從根本上解決水下圖像降質(zhì)問題的必要手段。近年來，已有不少

7、文獻(xiàn)對(duì)圖像劣化模型進(jìn)行了相關(guān)研究，文獻(xiàn)34利用湍流模型模擬水下環(huán)境，并在此技術(shù)上研究了維納濾波器等圖像復(fù)原技術(shù)的性能。文獻(xiàn)5提出了一種非均勻照明系統(tǒng)，非均勻光照的功率分布與水下光衰減的傳播相反，該文用Monte Carlo方法模擬水下光照的功率分布，結(jié)果顯示該系統(tǒng)有效減少了后向散射噪聲，提高了作用距離。文獻(xiàn)6提出了一種基于海雪現(xiàn)象模型的圖像仿真方法，研究了降低海雪微擾影響的彩色圖像復(fù)原技術(shù)。文獻(xiàn)7在Jaffe-McGlamery水下圖像形成模型的基礎(chǔ)上對(duì)水下彩色圖像進(jìn)行仿真。雖然國內(nèi)外相關(guān)研究取得一定成果，但仍缺乏完備的水下圖像劣化模型和仿真系統(tǒng)用于研究或預(yù)測圖像處理等技術(shù)的性能。本文首先分析

8、了水下光學(xué)圖像劣化成因，然后在分析水下圖像劣化特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)水下圖像劣化仿真，具體做法是以Jaffe-McGlamery模型為基礎(chǔ)，將彩色圖像分為RGB三個(gè)向量，分別用不同衰減系數(shù)作Jaffe劣化后再合并，接著再進(jìn)行離焦模糊和運(yùn)動(dòng)模糊劣化，使其更加接近真實(shí)水下圖像劣化效果。1 水下光學(xué)圖像劣化分析水下光學(xué)圖像在獲取過程中會(huì)出現(xiàn)圖像的劣化，主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：一是水下環(huán)境的影響，二是成像設(shè)備自身對(duì)成像的影響。成像設(shè)備自身問題包括成像系統(tǒng)的散焦，成像器材的固有缺陷，以及設(shè)備與成像目標(biāo)的相對(duì)移動(dòng)。2.1 水下環(huán)境的影響成像在水下環(huán)境和空氣中有很大區(qū)別，這是因?yàn)樗橘|(zhì)對(duì)光波具有吸收和散射的作用。水對(duì)

9、光的吸收具有明顯的選擇性。由于海水的不均勻性,衰減系數(shù)隨傳輸路徑和水溫的變化而變化,也隨著光波波長的變化而變化。水能夠強(qiáng)烈吸收紫外和紅外部分,在可見光譜區(qū)域,吸收最大的是黃色、紅色和淡綠色光譜。由于藍(lán)色的波長最短,使得藍(lán)色光在水中能夠傳播最遠(yuǎn)的距離。純凈水和清潔海洋水在光譜藍(lán)綠區(qū)域透射率最大,但即使是這個(gè)藍(lán)綠窗口,水的吸收也使光的強(qiáng)度每米衰減百分之四,而其他顏色的光在幾米外就幾乎消失了1，易導(dǎo)致圖像色彩降維，呈現(xiàn)藍(lán)色或綠色調(diào)為主，如圖2-1（a）。因此,水對(duì)光的選擇性吸收作用不僅造成光能量衰減,同時(shí)使得水下攝像物體的顏色失真。水下散射對(duì)成像影響也非常大。散射又分為前向散射和后向散射，前向散射是

10、指光在水中傳播時(shí)，遇到水中懸浮顆粒而向前各方向散射，造成光在正向傳播方向上的衰減，限制了成像距離。傳輸距離越遠(yuǎn),前向散射影響越大，它會(huì)使掃描分辨率和目標(biāo)背景對(duì)比度下降。后向散射是指光在水中傳播時(shí)，遇到水中懸浮顆粒向后各方向散射，造成圖像對(duì)比度下降。后向散射隨著入射光功率的增大而變嚴(yán)重。散射光對(duì)圖像襯度有非常嚴(yán)重的影響，它造成圖像的對(duì)比度下降，隨著距離增大，畫面反差降低，圖像細(xì)節(jié)模糊1，如圖2-1（b）（d）。 (a) （b） （c） （d）圖2-1 水下圖像：（a）色彩降維（b）細(xì)節(jié)模糊（三棱柱、球體等）（c）深海海洋雪（d）淺海海底成像另外，在深海中有一種特殊的視覺現(xiàn)象叫作海洋雪，如圖2-1

11、（c），它是由有機(jī)物所組成的碎屑無規(guī)則運(yùn)動(dòng)形成的。這些有機(jī)物碎屑起源于海洋上部透光層的有機(jī)物生產(chǎn)活動(dòng)。這種深海的特殊粒子會(huì)對(duì)光發(fā)生反射和散射作用，因此在深海拍攝的圖片會(huì)帶有隨機(jī)分布的白色亮點(diǎn)，仿佛翩翩飛舞的雪花，嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量1。2.2 成像設(shè)備自身問題的影響水下攝像機(jī)是一個(gè)水密殼窗，該水密殼窗將目標(biāo)與成像平面分別位于空氣和水兩種介質(zhì)中，因此考慮到兩者的折射率的不同，當(dāng)光線從水介質(zhì)經(jīng)過平面玻璃射向空氣時(shí)就會(huì)產(chǎn)生折射時(shí)，相機(jī)的聚焦和視角會(huì)產(chǎn)生誤差，焦距增大；由于平面殼窗的限制會(huì)造成視場變小；水中的平面殼窗還會(huì)使透鏡的放大率不均勻，造成枕形失真；同一透鏡對(duì)不同色光焦距各異，這使成像時(shí)不同光譜段的

12、焦點(diǎn)不重合，造成色散，引致圖像色差和銳度降低。在淺海中或者白天環(huán)境下,水下圖像可以在自然光照下獲得。但是在深?；蛘咭雇淼沫h(huán)境下,即使是最清的水也看不到光。在比較淺的水中,有時(shí)照明亮度也不都?jí)?這時(shí)就需要增加輔助照明來提高成像質(zhì)量。由于在水中波長長的光衰減大,因此我們可以選擇波長短的光源輔助照明。但是對(duì)于渾濁的水質(zhì),懸浮粒子較多的情況下,短波長的光,散射也較為嚴(yán)重。由于照明光是會(huì)聚光的，成像光線強(qiáng)弱分布差異較大，以亮度最強(qiáng)點(diǎn)為中心徑向逐漸減弱，即光照不均勻問題，反映在圖像上為背景灰度分布不均、輪廓灰度過度平滑的特點(diǎn)。此外，當(dāng)景物與攝像系統(tǒng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)使成像效果惡化，造成運(yùn)動(dòng)模糊。由于海水的流

13、動(dòng)和水下環(huán)境的不確定性，運(yùn)動(dòng)模糊在水聲圖像中相當(dāng)常見。該問題的產(chǎn)生是由于相向運(yùn)動(dòng)造成在探測器平面上一幀時(shí)間內(nèi)對(duì)同一景物獲得連續(xù)不同的放大率，從而導(dǎo)致空變的徑向輻射狀模糊。綜上，水下光學(xué)圖像的劣化大致有以下幾類：水體波動(dòng)導(dǎo)致圖像產(chǎn)生自陰影、假紋理、假輪廓等假細(xì)節(jié)；水體及懸浮物對(duì)光的吸收、散射導(dǎo)致圖像亮度非均勻細(xì)節(jié)模糊和色彩降維；非均勻照明光、有限可視距離導(dǎo)致成像灰度不均和邊緣平滑。這些現(xiàn)象都給后續(xù)目標(biāo)辨識(shí)和圖像處理造成了困難。3 水下光學(xué)圖像劣化模擬就劣化模擬方法而言，有兩個(gè)入手點(diǎn)：一是正向劣化，針對(duì)水下圖像的獲取特點(diǎn)，特征化通信系統(tǒng)參量，模擬出特定通信環(huán)境下的水下圖像劣化效果；二是反向劣化，從

14、水下圖像的劣化特點(diǎn)入手，利用圖像的計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存特點(diǎn)，對(duì)圖像進(jìn)行時(shí)域、空域或頻域的數(shù)學(xué)建模，然后直接劣化計(jì)算，模擬出特定的水下圖像劣化效果。Jaffe-McGlamery水下成像模型是個(gè)包含照明、物體反射屬性、介質(zhì)以及傳感器特性的模型，但是它不包括水下成像設(shè)備的對(duì)成像的影響，本文在Jaffe-McGlamery模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，將彩色圖像分為RGB三個(gè)向量，分別用不同衰減系數(shù)作Jaffe劣化后合并，然后再進(jìn)行離焦模糊和運(yùn)動(dòng)模糊劣化，使最后仿真結(jié)果更加接近真實(shí)水下圖像效果。3.1 簡化Jaffe-McGlamery水下成像模型模型的建立基于兩個(gè)客觀事實(shí)：第一，成像具有線性疊加特性，即接收到光輻照

15、量包含三個(gè)成分：直接反射成分、前向散射成分、后向散射成分。故光入射成像平面上的總光輻照表示為：（3-1）第二，介質(zhì)與光波的相互作用。設(shè)介質(zhì)是各向同性、均勻的，光在水介質(zhì)中會(huì)衰減和散射，在水下環(huán)境中，偏向可能是由于尺寸與光波波長相當(dāng)?shù)膽腋×Ｗ拥难苌?，或散射指?shù)不同與介質(zhì)的微小物體造成的。研究表明可以將兩種現(xiàn)象合一表示為：（3-2）其中是點(diǎn)上的入射輻照度，其中是點(diǎn)上的入射輻照度，r是間隔距離，c是總衰減系數(shù)，表示每單位距離的光強(qiáng)衰減量，由大氣透射表測得。典型深海水、沿海岸海水和海灣水的衰減系數(shù)分別為，和。假設(shè)一個(gè)無限薄的波束（沒有光散射），建模時(shí)將衰減和散射分開看作與吸收作用和散射現(xiàn)象的因素：，則

16、（3-2）改寫為：（3-3）圖3-1 基本水下成像模型假設(shè)水下照明是一個(gè)點(diǎn)光源，由波束模式來表征，定義為函數(shù)。該函數(shù)表示光源單位距離的半球面上單位面積接受的輻射量，單位。角度、定義了光線從光源到場景平面（scene surface）上點(diǎn)的方向，如圖3-1。該點(diǎn)由三維坐標(biāo)系定義，。到達(dá)場景之前，波束呈球狀傳播，在水中衰減。場景上點(diǎn)的入射輻射量可以寫作：（3-4）其中是光源入射光線與場景平面p點(diǎn)法線的夾角，是光源和p之間的距離。一些到達(dá)平面的小角度光輻射是來源于前向散射，加入前向散射成分，可以把（3-4）式改進(jìn)為：（3-5）其中表示卷積計(jì)算，為點(diǎn)散射函數(shù)（PSF），定義如下：（3-6）其中，是經(jīng)驗(yàn)

17、常數(shù)，且，是經(jīng)驗(yàn)衰減函數(shù)，表示傅里葉反變換，表示徑向頻率。為了計(jì)算物體反射幅度強(qiáng)度，要將入射輻射模型乘以反射圖的反射率值。在水下攝像機(jī)光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，物體用一個(gè)平面反射圖表示，典型海洋中的目標(biāo)物體的取值范圍在。另外，有三種衰減使成像平面上的光輻射弱于進(jìn)入攝像機(jī)（CCD）的輻射。第一種是球面衰減，來自鏡片特性（基本上是由于有限孔徑），由表示，是攝像機(jī)的入射光線和光學(xué)坐標(biāo)的夾角，是透鏡的焦距比數(shù)（焦距比數(shù)=焦距/鏡頭直徑）。第二種衰減是透鏡透射率，表征為。第三種衰減屈居于焦距的相對(duì)值和相隔距離，如圖3-1。進(jìn)入攝像機(jī)、到達(dá)成像平面之前的的光強(qiáng)總衰減，可以表征為一個(gè)乘性參數(shù)： （3-7）簡化Jaffe

18、-McGlamery模型考慮淺海陽光充足、光照均勻的情景特點(diǎn)，后向散射影響忽略不計(jì)，因此不考慮成分，則。其中可以寫作場景平面點(diǎn)上的輻射量的函數(shù)。因此，必須考慮該平面上的反射，介質(zhì)衰減，以及攝像機(jī)的影響：（3-8）其中是攝像機(jī)到點(diǎn)的間隔距離。前向散射成分寫作：（3-9）其中，的傅里葉變換為：（3-10）其中，設(shè)權(quán)重系數(shù)，。模型典型系數(shù)如表3-1所示。CCD參數(shù)按典型水下相機(jī)屬性，透射系數(shù)取1，焦距比數(shù)取2.8。CCD與光源距離，CCD、光源與成像平面（xy平面）的距離設(shè)為m的數(shù)量級(jí)。由于光源分布和水下散射嚴(yán)重，相對(duì)于成像平面尺寸而言，距離需要足夠遠(yuǎn)；其次，成像平面的離散抽樣單位距離要合理。表3-

19、1 成像模型典型參考參數(shù)變量范圍（權(quán)重系數(shù)）（總衰減系數(shù)）海灘：0.323 海岸：0.252 深海：0.049（深度）（焦距）將圖像分為RGB三個(gè)向量，分別用不同衰減系數(shù)作Jaffe劣化后再合并。其中，R為紅色光，波長w=650nm；G為綠色光，波長w=560nm；B為藍(lán)色光，波長w = 450 nm；總衰減系數(shù)與水質(zhì)和光波波長有關(guān)，光波的吸收系數(shù)、散射系數(shù)和總衰減系數(shù)參見圖3-2。實(shí)際會(huì)產(chǎn)生藍(lán)色和綠色兩種色調(diào)的圖像。圖3-2 純水的光學(xué)參數(shù)（吸收，散射和總衰減系數(shù)）Z0=1 Z0=3Z0=6 Z0=9圖3-3 Jaffe劣化（紅藍(lán)光吸收）：小丑魚如圖3-3，CCD和光源之間的距離d設(shè)為3m，

20、兩者到成像平面的距離設(shè)為相等Z0=Zs，改變Z0大小觀察劣化效果。從圖像效果可見，該模型能夠反應(yīng)水對(duì)光的吸收作用和海洋前向散射效應(yīng)，能夠模擬海水中特有的圖像色彩降維。隨著照明源離成像距離Z0的逐漸增加，最開始出現(xiàn)圖像曝光、亮度不均現(xiàn)象，然后到6m后達(dá)到較好的均勻亮度的成像，此后距離越大，成像越灰暗，直到最后無法成像。如圖3-4，設(shè)定Z0 = 6m，改變CCD和光源之間的距離d，可見兩者距離越遠(yuǎn)，成像亮度漸暗,d = 3時(shí)效果較好。所以設(shè)定Z0 = 6m，改變CCD和光源之間距離d = 3m時(shí)，再進(jìn)行離焦和運(yùn)動(dòng)模糊劣化。d=1md=3m d=5md=7m圖3-4 綠色降維：珊瑚礁(Z0=6)3.

21、2 離焦模糊劣化離焦模糊是指在拍攝時(shí)景物與相機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的離焦,或是成像區(qū)域內(nèi)不同深度的對(duì)象所引起不同程度的離焦,還有由于在成像區(qū)域中存在不同深度的對(duì)象會(huì)使自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)引起混淆而導(dǎo)致拍攝的相片離焦等。離焦模糊的劣化可以寫作一個(gè)圓盤函數(shù):（3-11）圓盤半徑r是需要確定的劣化參數(shù)，又叫模糊半徑，決定了離焦模糊的程度。對(duì)（3-11）式進(jìn)行離散傅里葉變換后得到（3-12）其中表示一階第一類貝塞爾函數(shù)，如（3-13）式所示；是離散傅里葉變換的尺寸。（3-13）第一過零點(diǎn)軌跡為圓形，即頻譜的第一個(gè)暗環(huán)，其半徑就是模糊半徑。由第一類Bessel函數(shù)的性質(zhì)可知表示為（3-14）式所示：（3-14）（a）

22、模糊半徑（b）模糊半徑（c）模糊半徑圖3-5 離焦模糊的劣化圖及對(duì)應(yīng)H函數(shù)的頻譜實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：模糊半徑時(shí)，圖像基本無離焦模糊效果；當(dāng)，r值越大，離焦模糊越嚴(yán)重。而圖像對(duì)比度失真則會(huì)呈周期性變化，時(shí)，圖像對(duì)比度完全顛倒，此后每隔個(gè)單位的模糊半徑，對(duì)比度顛倒的現(xiàn)象會(huì)再次出現(xiàn)。我們把這個(gè)稱作離焦模糊劣化的對(duì)比度失真周期，出現(xiàn)對(duì)比度失真時(shí)對(duì)應(yīng)的模糊半徑稱作對(duì)比度失真半徑。顯然，周期=0.7，0.9,1.6,2.3都是對(duì)比度失真半徑，在其附近的劣化圖像也有輕微的對(duì)比度失真現(xiàn)象。在仿真逼近水下模糊圖像時(shí)，應(yīng)該避開這樣的對(duì)比度失真半徑，程序上也做了相應(yīng)的改進(jìn)。選擇合適的模糊半徑r可以得到水聲模糊效果圖像，而從劣

23、化的水下圖像求取r值有助于圖像復(fù)原算法的研究。3.3 運(yùn)動(dòng)模糊劣化運(yùn)動(dòng)模糊包含多種具體的模糊，如一般的線性模糊，旋轉(zhuǎn)模糊等。如果在時(shí)間T內(nèi)，相機(jī)相對(duì)于場景以固定的速度及角度進(jìn)行平移。如果是曝光時(shí)間內(nèi)場景與相機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)長度，那么成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)為10：（3-15）若場景中的所有物體均以相同的速度移動(dòng)，那么點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)是空間移不變的。但是如果場景中的某個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)速度獨(dú)立于所處的場景，那么可以認(rèn)為點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)是空域變換的。（a）原圖 （b）模板=5×5 （c）模板=51×51 （d）模板=111×111圖3-6 運(yùn)動(dòng)模糊劣化仿真仿真實(shí)現(xiàn)時(shí)，在設(shè)定的前提下計(jì)算出的值。

24、拍攝時(shí)運(yùn)動(dòng)模糊的程度和方向與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的角度相關(guān)。如水下相機(jī)的輕微抖動(dòng)，圖像只會(huì)稍微模糊，而相機(jī)拍攝瞬間的大幅度晃動(dòng)則會(huì)使運(yùn)動(dòng)模糊的線性重影更長。如圖3-6所示，模板劣化模擬運(yùn)動(dòng)模糊，模板尺寸影響PSF模糊特性在圖像的擴(kuò)散，決定運(yùn)動(dòng)模糊度程度，模板越大運(yùn)動(dòng)模糊越嚴(yán)重。對(duì)r = 2離焦模糊劣化后的圖像進(jìn)一步劣化，得到最后的反映水下劣化特性的圖像，如圖3-7。 圖3-7 運(yùn)動(dòng)模糊劣化圖像4.總結(jié)本文總結(jié)歸納了水下圖像在獲取過程中的劣化類型和原因，重點(diǎn)分析了海水吸收、衰減、散射和硬件對(duì)水下光學(xué)成像的影響和相應(yīng)劣化特點(diǎn)，給出了水下圖像劣化典型圖例。水下成像利用了Jaffe-McGlamery原理，成功仿真了淺海干凈水質(zhì)下、光學(xué)攝像機(jī)水下拍攝成像，體現(xiàn)了攝像機(jī)、光源與成像平面的位置特點(diǎn)，海水前向散射以及光譜選擇性吸收和衰減。然后再對(duì)圖像進(jìn)行離焦模糊和運(yùn)動(dòng)模糊劣化仿真，體現(xiàn)了光學(xué)設(shè)備對(duì)成像的離焦