水下环境中的边缘投影二维成像技术

《Optics and Lasers in Engineering》：Fringe-projection 2D imaging in underwater

水下成像中背散射光物理消除方法研究。本文提出基于正弦条纹投影的FPI方法，通过相机与光源的视差实现背散射光相位偏移，四光子成像法有效抑制散射介质影响。实验证明该方法在NTU≈19.9和23.4的高浊度环境中均能显著提升成像质量，且系统结构简单成本低。

　　

刘少宇|王国东|刘世远|刘昌|王国宇

中国海洋大学信息科学与工程学院，青岛，266100，中国

摘要

水介质中的吸收和散射会降低水下成像的清晰度，尤其是在高浑浊度环境中。因此，去除后向散射成分已成为水下成像技术中的一个关键问题。本文提出了一种新颖的条纹投影成像（FPI）方法，该方法利用正弦波结构光照明来提高水下图像的清晰度。在理想情况下，当光源和相机之间存在视差时，由正弦波照明调制后的后向散射光会在捕获的图像中产生偏移。我们通过四次成像过程，每次使用不同相位的条纹投影来创建这种调制图像，从而将后向散射物理上消除到可以忽略的水平。然后应用一种简单的算法来重建清晰的图像。室内水槽中的实验结果证明了我们方法在去除后向散射方面的效率和鲁棒性。

引言

最近的研究强调了水下成像在各种海洋工程应用中的关键作用。然而，由于水介质的固有特性，捕获清晰的水下图像常常受到限制，导致图像出现对比度低、模糊和颜色失真等问题。在高浑浊度环境中，严重的后向散射光会进一步遮挡水下物体的信息。因此，有效去除后向散射成分已成为推进水下成像技术的重要挑战[1][2]。

一种方法特别关注通过常用图像传感器获取的水下图像的后处理阶段。已经提出了许多图像增强和恢复技术[3][4]，包括基于深度学习的最新方法[5][6]。然而，当前的单图像处理方法在处理高浑浊度条件下拍摄的严重退化图像时存在局限性。另一种方法专注于开发专门用于抑制后向散射的光电传感系统，从而提高成像质量。这类系统的著名例子包括范围门控系统[7][8]、同步扫描系统[9]以及调制和解调系统[10]等。尽管这些专用成像系统表现出色，但它们复杂的结构和高昂的成本限制了其广泛的实际应用。

作为一种替代方案，集成了主动照明组件和电荷耦合器件（CCD）的紧凑型水下成像设备已被广泛用于遥控潜水器（ROV）、自主水下航行器（AUV）和其他海洋平台的水下视觉任务。在这种结构简单成像系统的基础上，将复用照明模式与计算算法相结合以重建清晰图像的策略正在成为水下成像的一个有前景的方法。这种方法利用了计算成像技术的潜力。该领域的早期研究奠定了基础[11][12]，特别是极化成像方法的研究[13][14]取得了显著进展，并展示了提高水下成像能力的巨大潜力。然而，这些方法对环境的敏感性以及某些方法在成像过程中对手动参数调整的依赖性，本质上限制了它们的灵活性和更广泛的应用性。

在本文中，我们提出了一种高效的水下成像方法，称为条纹投影成像（FPI）方法。与传统的条纹投影3D测量技术不同，我们的方法结合了正弦波间隔照明和简单的计算算法，能够在水下环境中物理有效地去除后向散射光，从而重建清晰的图像。我们在室内实验室建立了一个结构简单且成本低廉的水下成像系统。该系统包括一个常用的工业CCD相机和一个液晶显示器（LCD）作为光源，两者之间有视差角。FPI方法的核心思想是，当受到正弦波照明时，后向散射光在散射介质中遵循正弦波模式。由于光源和CCD相机之间的视差，从CCD相机的角度来看，后向散射光在深度方向上会经历连续的相位移动。CCD收集到的这些后向散射单元之间的连续相位变化会导致图像中总后向散射光的偏移。为了解决直接正弦波条纹照明引起的后向散射问题，我们实施了一个四次成像过程。该过程使用四个不同相位的条纹结构照明投影。通过两组图像相减来创建调制图像。这种方法物理上消除了后向散射，并巧妙地避免了基础照明的影响。然后通过简单的算法从调制图像中重建出清晰的物体图像，计算成本最低。我们在不同浊度水平（浊度单位NTU分别为$NTU\approx 19.9$和$NTU\approx 23.4$）和不同光照条件下（有环境光和无环境光）进行了室内实验。实验结果与其他现有方法的比较证明了所提方法在去除后向散射方面的效率和鲁棒性。

本文的主要贡献如下：

1. 1.
   提出了一种基于正弦波条纹照明的水下成像方法，用于高效物理去除水下图像中的后向散射光。
2. 2.
   介绍了一种低成本且无需校准的水下成像系统。
3. 3.
   采用的简单重建算法使其适用于算力有限的海洋平台。

章节摘录

带有条纹照明的成像模型

图1(a)展示了一个适合FPI方法的水下成像系统示例。该系统包括一个常用的主动光源和一个光学传感设备。如图所示，相机和光源位于水下目标的同一侧，照明方向和相机视角之间存在角度差异。为了定性分析FPI方法去除后向散射光的效率，我们基于...

实验设置

实验设置如图3(a)所示。水下目标（PVC板和茶壶）显示在图3(b)和(c)中。水下目标放置在一个$80cm\times 80cm\times 200cm$、表面具有抗反射涂层的玻璃水箱中。我们向水箱中注入了大约720升清水，并添加了不同量的牛奶和氢氧化铝以模拟不同的浑浊度水平。浑浊度使用浊度计测量，并用NTU单位量化。

结论

总之，本文提出了一种新颖、简单且有效的水下成像方法，该方法利用紧凑型CCD成像和散射介质中的结构化照明，而不是依赖其他复杂设备。通过四次成像过程捕获了投影正弦波照明条纹的四个特定相位变化。计算算法在物理上去除后向散射光的同时重建目标图像。尽管后向散射并未完全...

CRediT作者贡献声明

刘少宇：撰写——原始草稿，可视化，验证。王国东：概念构思。刘世远：形式分析。刘昌：调查。王国宇：撰写——审阅与编辑，项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（62071441）的协作资金支持。