不同波长光源照明的水下图像采集与实时处理

作     者：聂瑛 

作者单位：桂林电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何志毅

授予年度：2014年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：水下成像 散射 光学处理 Android 

摘      要：随着海洋资源探测和水下目标识别的需求不断增长，水下成像技术有着广阔的应用前景，如鱼群观察、打捞或救援以及海底地貌探测。然而复杂的水下环境产生的吸收和散射效应导致所成图像的清晰度不高，噪声污染严重。随着水下光电成像技术的发展，同步扫描成像和距离选通成像技术都在一定程度上克服了后向散射形成的背景噪声，但对光源和图像采集硬件性能有较高要求，系统复杂，成本较高。考虑到水下条件的限制，需要采用硬件结构尽量简单且耗能较低的成像与处理技术，来提高水下成像质量和对成像目标的可分辨度。 本文首先通过对光在水下的衰减特性进行理论分析，充分了解水的光吸收散射特性，以合理设计水下成像的照明方案和图像处理方法。然后采用一定的实验方法来模拟水下对光的吸收与散射，在清水中掺入一定量的蓝绿墨水和牛奶，通过改变它们的比例来表示具有不同吸收与散射损耗比的不同水域环境。在不同的吸收与散射损耗特性的水下，采用不同波长的光源为水下图像采集进行照明，可达到克服吸收和散射影响的最佳折中，从而获得可能达到的最佳图像清晰度。由于长波长的红光散射损耗小吸收损耗大，而较短波长的蓝绿光则反之，根据这一原理，采用红光和绿光光源照明下采集的图像进行差值处理，即图像中不同颜色分量的灰度值差去除散射噪声信息获取目标图像信息。对水下采集的静态图像采用这种方法进行处理以作效果验证，并与传统的数字图像处理技术USM锐化进行比较，结果表明这种光学处理方法，能有效增强图像清晰度并且计算量小，处理速度快，占用较少的处理器和内存资源，比纯软件处理方法具有更高的性价比。 这一优势正适合于能耗低而硬件资源配置有限的嵌入式系统中，将这种处理方法应用到Android系统的视频采集中，利用编程接口Camera模块控制和访问摄像头硬件。对于静态图像的采集，设计了Android设备摄像的外置LED闪光灯以达到大功率（30W）照明同时保证节能，摄像时对LED光源模块的触发信号通过蓝牙进行传输，实现了闪光照明与图像采集的同步。在动态视频图像采集中采用了光学处理方法来提高处理速度和节约系统资源。实现了视频图像实时处理，大大增强了图像清晰度和观察者对目标的分辨能力。