人工光照下黑暗水体背景水下图像复原方法研究

作     者：李玉松 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张铭钧;董振刚

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：AUV作业 人工光源 水下图像 黑暗水体背景 图像复原 

摘      要：水下机器人作为目前唯一能够在深海环境中工作的载体,在开发海洋资源、保证海防安全中发挥不可替代的作用。其中,无人无缆自主式水下机器人(AUV:Autonomous Underwater Vehicle),具有机动灵活、工作范围大等特点,受到广泛关注。在黑暗复杂的深海水下环境中,基于视觉图像作业的AUV需要在人工光源的辅助下对水下场景进行图像采集。不同于自然光照环境,人工光源在水介质中会发生严重的散射,此时图像会发生对比度降低、色偏、雾罩等严重的退化现象。同时,人工光强度有限、照射距离有限,使得大部分背景区域为黑暗水体背景,直接影响到基于图像的AUV作业成效。因此为了能给AUV提供更加清晰的水下图像信息,本文研究适用于人工光照下黑暗水体背景水下图像的复原方法。对于提升水下设备对环境的感知能力具有重要的研究意义与实用价值。本文以AUV在深海基于视觉图像作业为研究背景,研究人工光照下黑暗水体背景的水下图像复原方法。围绕水下目标图像复原过程中景深、背景光、透射率的求解方法开展理论和实验研究工作。首先,研究了人工光照水下图像复原中景深的估计方法。针对以往典型的场景深度估计方法,应用于人工光照下黑暗水体背景水下图像复原时,存在相同距离目标物求得的景深相差较大,导致复原后的图像的亮度失真,影响到图像复原质量的问题,研究改进了一种基于图像模糊度的景深估计方法。通过多个场景景深估计结果对比实验验证了本文所提方法的有效性与适用性。其次,研究了人工光照水下图像复原中背景光的估计方法。针对典型的背景光估计方法应用于人工光照下黑暗水体背景水下图像复原时,求得的背景光偏大,导致复原后的整体图像亮度失真较大,影响到图像复原质量的问题。研究改进了一种基于景深分割的背景光估计方法。通过多个场景背景光估计结果对比实验验证了本文所提方法与现有典型方法相比,具有更好的环境适应性。然后,研究人工光照水下图像复原中透射率的估计方法。针对AUV人工光照下浑浊水体环境未知,使得以往基于“衰减系数由经验可得假设的经典透射率估计方法,针对本文水下场景求得的R、G、B透射率与实际衰减相差较大,导致复原后的图像颜色失真较大,影响到图像复原质量的问题。提出了一种人工光照下基于黑暗水体背景的水下图像透射率估计方法。通过多个场景透射率估计结果对比实验,证明了本文提出的方法更适用于人工光照下黑暗水体背景水下图像的透射率估计。最后,进行了人工光照下黑暗水体背景的水下图像复原实验研究。针对本文实验中采集的人工光照黑暗水体背景水下图像,采用本文提出的水下图像景深估计方法、背景光估计方法以及透射率估计方法,对实验采集的不同距离不同目标物的水下图像的复原效果进行研究,通过与现有经典水下图像复原方法复原效果的对比实验,验证了本文提出的基于人工光照的水下图像复原方法的有效性与适用性。