宋強(qiáng) 孫曉兵 劉曉 提汝芳 黃紅蓮 王昊4)

1) (中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所, 合肥 230031)

2) (中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué), 合肥 230026)

3) (中國(guó)科學(xué)院通用光學(xué)定標(biāo)與表征技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 合肥 230031)

4) (安徽大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與信息技術(shù)研究院, 合肥 230601)

5) (合肥市農(nóng)業(yè)行業(yè)首席專(zhuān)家工作室, 合肥 230031)

水下光學(xué)成像是海底探索和目標(biāo)識(shí)別的一個(gè)重要方式. 由于海浪、船舶尾流以及海洋生物游動(dòng)與呼吸等原因, 存在著大量的氣泡. 氣泡群的光散射作用往往會(huì)使水下目標(biāo)成像效果受限、難以識(shí)別, 并且一般的光學(xué)技術(shù)難以消除氣泡對(duì)成像的影響. 針對(duì)上述問(wèn)題, 本文先從理論上推導(dǎo)和仿真了入射光線在水下單氣泡、氣泡群中以及目標(biāo)表面的光強(qiáng)和偏振信息的變化; 然后在構(gòu)建了水下氣泡實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上探究了光源入射角度的改變以及成像波段的變化對(duì)氣泡環(huán)境中目標(biāo)偏振成像的影響; 研究了不同金屬材質(zhì)目標(biāo)物的強(qiáng)度和偏振信息的變化趨勢(shì); 分析了水下目標(biāo)在不同氣泡群厚度條件下強(qiáng)度和偏振信息的變化趨勢(shì); 最后利用偏振特征提取與視覺(jué)信息保留的圖像融合方法抑制氣泡對(duì)水下目標(biāo)成像的影響. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示氣泡群中目標(biāo)成像會(huì)受到多種因素的影響, 利用偏振圖像融合方法會(huì)使氣泡群受到較好的抑制, 并提高了水下目標(biāo)的清晰度.

1 引 言

水中氣泡的光學(xué)散射特性研究是海洋光學(xué)的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容. 在海洋環(huán)境中, 由于海浪破碎、海洋生物以及船舶尾流等原因, 存在著大量的氣泡[1,2]. 氣泡的物理參數(shù)與海水存在較大差異, 會(huì)表現(xiàn)出特殊的聲、光、電、磁等性能. 例如: 艦船尾流中氣泡大小、運(yùn)動(dòng)軌跡及速度、數(shù)密度分布等物理參數(shù)的獲取能為深入研究氣泡群物理特性提供最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)[3]. 根據(jù)氣泡尺寸的不同, 氣泡對(duì)光束的散射可以分為兩種類(lèi)型: 1)如果氣泡的半徑與入射光束的波長(zhǎng)相當(dāng), 則氣泡的散射可以被當(dāng)作水中懸浮粒子的散射來(lái)對(duì)待; 2)如果氣泡的尺寸遠(yuǎn)大于入射光的波長(zhǎng), 氣泡的散射特性與水中懸浮粒子的散射特性有著很大區(qū)別, 可用幾何光學(xué)的方法進(jìn)行分析研究[4]. 水下氣泡的研究主要受入射光子能量、水下成像系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)、水下探測(cè)方法等方面的影響.

對(duì)水中氣泡的光學(xué)散射特性的研究在20世紀(jì)獲得了快速發(fā)展, 人們從理論和實(shí)踐等多個(gè)方面對(duì)氣泡的散射特性以及氣泡對(duì)水體光學(xué)特性的影響進(jìn)行了廣泛研究. Davis[4]用幾何方法研究了水中單個(gè)氣泡的光散射特性, 并對(duì)大氣泡的散射特性做近似的解釋; Stramiki[5]最早利用Mie理論研究了干凈氣泡群的光學(xué)特性; Marston等[6,7]利用物理光學(xué)方法和Mie理論對(duì)單個(gè)氣泡的散射特性進(jìn)行了較為完善的研究; Zhang等[8]用Mie理論先后研究了海水中干凈和臟氣泡群的體散射函數(shù)及氣泡群的后向散射對(duì)空間遙感的影響; Konkhanovsky[9]用蒙特卡羅光線追跡法研究了氣泡群散射光的強(qiáng)度和偏振特性; 梁善勇等[10]基于矢量蒙特卡羅方法建立了艦船尾流氣泡群激光后向探測(cè)仿真模型,并構(gòu)建了模擬尾流氣泡群激光散射強(qiáng)度和偏振探測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái), 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性; 張浩等[11]提出了一種基于Zernike矩與灰度計(jì)算的水下光學(xué)氣泡圖像識(shí)別方法, 通過(guò)計(jì)算懸浮微粒特征的相似度, 區(qū)分圓形微粒與非圓形微粒, 通過(guò)計(jì)算微粒中心與灰度變化趨勢(shì), 辨別氣泡與固體懸浮微粒.

水中的散射微粒造成的后向散射光具有明顯的部分偏振特性, 與非偏振的水下復(fù)原方法相比,基于偏振信息的水下圖像復(fù)原技術(shù)可以從物理原理上有效抑制水下的后向散射光, 利用主動(dòng)光照明, 通過(guò)公式推導(dǎo)分離出目標(biāo)光和后向散射光, 且在高濃度散射介質(zhì)環(huán)境下, 抑制后向散射光, 提升圖像質(zhì)量和目標(biāo)的可見(jiàn)度[12-14]. 但是現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外對(duì)于氣泡群環(huán)境下水下目標(biāo)成像的相關(guān)研究并不多見(jiàn), 特別是尺寸較大的單氣泡構(gòu)成的氣泡群如何影響目標(biāo)成像以及采用何種方式抑制氣泡群的干擾, 目前為止還未有相關(guān)資料可以查詢. 本文構(gòu)建了一個(gè)完整的氣泡實(shí)驗(yàn)和探究體系, 從單氣泡和氣泡群理論推導(dǎo)和物理分析出發(fā), 仿真了水下環(huán)境中典型材質(zhì)目標(biāo)物的偏振信息在不同光源入射角度條件下的變化趨勢(shì), 接著在搭建水下氣泡實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上采集數(shù)據(jù), 然后處理氣泡數(shù)據(jù), 從多個(gè)方面探究不同條件下的氣泡群對(duì)水下目標(biāo)強(qiáng)度信息和偏振信息的影響, 最后利用偏振特征提取與視覺(jué)信息保留的圖像融合方法抑制氣泡對(duì)水下目標(biāo)成像的影響, 實(shí)現(xiàn)水下氣泡環(huán)境中目標(biāo)識(shí)別處理.

2 物理推導(dǎo)與理論分析

當(dāng)光線入射在不同介質(zhì)的分界面時(shí), 如不考慮散射、吸收等其他形式的能量損耗, 則入射光的能量只能在折射光和反射光中重新分配, 且總能量保持不變. 利用Fresnel公式可以描述反射光與折射光的水平分量強(qiáng)度、垂直分量強(qiáng)度及其相位變化等關(guān)系[15]. 對(duì)于任一偏振態(tài)的光, 都可以分解為一對(duì)互相垂直的分量, 一個(gè)振動(dòng)方向垂直于入射面, 用S 表示, 另一個(gè)振動(dòng)方向平行于入射面, 用 P 表示[15].如圖1所示,S1和P1表示入射光的電場(chǎng)矢量,和表示反射光的電場(chǎng)矢量,S2和P2表示透射光的電場(chǎng)矢量,n1和n2表示介質(zhì)層兩邊的折射率,i1表示入射角,表示反射角,i2表示折射角,k1,和k2為光線傳輸方向.

根據(jù)Snell折射定律, 得到折射角i2為

根據(jù)Fresnel公式, P 偏振分量的反射系數(shù)和折射系數(shù)為:

S 偏振分量的反射系數(shù)和折射系數(shù)為:

如果入射光照射到氣泡界面(水中-空氣)的某一點(diǎn), 則稱(chēng)在氣泡界面處呈點(diǎn)狀的光為點(diǎn)光源. 如圖2所示[16], 設(shè)點(diǎn)光源的入射角、折射角分別為α和β, 且水體和空氣折射率分別為1.33和1.00, 則β=sin-1(1.33sinα). 點(diǎn)光源入射到水中氣泡表面A點(diǎn)將發(fā)生第1次反射, 將其記為經(jīng)氣泡第1次折射的光線記為l=1. 經(jīng)過(guò)B點(diǎn)在氣泡內(nèi)壁反射的光線記為l=2 , 折射出氣泡外界面的光線記為同理在C點(diǎn)處氣泡內(nèi)壁反射的光線記為l=3 , 折射出氣泡外界面的光線記為, 在D點(diǎn)處氣泡內(nèi)壁反射的光線記為l=4 , 折射光為由于光具有偏振性, 可以用Fresnel反射理論推導(dǎo)出水中氣泡界面處的反射光強(qiáng)和折射光強(qiáng)計(jì)算公式[16].

由于總光強(qiáng)是 S , P 分量之和, 所以經(jīng)推導(dǎo), 在氣泡界面的某點(diǎn)第n次反射和折射的光強(qiáng)和第2次的強(qiáng)度之間的關(guān)系表示為[16]

由(4)式可以依次計(jì)算出在A點(diǎn)處、B點(diǎn)處、C點(diǎn)處、D點(diǎn)處的出射光強(qiáng)大小及其變化趨勢(shì). 計(jì)算得到圖2中A點(diǎn)處光線第1次反射進(jìn)入氣泡外界面光強(qiáng)、B點(diǎn)處光線第2次折射出氣泡的光強(qiáng)、C點(diǎn)處光線第3次折射出氣泡的光強(qiáng)、D點(diǎn)處光線第4次折射出氣泡的光強(qiáng)為:

圖2 點(diǎn)光源入射到水中氣泡界面[16]Fig. 2. Light’s incidence to water bubble interface[16].

其中,I0為入射到水中氣泡界面的光強(qiáng), 表示為I0=I0p+I0s, 設(shè)入射強(qiáng)度初始值為1, 計(jì)算求出在不同入射角度下氣泡外界面中各處能量所占入射光源比例如表1所列.

由表1可知, 在小于臨界角的范圍內(nèi), 光源在氣泡A點(diǎn)、C點(diǎn)和D點(diǎn)處外界面反射光強(qiáng)隨著入射角度增大而不斷增大; 在B點(diǎn)處(即第二次折射出外界面)的折射光源在初始入射光I0總能量中始終占據(jù)較大比例, 光強(qiáng)為最大; 在D點(diǎn)處的光強(qiáng)值為最小, 基本為零; 在接近臨界角時(shí), 由于發(fā)生全反射現(xiàn)象, 氣泡界面各處的光強(qiáng)發(fā)生突變,A點(diǎn)處急劇增加, 其他各處基本可以忽略不計(jì).

表1 水中氣泡外界面多次反射、折射后的強(qiáng)度變化Table 1. Intensity of the bubble external interface with multiple reflection and refraction.

當(dāng)光線以一定的入射角入射時(shí), 第n次反射光線和折射光線的偏振度為

根據(jù)(4)式—(6)式可以依次計(jì)算出入射光源在氣泡A點(diǎn)處(第一次)、B點(diǎn)處(第二次)、C點(diǎn)處(第三次)、D點(diǎn)處(第四次)的出射光偏振度大小及其變化趨勢(shì), 如表2所列.

表2 水中氣泡外界面多次反射、折射后的偏振度變化Table 2. The DOP of the bubble external interface with multiple reflection and refraction.

由表2可知, 在氣泡A點(diǎn)、C點(diǎn)、D點(diǎn)處, 隨著入射夾角的增大, 氣泡外界面反射光線和折射光線的偏振度都先增大后減小, 在35°—40°之間, 三處的偏振度同時(shí)達(dá)到最大值;B點(diǎn)處的偏振度隨夾角變化而一直保持增大狀態(tài); 在入射角小于40°的時(shí)候, 除A點(diǎn), 其他各處經(jīng)多次內(nèi)外界面?zhèn)鬏敽笃穸炔粩嗵岣? 第4次傳輸時(shí)基本變成了完全偏振光;入射角大于40°至臨界角, 除B點(diǎn)外, 其他各處經(jīng)多次內(nèi)外界面?zhèn)鬏敽笃穸炔粩嘟档? 在臨界角附近因?yàn)槿瓷渥饔枚l(fā)生數(shù)值突變. 通過(guò)分析得知, 光源在氣泡界面?zhèn)鬏敽蟮钠穸葘?duì)入射角度存有一定的敏感性, 入射夾角是影響氣泡偏振特性的重要影響因素. 單個(gè)大氣泡界面各處光強(qiáng)、偏振的變化規(guī)律將為氣泡群的偏振光學(xué)特性分析奠定基礎(chǔ).

以單氣泡理論分析為基礎(chǔ), 在不同氣泡大小以及不同氣泡厚度條件下, 利用蒙特卡羅仿真的方式對(duì)光線在氣泡群中發(fā)生后向傳輸進(jìn)行仿真[17]. 設(shè)置條件如下: 入射光為自然光[1, 0, 0, 0], 以氣泡群厚度為橫坐標(biāo)軸, 氣泡群的偏振度DOP為縱坐標(biāo)軸, 經(jīng)仿真后整理數(shù)據(jù)并繪制圖表如圖3所示.

圖3 不同氣泡大小和厚度條件下的偏振信息變化趨勢(shì)Fig. 3. Change trend of polarization information with different bubble size and thickness.

圖3 中, 氣泡群厚度增加對(duì)偏振狀態(tài)的影響類(lèi)似于氣泡數(shù)密度增加, 等效于增加散射光單元在氣泡群中發(fā)生多次散射的概率. 由仿真結(jié)果可以看出, 在入射光為自然光[1, 0, 0, 0]的情況下, 隨著氣泡群厚度的增加, 后向傳輸光的偏振度會(huì)不斷減小; 隨著氣泡群中單個(gè)氣泡半徑的增加, 后向傳輸光的偏振度整體均值會(huì)不斷減小, 三種不同半徑的氣泡偏振度下降趨勢(shì)保持一致.

光入射到目標(biāo)表面, 物體因其自身屬性的不同會(huì)具有不同的偏振特性. 物體表面反射光的偏振狀態(tài)不僅與物體表面的粗糙度、陰影、形狀等特性相關(guān), 還與入射光的偏振狀態(tài)、入射角度、波長(zhǎng)等因素相關(guān). 根據(jù)入射光的電場(chǎng)分量與Stokes矢量之間的定量關(guān)系, 以及Jones矩陣和Mueller矩陣之間的定量關(guān)系, 金屬目標(biāo)表面的反射關(guān)系如下:

其中, Fresnel反射振幅比rs,rp的表達(dá)式表示為

其中,θ1為入射角,n1為入射介質(zhì)的折射率(本文介質(zhì)為水, 取值1.33),n-ik為目標(biāo)反射面的反射系數(shù),t和s的表達(dá)式為

由(7)式可以看出, 光滑目標(biāo)表面單次反射的Mueller矩陣元素取決于Fresnel反射振幅比rs和rp. 由于非電導(dǎo)材料(絕緣體)和導(dǎo)電材料表面反射系數(shù)的不同會(huì)導(dǎo)致Mueller矩陣中的m34和m43項(xiàng)數(shù)值有所差異, 這種方法可辨別出非電導(dǎo)材料和導(dǎo)電材料; 同理, 通過(guò)目標(biāo)表面反射光S, P分量的相位角差可以區(qū)分金屬目標(biāo)和非金屬目標(biāo)[18]; 在不同波長(zhǎng)的入射光照射下, 不同材質(zhì)的金屬目標(biāo)具有不同的反射系數(shù)[18]. 所以, 通過(guò)目標(biāo)表面反射的偏振特性不僅可以區(qū)分金屬目標(biāo)和非金屬目標(biāo), 還可以對(duì)不同材質(zhì)的金屬目標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分類(lèi). 在水下環(huán)境中, 當(dāng)垂直入射非偏振光時(shí), 隨光源入射角度的改變, 不同材質(zhì)目標(biāo)物(銅材質(zhì)、鋁材質(zhì)、鐵材質(zhì))[19]的偏振信息變化情況如圖4所示.

由圖4可以看出, 在水下環(huán)境中, 隨著光源入射角的增大, 金屬的S分量緩慢增大到1, P分量通常先減小, 達(dá)到一定角度后迅速增大到1; 關(guān)于偏振度方面, 當(dāng)金屬表面屬于理想光滑時(shí), 只會(huì)發(fā)生Fresnel鏡面反射, 且金屬表面反射光的線偏振度會(huì)隨入射角的增加而增大, 入射角等于Brewster角時(shí)偏振度達(dá)到最大值; 當(dāng)入射角繼續(xù)增加到接近90°時(shí), 反射偏振度隨入射角的增加而減小[19].可以看出, 不同材質(zhì)的目標(biāo)物具有不同的偏振特性.

圖4 不同材質(zhì)目標(biāo)表面的S, P方向的反射比率曲線和偏振度變化趨勢(shì) (a) 銅材質(zhì); (b) 鋁材質(zhì); (c)鐵材質(zhì)Fig. 4. Reflectance curve of the different target’s surface and the change trend of DOLP: (a) Cuprum; (b) aluminium;(c) iron.

與一般的水下偏振成像過(guò)程中通過(guò)理論推導(dǎo)構(gòu)建目標(biāo)復(fù)原模型不同, 氣泡環(huán)境下的偏振探測(cè)系統(tǒng)獲得的圖像光強(qiáng)信息來(lái)源較為復(fù)雜, 主要包括四個(gè)部分: 一是目標(biāo)反射光穿過(guò)水體并發(fā)生衰減后得到的直接傳輸部分; 二是發(fā)射光源進(jìn)入氣泡群中發(fā)生后向傳輸形成的背向雜光; 三是目標(biāo)反射光與氣泡群發(fā)生作用形成的前向雜光; 四是沒(méi)有經(jīng)過(guò)氣泡反射而直接由周?chē)橘|(zhì)散射進(jìn)入成像系統(tǒng)的散射光強(qiáng). 為構(gòu)建水下光傳輸模型, 將四個(gè)部分進(jìn)行線性組合, 如下式所示:

式中Itotal(x,y) 表示成像系統(tǒng)直接獲得的光強(qiáng)圖像,即氣泡群干擾下的模糊圖像;D(x,y) 表示目標(biāo)表面處反射的光經(jīng)過(guò)水體介質(zhì)(未經(jīng)過(guò)氣泡群內(nèi)部傳輸)衰減后到達(dá)成像系統(tǒng)的光強(qiáng);F(x,y) 為目標(biāo)表面反射回來(lái)的光經(jīng)過(guò)氣泡群前向傳輸?shù)竭_(dá)成像系統(tǒng)的光強(qiáng);B(x,y) 為發(fā)射光源進(jìn)入水下氣泡群進(jìn)行后向傳輸產(chǎn)生的背景雜散光,K(x,y) 為沒(méi)有經(jīng)過(guò)氣泡群而由水體介質(zhì)散射進(jìn)入成像系統(tǒng)的散射光強(qiáng). 傳輸過(guò)程模擬圖如圖5所示.

圖5 光子在含有目標(biāo)物的氣泡群中傳輸過(guò)程模擬圖Fig. 5. Simulation diagram of photon transport process in bubble group containing target.

光源傳輸過(guò)程如下: 假設(shè)有一束準(zhǔn)直光源入射至含有目標(biāo)物的氣泡群中, 光線進(jìn)入第一個(gè)單氣泡內(nèi)界面發(fā)生反射并折射出氣泡外界面, 然后進(jìn)入下一個(gè)單氣泡內(nèi)界面發(fā)生多次反射并折射, 依此類(lèi)推, 最后出射光線與水中目標(biāo)物接觸, 發(fā)生反射后攜帶目標(biāo)信息再次進(jìn)入氣泡群中傳輸, 最終到達(dá)水下成像系統(tǒng). 與光線在不含目標(biāo)的氣泡群中傳輸相比, 由于增加了與目標(biāo)的作用, 其偏振信息與氣泡群區(qū)域的偏振信息會(huì)有所不同.

氣泡群與人造目標(biāo)物具有截然不同的偏振光學(xué)特性. 經(jīng)仿真發(fā)現(xiàn), 一定入射角度范圍內(nèi), 在氣泡界面第4次折射后的光線變成了完全偏振光; 光線在氣泡群中隨著氣泡厚度和氣泡大小的增大呈規(guī)律性遞減; 目標(biāo)的偏振特性與自身的材質(zhì)以及入射光源的入射角度和波段的選擇有關(guān), 通過(guò)在復(fù)雜環(huán)境下探測(cè)目標(biāo)與背景偏振信息的差異, 可以識(shí)別出目標(biāo)并分類(lèi), 這也為基于主動(dòng)光偏振成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)氣泡群中目標(biāo)的識(shí)別創(chuàng)造了條件. 根據(jù)上述仿真和理論分析, 下面通過(guò)水下氣泡實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析方式從多方面探究氣泡群環(huán)境下目標(biāo)的強(qiáng)度信息和偏振信息的變化規(guī)律.

3 實(shí)驗(yàn)方法與成像平臺(tái)搭建

氣泡群遮幕下的水下目標(biāo)探測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由透明玻璃實(shí)驗(yàn)水箱、探照燈光源、氣泡群產(chǎn)生裝置、多波段偏振成像接收系統(tǒng)、角度調(diào)整旋轉(zhuǎn)平臺(tái)以及數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)組成[20]. 氣泡發(fā)生系統(tǒng)是采用多條氣泡發(fā)生器縱向排列(每增加一條氣泡條等效于氣泡群密度增加1倍), 并通過(guò)旋轉(zhuǎn)氣泡發(fā)生器調(diào)節(jié)閥以控制氣泡產(chǎn)生的數(shù)量. 水下目標(biāo)物選擇高分辨率板、金屬制品、塑料制品、布制娃娃等多種材質(zhì)的物品. 偏振成像接收系統(tǒng)由PHX050SP偏振相機(jī)和多波段濾光片轉(zhuǎn)輪組成, 如圖6(a)所示, 該系統(tǒng)采用同時(shí)成像的方式進(jìn)行水下目標(biāo)探測(cè), 控制成像條件不變以及在相同的目標(biāo)情況下,分別采集無(wú)氣泡和有氣泡時(shí)的圖像. 根據(jù)水箱的大小和視場(chǎng)的實(shí)際情況, 確定焦距和視場(chǎng)角以便選擇合適的成像鏡頭. 本文水下氣泡實(shí)驗(yàn)的光源選擇普通的高功率攝影探照燈, 光照可調(diào)且亮度較高, 適用于一般的水下目標(biāo)探測(cè)場(chǎng)景. 實(shí)驗(yàn)前測(cè)得水箱水體的衰減系數(shù)為0.16 m—1. 根據(jù)上述的器材選擇,構(gòu)建水下氣泡偏振成像系統(tǒng)如圖6(b)所示.

圖6 偏振成像系統(tǒng)和水下氣泡實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖 (a)多波段偏振成像系統(tǒng); (b) 水下氣泡偏振成像系統(tǒng)示意圖Fig. 6. Polarization imaging system and underwater bubble experiment platform: (a) Multi-band polarization imaging system;(b) underwater bubble polarization system.

多波段成像系統(tǒng)采用的偏振相機(jī)型號(hào)為PHX050S-P, 該相機(jī)在像素上添加了偏振濾光片, 每個(gè)2 × 2像素陣列上有4個(gè)不同方向的偏振濾光片(0°, 45°, 90°和135°), 可以輸出合成強(qiáng)度圖S0及0°, 45°, 90°和135°四個(gè)方向的偏振輻射圖, 也可輸出實(shí)時(shí)偏振度圖和偏振角圖, 集成化較高, 且成像分辨率為2448 pixel × 2048 pixel. 在水下氣泡實(shí)驗(yàn)中, 為了達(dá)到更好的氣泡圖像采集效果, 該偏振成像系統(tǒng)的曝光時(shí)間設(shè)置為33 μs并一直固定不變.

水下氣泡實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)條件下進(jìn)行, 氣溫23 ℃,氣泡模擬器位于水槽底部(水深0.5 m), 所拍攝氣泡群位于水面下0.3 m.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理與分析討論

圖7 是利用多波段水下偏振成像系統(tǒng)采集到的不同氣泡密度條件下的強(qiáng)度圖像, 目標(biāo)區(qū)域?yàn)榍逦牟噬直媛拾? 將發(fā)射光源強(qiáng)度、相機(jī)曝光時(shí)間、鏡頭焦距、入射夾角等條件保持不變, 通過(guò)控制氣泡發(fā)生器中氣泡條開(kāi)關(guān)數(shù)目以產(chǎn)生不同氣泡群密度, 氣泡條數(shù)目1, 2, 3分別對(duì)應(yīng)低密度氣泡群、中密度氣泡群、高密度氣泡群.

圖7 不同氣泡密度影響下的圖像采集 (a)無(wú)氣泡圖像;(b)低密度氣泡圖像; (c)中密度氣泡圖像; (d)高密度氣泡圖像Fig. 7. Image acquisition under the influence of the different density of bubbles: (a) No bubble; (b) low density;(c) medium density; (d) high density.

氣泡群的存在會(huì)影響水下目標(biāo)的清晰成像, 并且某些目標(biāo)區(qū)域的氣泡相對(duì)較為明亮, 某些區(qū)域的氣泡亮度相對(duì)較暗, 導(dǎo)致目標(biāo)區(qū)域的分辨率降低.下面從多個(gè)方面研究氣泡對(duì)水下目標(biāo)成像的影響.

4.1 光源入射夾角變化對(duì)目標(biāo)成像的影響

實(shí)際的水下目標(biāo)探測(cè)中, 在其他條件保持不變的情況下, 入射光源與成像系統(tǒng)相對(duì)于水下目標(biāo)所呈夾角的大小往往會(huì)影響水下目標(biāo)成像效果. 所呈夾角越小, 目標(biāo)反射光進(jìn)入成像系統(tǒng)的能量越小,目標(biāo)成像越暗, 所獲取的偏振信息越少; 當(dāng)夾角慢慢增大到理想情況, 光源發(fā)生鏡面反射進(jìn)入成像系統(tǒng), 此時(shí)的反射光是線偏振光, 振動(dòng)方向?yàn)榇怪比肷涿? 所獲取的目標(biāo)圖像最清晰、偏振信息最多;當(dāng)夾角再增大時(shí), 目標(biāo)反射進(jìn)入成像系統(tǒng)的能量慢慢減少, 圖像變暗, 從而影響水下目標(biāo)的觀測(cè). 水下氣泡成像結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示.

圖8 水下氣泡成像示意圖Fig. 8. Diagram of underwater bubble imaging.

設(shè)置實(shí)驗(yàn)條件如下: 水中的氣泡密度為中密度, 多波段偏振成像系統(tǒng)設(shè)置為寬波段成像, 發(fā)射光源強(qiáng)度為3擋, 成像系統(tǒng)光圈、相機(jī)與水下目標(biāo)的距離等條件保持不變, 整個(gè)實(shí)驗(yàn)逐步改變旋轉(zhuǎn)臺(tái)角度大小(以10°為步長(zhǎng), 變化范圍為60°—120°),并通過(guò)成像系統(tǒng)同時(shí)采集4幅不同偏振化方向下的強(qiáng)度圖像. 利用偏振成像軟件采集圖像、偏振計(jì)算并進(jìn)行偽彩色處理, 得到的結(jié)果如圖7所示(選取夾角角度為60°, 90°, 120°).

圖9(a)每一列分別表示不同夾角下的合成強(qiáng)度輻射圖, 第一行表示無(wú)氣泡強(qiáng)度信息圖, 第二行表示有氣泡強(qiáng)度信息圖; 圖9(b)每一列分別表示不同夾角下的偏振度偽彩色信息圖, 第一行表示無(wú)氣泡偏振度信息圖, 第二行表示有氣泡偏振度信息圖. 由圖可知, 氣泡群和水下目標(biāo)的偏振特性會(huì)隨著成像夾角的不同而有所不同. 因?yàn)闅馀萑汉湍繕?biāo)發(fā)生鏡面反射的固定角度不同, 導(dǎo)致夾角的變化對(duì)兩者偏振信息的影響程度也有所差異. 當(dāng)夾角較小時(shí), 考慮到相機(jī)內(nèi)部暗電流等干擾因素, 并且會(huì)有較少光線在氣泡群內(nèi)部的單氣泡中發(fā)生折射和反射后進(jìn)入成像系統(tǒng)中, 所以氣泡群區(qū)域背向光偏振度偏小, 并遮蔽目標(biāo)區(qū)域; 當(dāng)夾角為90°附近時(shí), 相機(jī)內(nèi)部噪聲受到偏振成像的抑制, 無(wú)氣泡的偏振度圖中目標(biāo)區(qū)域和背景區(qū)域的對(duì)比度較好, 加入氣泡群之后, 由于氣泡和目標(biāo)兩者偏振特性的差異, 目標(biāo)的成像效果依然較佳; 隨著成像夾角的再次增大, 雖然無(wú)氣泡的偏振度圖像對(duì)比度較高，但是氣泡的偏振度數(shù)值隨夾角的變化而不斷增大, 使得目標(biāo)區(qū)域偏振成像受到一定的干擾，視覺(jué)效果存在失真. 此實(shí)驗(yàn)證明了同一材質(zhì)的目標(biāo)物會(huì)隨著光源入射角度的變化而表現(xiàn)出不同的偏振特性，且在90°左右成像為最佳.

圖9 不同夾角下的目標(biāo)強(qiáng)度和偏振信息變化圖 (a)不同夾角下的強(qiáng)度輻射圖; (b)不同夾角下的偏振度信息圖Fig. 9. Strength and polarization information of underwater target under different angles: (a) Intensity figure under different angles;(b) DOP figure under different angles.

4.2 不同成像波段對(duì)目標(biāo)成像的影響

設(shè)置如下的實(shí)驗(yàn)條件: 水中的氣泡密度為中密度, 入射光源與成像系統(tǒng)相對(duì)于目標(biāo)所呈夾角為90°, 探照燈的發(fā)射光源強(qiáng)度為3擋, 實(shí)驗(yàn)過(guò)程僅改變多波段偏振相機(jī)鏡頭前方的濾光片轉(zhuǎn)輪.

圖10中每組圖像代表一種材質(zhì), 其中圖10(a)的每一列分別表示波段為550 nm、670 nm以及寬波段條件下目標(biāo)材質(zhì)1的有氣泡合成強(qiáng)度圖和有氣泡偏振度圖, 同理, 圖10(b)表示目標(biāo)材質(zhì)2的有氣泡合成強(qiáng)度圖和偏振度圖. 觀察圖10可以發(fā)現(xiàn), 由于不同的波段在水下傳輸過(guò)程中能量衰減程度和傳播距離不同, 氣泡群中目標(biāo)成像的效果也各不一致. 在550 nm波段中, 水下目標(biāo)的強(qiáng)度圖較為清晰, 石制雕像(材質(zhì)1)和鐵質(zhì)玩具車(chē)(材質(zhì)2)在細(xì)節(jié)方面也優(yōu)于其他波段, 但可以明顯看出存在表面涂層失真的現(xiàn)象; 550 nm波段和670 nm波段的偏振圖中目標(biāo)物的偏振信息受到氣泡群偏振信息的遮蔽, 目標(biāo)和背景區(qū)域?qū)Ρ榷炔桓? 當(dāng)波段為寬波段時(shí), 偏振度圖中目標(biāo)和背景區(qū)域的對(duì)比度最好, 受到的氣泡群影響最小. 氣泡群和水下目標(biāo)物在不同的入射角度、成像波段條件下, 顯示不同的偏振特性, 這為復(fù)雜水下氣泡環(huán)境中的物體識(shí)別創(chuàng)造了條件.

圖10 不同波段條件下的水下目標(biāo)成像情況 (a)材質(zhì)1; (b)材質(zhì)2Fig. 10. The underwater target imaging under the condition of different bands: (a) Material 1; (b) material 2.

4.3 水下氣泡群對(duì)不同典型金屬材質(zhì)目標(biāo)成像的影響

氣泡群對(duì)不同典型材質(zhì)的水下目標(biāo)強(qiáng)度信息和偏振信息的影響程度, 迄今還未有相關(guān)研究資料. 設(shè)置實(shí)驗(yàn)條件如下: 入射光源與成像系統(tǒng)相對(duì)于水下目標(biāo)所呈夾角為90°, 成像波段為寬波段,水中的氣泡密度為中等密度, 探照燈的發(fā)射光源強(qiáng)度為3擋, 其他所有條件保持不變, 整個(gè)實(shí)驗(yàn)僅改變水下目標(biāo)的材質(zhì)(從左到右分別為鐵片、鋁片、黃銅片、紫銅片), 如圖11所示.

圖11為水下氣泡實(shí)驗(yàn)所采用的不同材質(zhì)金屬目標(biāo)物. 采集后的原始圖像經(jīng)計(jì)算和處理, 得到圖12所示的強(qiáng)度信息圖和偏振信息圖.

圖11 不同材質(zhì)目標(biāo)物 (a)鐵片; (b)鋁片; (c)黃銅片; (d)紫銅片F(xiàn)ig. 11. Object of different material: (a) Iron sheet; (b) aluminum sheet; (c) brass sheet; (d) copper sheet.

圖12中每一行的第一幅圖和第二幅圖分別表示為同一材質(zhì)的無(wú)氣泡和有氣泡合成強(qiáng)度信息圖,每一行的第三幅圖和第四幅圖分別表示同一材質(zhì)的無(wú)氣泡和有氣泡的偏振度信息圖. 通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn), 在成像夾角為90°、成像波段為寬波段的條件下, 各類(lèi)材質(zhì)的偏振信息圖能較好體現(xiàn)普通光強(qiáng)圖像無(wú)法展示的細(xì)節(jié)信息, 并可以通過(guò)目標(biāo)與背景偏振信息較大的差異來(lái)增強(qiáng)目標(biāo)對(duì)比度、改善成像質(zhì)量, 達(dá)到抑制背景噪聲、獲取目標(biāo)細(xì)節(jié)特征、識(shí)別目標(biāo)等目的.

圖12 不同材質(zhì)目標(biāo)物強(qiáng)度信息圖和偏振信息圖 (a)鐵片; (b)鋁片; (c)黃銅片; (d)紫銅片F(xiàn)ig. 12. Intensity and polarization information of different material: (a) Iron sheet; (b) aluminum sheet; (c) brass sheet; (d) copper sheet.

實(shí)驗(yàn)中除了目標(biāo)物的材質(zhì)不同, 其他方面均保持一致. 圖13是利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方式對(duì)各類(lèi)材質(zhì)的圖像進(jìn)行定量化數(shù)據(jù)分析而生成的直方條形圖; 通過(guò)多次區(qū)域截取操作和統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到氣泡群區(qū)域的強(qiáng)度均值和偏振度均值、目標(biāo)區(qū)域的強(qiáng)度均值和偏振度均值. 由圖13可以看出, 在氣泡群的影響下,大部分目標(biāo)材質(zhì)強(qiáng)度信息均有不同程度的減小, 但是減小的幅度各不相同, 鐵片強(qiáng)度信息減幅最大,鋁片強(qiáng)度信息減幅最小; 由于實(shí)驗(yàn)中主動(dòng)光源和材質(zhì)反射率的影響, 光源產(chǎn)生的顏色與黃銅片的顏色具有一定的相似度, 因而該材質(zhì)在氣泡群的影響下強(qiáng)度信息不降反升. 關(guān)于偏振方面, 因?yàn)椴馁|(zhì)反射率的不同, 各類(lèi)目標(biāo)的偏振度值存有差異, 除了黃銅片外, 鐵片偏振度值最大, 紫銅片最小, 當(dāng)氣泡群存在時(shí), 偏振度數(shù)值均有小幅提升, 各材質(zhì)的偏振度數(shù)值相對(duì)大小與第2節(jié)中目標(biāo)反射率仿真結(jié)果基本一致. 根據(jù)第2節(jié)的氣泡理論, 由于光線在單氣泡中第4次傳輸時(shí)變成完全偏振光, 光線發(fā)生多次折射和反射的幾率增大, 因而氣泡群區(qū)域的偏振度值會(huì)高于目標(biāo)的數(shù)值, 此時(shí)的目標(biāo)識(shí)別度較高；由圖可以進(jìn)一步看出氣泡群的存在與否對(duì)于金屬材質(zhì)目標(biāo)物的偏振度影響較小，數(shù)值變化不大.探究氣泡群遮幕下的不同材質(zhì)強(qiáng)度和偏振度的變化趨勢(shì)可以為未來(lái)的水下目標(biāo)材質(zhì)識(shí)別和分類(lèi)提供一定的參考.

圖13 典型金屬材質(zhì)的變化對(duì)目標(biāo)偏振成像的影響 (a)不同材質(zhì)目標(biāo)強(qiáng)度信息統(tǒng)計(jì)分析; (b)不同材質(zhì)目標(biāo)偏振度信息統(tǒng)計(jì)分析Fig. 13. Influence of changes of the typical metal material on the target polarization imaging: (a) Target’s strength information statistics and analysis of different material; (b) target’s polarization degree statistics and analysis of different material.

4.4 不同氣泡群厚度對(duì)水下目標(biāo)成像的影響

氣泡群厚度的變化會(huì)影響水下環(huán)境中目標(biāo)成像的效果. 設(shè)置的成像夾角、波段等實(shí)驗(yàn)條件與第4.3節(jié)一致, 整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程僅改變水中的氣泡厚度大小. 采集的偏振圖像經(jīng)計(jì)算處理, 得到如圖14所示的強(qiáng)度信息圖像和偏振度偽彩色圖.

圖14的兩組圖像中, 圖14(a)表示不同氣泡群厚度的合成強(qiáng)度圖, 圖14(b)表示不同氣泡群厚度的偏振度偽彩色圖, 密度后面的數(shù)值代表氣泡條的數(shù)目, 數(shù)值越大, 氣泡條數(shù)目越多, 水中產(chǎn)生的氣泡厚度也越大. 通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn), 強(qiáng)度圖像中目標(biāo)外部被遮蔽的陰影部分能夠在偏振信息圖像中清晰可見(jiàn); 氣泡群厚度越大, 對(duì)水下目標(biāo)成像的影響也越大; 在高密度氣泡中, 氣泡的偏振信息幾乎遮蔽了目標(biāo)的偏振信息, 使得目標(biāo)識(shí)別更加困難.

圖14 不同氣泡密度下的強(qiáng)度圖和偏振信息圖 (a) 強(qiáng)度圖; (b) 偏振度圖Fig. 14. Figure of intensity and polarization information under different bubble density: (a) Intensity’s figure; (b) DOP’s figure.

圖15是利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方式對(duì)不同氣泡群密度條件下水下目標(biāo)成像圖進(jìn)行定量化數(shù)據(jù)分析后生成的點(diǎn)線圖. 圖像截取操作和求均值計(jì)算與第4.3節(jié)保持一致. 觀察可知: 隨著氣泡厚度的增加, 目標(biāo)區(qū)域強(qiáng)度呈現(xiàn)逐級(jí)遞減規(guī)律, 氣泡區(qū)域緩慢遞增;因?yàn)椴馁|(zhì)反射率低, 所以目標(biāo)區(qū)域偏振度較小且變化緩慢, 但氣泡偏振度數(shù)值呈逐步遞減并接近目標(biāo)區(qū)域、目標(biāo)信息識(shí)別受限. 由于增大氣泡群厚度會(huì)導(dǎo)致入射光線在氣泡幕外界面直接發(fā)生反射進(jìn)入成像系統(tǒng)的幾率增大, 反射的光線增多, 因而會(huì)使氣泡區(qū)域強(qiáng)度值緩慢增大; 同樣, 氣泡厚度的增大提高了光子在氣泡外層的碰撞概率、氣泡層的有效傳輸厚度減少、加速了退偏振效果[10], 所以氣泡區(qū)域的后向傳輸偏振度數(shù)值會(huì)逐級(jí)遞減. 本實(shí)驗(yàn)結(jié)果中偏振度變化趨勢(shì)曲線與第2節(jié)氣泡群仿真結(jié)果基本一致.

圖15 氣泡群厚度對(duì)水下氣泡目標(biāo)偏振成像的影響 (a)強(qiáng)度信息變化趨勢(shì)圖; (b)偏振度信息變化趨勢(shì)圖Fig. 15. Bubble group density effects on the underwater bubble target polarization imaging: (a) Trend chart of intensity information; (b) trend chart of DOP information.

4.5 不同成像分辨率對(duì)水下目標(biāo)成像的影響

不同成像分辨率的選擇對(duì)水下目標(biāo)成像會(huì)有一定程度的影響[21]. 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)置與第4.3節(jié)一致, 整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程僅通過(guò)控制成像系統(tǒng)與水下氣泡環(huán)境中目標(biāo)物距離的方式來(lái)調(diào)節(jié)成像分辨率的大小, 距離越近, 成像分辨率越高; 距離越遠(yuǎn),成像分辨率越低. 采集圖像并截取目標(biāo)內(nèi)部相同的位置, 如圖16所示, 當(dāng)成像分辨率增大時(shí), 氣泡的存在對(duì)目標(biāo)的成像干擾越大, 目標(biāo)的識(shí)別率降低.

圖16 不同成像距離條件下的水下目標(biāo)內(nèi)部細(xì)節(jié)圖 (a) 0.5 m; (b) 0.6 m; (c) 0.7 m; (d) 0.8 m; (e) 0.9 m; (f) 1.0 mFig. 16. The underwater target details views under the condition of different imaging distance: (a) 0.5 m; (b) 0.6 m; (c) 0.7 m;(d) 0.8 m; (e) 0.9 m; (f) 1.0 m.

對(duì)圖16所示的氣泡環(huán)境中目標(biāo)細(xì)節(jié)圖做進(jìn)一步的定量化評(píng)價(jià)分析, 結(jié)果如表3所列.

表3 不同成像分辨率條件下的圖像評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 3. Image evaluation index under the condition of different imaging resolution.

由表3可以看出, 圖像的質(zhì)量和細(xì)節(jié)識(shí)別效果會(huì)因圖像分辨率的改變而發(fā)生相應(yīng)的變化, 也證明了在一定程度上分辨率越高, 圖像質(zhì)量和識(shí)別效果不一定越好. 因此, 選擇合適的尺度和分辨率對(duì)于水下目標(biāo)成像探測(cè)具有重要的意義.

5 利用偏振圖像融合方法抑制氣泡群對(duì)水下目標(biāo)成像的影響

根據(jù)上面的探究結(jié)果, 當(dāng)入射夾角為90°、波段為寬波段時(shí), 目標(biāo)可視度最佳、圖像對(duì)比度最好.本節(jié)將進(jìn)一步探究并考慮利用合成強(qiáng)度圖和偏振度圖進(jìn)行相應(yīng)的融合處理, 獲得目標(biāo)信息更為突出的融合圖像, 以抑制氣泡對(duì)水下目標(biāo)成像的影響[22]. 所用算法基于水下目標(biāo)偏振特征提取與視覺(jué)信息保留的圖像融合方法.

為獲取全局水下背景圖像B(x,y) , 先將原始總光強(qiáng)圖I(x,y) 進(jìn)行濾波處理, 濾波算法如下式所示:

其中,S0(x,y) 是實(shí)驗(yàn)成像系統(tǒng)接收的光強(qiáng)圖,median(·) 表示中值濾波,S0m(x,y) 表示原始總光強(qiáng)圖S0(x,y) 經(jīng)(11)式濾波后的圖像,p是比例參數(shù),p取0.95時(shí)濾波算法結(jié)果較好[23].

式中,sv是指中值濾波的鄰域尺寸取值, 表示為sv=2×floor[max(size(I))/25]+1.

由于在含有氣泡的水體環(huán)境中, 光線散射嚴(yán)重, 或者水下光線弱而使目標(biāo)成像較暗, 因而進(jìn)一步采用亮度增強(qiáng)融合算法提高目標(biāo)物的亮度和清晰度, 抑制氣泡群對(duì)目標(biāo)區(qū)域的影響, 從而提高圖像的成像質(zhì)量. 亮度增強(qiáng)融合算法具體如下:

D(x,y) 為原始總光強(qiáng)圖S0(x,y) 與S0(x,y) 經(jīng)濾波處理得到的全局水下背景圖像B(x,y) 相差后的結(jié)果, 將目標(biāo)圖D(x,y) 與背景圖B(x,y) 相比, 可以提高目標(biāo)區(qū)域的灰度值, 進(jìn)而提高目標(biāo)區(qū)域的分辨率.

圖17中第一行為原始強(qiáng)度圖像以及對(duì)應(yīng)的直方灰度圖, 第二行為偏振融合圖像及其對(duì)應(yīng)的灰度直方圖. 可以看出, 偏振融合結(jié)果圖在主觀視覺(jué)上比原始強(qiáng)度圖更好, 陰影遮蔽的部分被很好地展現(xiàn)出來(lái). 兩者對(duì)應(yīng)的灰度直方圖也表現(xiàn)出偏振融合圖效果比原始強(qiáng)度圖更佳.

圖17 目標(biāo)1強(qiáng)度圖、偏振融合圖與灰度直方圖 (a)強(qiáng)度圖與對(duì)應(yīng)直方圖; (b)偏振融合圖與對(duì)應(yīng)直方圖Fig. 17. Goal 1’s strength and gray histogram and polarization fusion: (a) Intensity and histogram; (b) polarization fusion and histogram.

根據(jù)圖18的多組融合圖像結(jié)果可以看出, 通過(guò)主觀判斷, 融合結(jié)果圖優(yōu)于原始強(qiáng)度圖的視覺(jué)效果. 下面分別利用多種圖像評(píng)價(jià)指標(biāo)(表4)對(duì)原始強(qiáng)度圖和融合圖像質(zhì)量進(jìn)行定量化評(píng)價(jià)[22].

圖18 第一行為中等氣泡密度強(qiáng)度圖, 第二行為偏振信息融合處理結(jié)果圖 (a)目標(biāo)2; (b)目標(biāo)3; (c)目標(biāo)4; (d)目標(biāo)5; (e)目標(biāo)6Fig. 18. The first behavior indicates intensity figure of bubbles medium density, the second behavior indicates figure of polarization information fusion processing results: (a) Target 2; (b) target 3; (c) target 4; (d) target 5; (e) target 6.

從表4中的評(píng)價(jià)指標(biāo)可以看出, 由于氣泡對(duì)整體成像有著一定的影響, 雖然融合后的圖像在信息熵方面略低于原始前灰度圖, 但是偏振融合后的圖像的平均梯度、邊緣強(qiáng)度、方差等評(píng)價(jià)指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原始強(qiáng)度圖像, 因而該融合方法可以提高水下氣泡環(huán)境中目標(biāo)物的成像質(zhì)量并抑制氣泡對(duì)水下成像的影響.

表4 圖像評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 4. Image evaluation index.

6 結(jié) 論

本文從氣泡理論推導(dǎo)與仿真、水下氣泡平臺(tái)搭建、氣泡數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析、利用偏振圖像融合方法抑制氣泡的影響等方面構(gòu)建了一個(gè)完整的氣泡群環(huán)境下目標(biāo)成像研究體系. 通過(guò)探究得到以下結(jié)論: 光源入射角度的變化和波段選擇的不同, 在氣泡群下的目標(biāo)物和背景區(qū)域的偏振信息相對(duì)差值也會(huì)不同; 在同一氣泡厚度條件下, 不同材質(zhì)目標(biāo)物的偏振度均有小幅提升; 隨著氣泡厚度的增加, 目標(biāo)區(qū)域的強(qiáng)度信息和氣泡區(qū)域的偏振信息呈比例衰減，但對(duì)低反射率目標(biāo)區(qū)域的偏振度數(shù)值影響不大；當(dāng)氣泡厚度較高時(shí), 強(qiáng)度成像和偏振成像技術(shù)都難以識(shí)別水下目標(biāo)物. 為了進(jìn)一步提高水下氣泡群環(huán)境下的目標(biāo)圖像獲取質(zhì)量, 研究了不同成像分辨率條件下的水下目標(biāo)成像以及偏振圖像與強(qiáng)度圖像的融合算法, 提出的基于水下目標(biāo)偏振特征提取與視覺(jué)信息保留的圖像融合方法可以較好地抑制氣泡群對(duì)水下目標(biāo)成像的影響, 目標(biāo)信息凸出并能夠清晰可見(jiàn). 鑒于高密度氣泡群環(huán)境中存在目標(biāo)識(shí)別困難的問(wèn)題, 未來(lái)將利用計(jì)算機(jī)仿真手段對(duì)光線在氣泡中損耗能量進(jìn)行補(bǔ)償以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別或者機(jī)器學(xué)習(xí)的方法對(duì)圖像進(jìn)行復(fù)原處理.