水下远距离全视景成像特性分析

贾 鹏，朱春丽，王 振，尹 丰，孙 钦，韩云峰

(1.哈尔滨工程大学 机电工程学院，哈尔滨 150001；2.中海油研究总院有限责任公司，北京 100028)

长期在海底工作的海底工程设备面临如海底洋流和暗流的冲刷、海洋污损生物附着引起的腐蚀和污损、渔船的渔网拖拽和落物产生的破坏等。因此，需要对海底工程设备及周边环境进行远距离全视景视频成像，预警外部风险，保障海底工程设备的长期可靠稳定运行。

为提高系统可靠性，适应海底工作环境，水下视频成像系统一般采用闭路电视成像技术。闭路电视技术成像效果主要取决于水下成像设备的性能、图像处理算法和成像设备的布置方式。

在水下成像设备性能方面，董会[1]等人设计了基于反摄远结构的水下微光成像系统，改善了水下微光环境下成像效果。Bosch[2]等人设计了六摄像机系统的水下全向多摄像机系统，并提出了同时处理广角镜头和非重叠镜头的内、外参数估计的全标定方法。张欣婷[3]等人设计了大视场的水下成像光学系统，对大视场系统产生的高畸变进行校正。在图像处理方法的研究方面，聂瑛[4]等人通过红光和绿光照明采集图像的灰度线性差值去除散射噪声信息，从而获取较好的目标图像信息。李庆武[5]等人采用暗原色算法对图像进行去模糊，对去模糊后的图像进行颜色校正，提高了水下图像的质量。Dubok[6]等人提出了基于光学成像模型和非局部均值去噪的水下图像增强框架，降低了增强图像中噪声。在成像设备布置方式的研究方面。张利[7]与张法全[8]等人研究了光源的角度对水下成像质量的影响，得出成像距离不变，图像衬度和信噪比随光源角度变大而增大的规律。赵欣慰[9]等人分析了背景光与水体光学参数、相机-光源-景物空间位置等参数之间的关系，得出了自然和人工2种不同光照条件下的背景光简化表达式。

目前，国内外学者针对水下光成像的研究焦点多在通过改进成像设备和使用图像处理降噪算法改善水下成像系统的成像质量，针对水下远距离全视景成像性能的研究较少。徐洪梅[10]等人提出了使用基于菲涅尔透镜的水下集束光源建立非均匀光场，提高了水下光学成像距离。韩捷飞[11]等人使用偏振成像技术提高了远距离成像质量。以上2种方法提高了水下光学成像距离和成像质量，但是需要对水下光源进行特殊定制，限制了应用的场景。此外，现有研究均未涉及水下全视景光学成像效果。

海底工程设备长期处于海洋环境中，复杂环境和第三方破坏会造成海底工程设备的故障和失效，因此，对海底工程设备周围环境的全视景远距离视频成像的研究是必要的。本文针对固定式水下视频成像系统进行成像性能研究，建立了水下远距离全视景成像照度和衬度模型，并对远距离全视景成像照度和成像衬度深入分析，为水下视频远距离全视景成像系统的设计提供理论依据。

1 水下视频成像系统结构

水下视频成像系统机械结构主要包括对接锁紧基座、整体支架、水下控制舱、水下电机舱、水下照明舱和连接轴等部件，如图1所示。整体支架承载水下视频成像系统各设备舱，被固定在基座上。水下控制舱接受外界的电力和通信信号，向各水下设备供电，同时对各水下设备进行控制。水下电机舱带动水下照明舱和水下摄像舱进行水平方向的同步旋转运动，实现水下摄像机的360°成像。

图1 水下远距离全视景视频成像系统

水下照明舱结构如图2所示，内部装有照明灯、俯仰舵机和可编程控制器，提供可调整俯仰角度的水下照明，辅助水下摄像机进行全视景成像。水下照明舱外部设有紫外线杀菌灯，对玻璃半球进行海洋生物污损防护。

图2 水下照明舱结构示意

为简化设计，水下摄像舱结构与水下照明舱类似，照明灯被替换为高清摄像机，摄像机具备30倍变焦性能，配合水下电机舱的±180°水平旋转，实现对海底设备及周围环境的全视景远距离成像。

基座和整体支架采用可分离设计，当水下设备被意外损坏或达到设计寿命时，可回收整体支架，更换损坏设备，延长整体工作寿命。

2 水下远距离全视景成像光强分析

2.1 水下远距离成像光照度分析

光在水中传输时被水体及水中微粒吸收和散射，导致水下光学成像系统的观察距离很短。水下照明灯发出的光是圆锥形的，光束的全张角为φ，一般水下照明灯的全张角较小，可取为π/6。照明灯对目标物的单位面积产生的直射照度Eod、散射照度Eos和总照度Eo为[12]：

(1)

(2)

Eo=Eod+Eos

(3)

式中：I0为照明灯初始发光强度；l为照明灯与目标物光路距离；c为海水的体积衰减系数，k为散射光的衰减系数，一般c/k=2.7。

目标物被照亮后，可以认为其在各个方向上光亮度相同，即全张角φ= π的朗伯光源，则在各个方向上，目标物的反射光亮度Lo为：

Lo=ρEoπ-1

(4)

式中：ρ为目标物的反射率，取其典型值0.2。

目标物反射的光经过传输后进入摄像机的直射光通量Φcd和散射光通量Φcs可表示为[13]：

Φcd=LoSr2exp(-cr)·πD2/4

(5)

(6)

式中：S为目标物的反射面积；r为目标物与摄像机的距离，即成像距离；D为摄像机镜头直径。

对于固定焦距f的水下摄像机镜头,其接收的回程直射光照度Ecd、回程散射光照度Ecs为[14]：

(7)

(8)

式中：f/D为镜头相对孔径的倒数即光圈F，一般取1.2；τ为摄像机镜头的透过率，取为0.85。

以水质清澈的南海为例，其水体体积衰减系数c约为0.23。假设照明灯与摄像机的距离为1.5 m，设定成像距离r为1倍水质能见度，即15 m，可求得摄像机总接受光照度与照明灯光照强度关系为：

Ec=Ecd+Ecs=0.000 030 7I0

(9)

照明灯的光通量与光照强度的关系如下：

(10)

式中：Φ为照明灯光通量；I为照明灯发光强度。

结合式(9)和式(10)，即可求得摄像机最低照度与照明灯光通量的关系为Φ=47 883Ec。实际工作时，照明灯发出的光线经过多次散射，因此应选择5～10倍计算值的照明灯光通量。

2.2 水下全视景成像光照度分析

为提高水下视频成像效果，利用同步扫描原理，同时控制摄像机与照明灯的俯仰角度，使摄像机与照明灯的光轴在目标物上交汇。

当摄像机俯仰旋转观察不同角度的目标物时，光源与目标物之间的光路距离l也会改变，造成摄像机接收光照度的变化。摄像机处于不同水平旋转角度、相同俯仰角度时，其接受的回程照度是一致的，因此，仅对不同摄像机俯仰角度的摄像机成像照度进行分析。

摄像机成像照度可由式(7)求得，对于相同的摄像机与目标物距离r，仅需计算不同俯仰角度θ时的光路距离l，即可求得摄像机成像照度。

摄像机向照明灯相同一侧旋转，即向水平面下方旋转时，水下成像光路如图3所示。

图3 摄像机向下观察时的光路距离

此时，照明灯与目标物的光路距离l与俯仰角度θ的关系为：

(11)

同理，摄像机向与照明灯相反一侧旋转即向水平面上方旋转时，照明灯与目标物的光路距离l与俯仰角度θ的关系为：

(12)

假设照明灯的初始光强度I0为3 000 cd，不同成像距离，摄像机进行-90 ～ 90°的俯仰运动时，摄像机最终接受到的光照度如图4所示。提高成像距离，摄像机接收光照度显著降低。相同成像距离，随摄像机俯仰角的减小，接收光照度逐渐增大。当成像距离较短时，接收光照度随俯仰角度的减小而增加的比较剧烈。此外，摄像机向下观察时，接收光照度较大。在实际工作中，摄像机一般观察水平面左右及以下的海底设备，此时摄像机接收光照度更大，成像效果较好。

图4 摄像机接收光照度随成像距离和摄像机俯仰角度变化

以照明灯的初始光强度I0为3 000 cd，不同摄像机与照明灯距离，摄像机进行-90 ～ 90°的俯仰运动时，摄像机最终接受到的光照度如图5所示。

图5 摄像机接收光照度随摄像机与照明灯距离和摄像机俯仰角度的变化

摄像机与照明灯的距离对接收光照度影响较小，相同摄像机与照明灯距离，随摄像机俯仰角的减小，接收光照度逐渐增大。此外，提高摄像机与照明灯距离，摄像机接收光照度随俯仰角的变化更剧烈。同时，将降低摄像机向上观察时接收到的光照度，提高摄像机向下观察时接收到的光照度，有利于对水平面以下的目标物成像。

通过对水下远距离全视景成像时摄像机接收照度分析可得，接收照度对监测距离的变化较为敏感，而监测角度的变化对接收照度的影响较小。将摄像机设置在照明灯上方，可提高水下摄像机对水平面以下区域的接受照度，符合实际工作需求。

此外，水下摄像机在最远监测距离，最大监测角度为90°时取得最小接收照度，通过此照度即可确定水下摄像机的成像照度性能参数。

3 水下远距离全视景成像衬度分析

3.1 水下成像衬度模型

水下成像效果的主要指标是衬度，即图像上不同区域间明暗程度的差异。水下视频成像系统的成像画面如果不能满足人眼衬度视觉阀值，目标物和背景无法被区分，视频成像系统无法获取有效的目标物图像，人眼衬度视觉阀值一般取0.02。

水下目标物成像衬度C定义为[15]：

(13)

式中：Lo为目标物在摄像机处亮度；Lb为背景亮度。

后向散射计算比较复杂，忽略多次散射，简化后向散射计算模型如图6所示。

图6 后向散射计算模型

对于与光源距离为l的散射体积元dV，经过r距离的传输后，摄像机接收到的由散射体积元dV产生的后向散射亮度dL(r)为：

(14)

式中：β(θ)为体积散射函数[16]。

海底设备体积较大，假设高度为5 m，成像距离为15 m，当摄像机对整个设备进行观察时，此时设备的顶部到底部，能进入摄像机的后向散射光线的体积散射角为153 ～ 173°，图7为一些海域的体积散射系数实际测量值，在体积散射角为153 ～ 173°时，体积散射系数变化不大，为简化计算，认为进入摄像机的后向散射光体积散射系数为定值，可取15 m处的β(163°)=1×10-3。

图7 不同海域的海水体积散射系数测量值

对式(14)积分，得到沿光轴方向摄像机接收到背景亮度Lb为：

(15)

目标物与摄像机的距离为r0，将dL(r)在[r1，r0]区间进行积分，得到沿光轴方向摄像机接收到目标物与摄像机之间的水体产生的亮度Lp：

(16)

因此，距离摄像机为r0处，亮度为Lo的漫反射目标物，摄像机成像的衬度C为：

(17)

水下视频成像系统需要对海底工程设备进行全覆盖视频成像，因此，对不同摄像机俯仰角度的摄像机成像衬度进行分析。

3.2 水下全视景成像衬度分析

由式(14)和式(17)可以看出，与摄像机距离固定为r的目标物，仅需计算不同俯仰角度θ时的照明灯与目标物的光路距离l，即可求得摄像机成像衬度，而不同俯仰角度对应的照明灯与目标物的光路距离l已由式(11)和式(12)求出。

不同摄像机与目标物距离，摄像机进行-90 ～ 90°的俯仰运动时，摄像机成像衬度值如图8所示，摄像机成像衬度随着俯仰角的减小出现先增大后减小的情况，随成像距离的增加而减小。此外，随着成像距离的增加，成像衬度的变化更平稳，高于最低成像阈值的俯仰成像角度增加，最高成像衬度所对应的成像角度不断提高，在较远的成像距离时，最佳成像衬度均出现在-40°左右。

图8 摄像机成像衬度随成像距离和俯仰角度的变化

图9给出了摄像机最大成像仰角随成像距离的变化，随着成像距离的增大，摄像机有效观察角度范围迅速减小，水下视频成像系统对近处物体的视频成像效果较好，对远处角度较高物体的观察效果较差。在15 m的监测距离下，摄像机最大观察仰角为25°，而低于0°的观察俯角内，摄像机成像衬度均高于阈值。

图9 摄像机最大成像仰角随成像距离变化曲线

成像距离固定为15 m，不同摄像机与照明灯距离，摄像机进行-90～ 90°的俯仰运动时，摄像机成像衬度值如图10所示。增大摄像机与照明灯的距离，可以提高同一俯仰角度的摄像机成像衬度。相同摄像机与照明灯距离时，摄像机成像衬度随成像俯仰角度的减小而先增大后减小。此外，提高摄像机与照明灯距离，摄像机成像衬度随成像俯仰角度的变化较为剧烈，且不同摄像机与照明灯的距离下，最高成像衬度所对应的成像角度基本不变，最佳成像衬度均出现在-40°左右。

图10 摄像机成像衬度随摄像机与照明灯距离和俯仰角度的变化

通过对水下远距离全视景成像时摄像机成像衬度分析可得，不同监测距离下，摄像机成像衬度随俯仰角度的变化基本一致，随监测距离的增大，成像衬度迅速下降。摄像机与照明灯距离对不同俯仰角度的成像衬度影响较大，提高摄像机与照明灯距离，可显著提高成像衬度，且不同俯仰角度成像衬度的差异变大。一般海底工程设备在海底，因此水下视频成像系统主要观察水平面及以下的目标物，将摄像机设置在照明灯上方，将提高摄像机对水平面以下区域的观察效果，符合实际工作需求。此外，摄像机在不同监测距离下和不同摄像机与照明灯距离下，均在俯仰角度为-40°时取得最大成像衬度，实际应用时，应考虑将重点监测海底设备放置于此角度以提高视频监测效果。

4 水下试验

水下远距离全视景视频成像系统结构复杂，体积较大，因此进行中间试验，使用简单的结构，安装可直接用于水下的摄像机和照明灯，对水下远距离全视景视频成像系统的成像性能进行验证。

水下远距离全视景视频成像系统测试装置如图11所示，由底座、支撑架、水下摄像机和水下照明灯组成。支撑架的顶部可以水平旋转，模拟摄像机和照明灯的俯仰角度调整。试验所使用水下摄像机型号为OceanCAM-IP，最低照度为0.01 lx；水下照明灯型号为SeaLED 65，可输出3 000 lm的光通量，具备远程调光能力。试验场地如图12所示的综合试验水池。

图11 水下远距离全视景成像测试装置

图12 综合试验水池

本次试验分为2部分，分别设置不同的成像装置与水下测试板的距离和角度，模拟实际工作时对海底工程设备的远距离全覆盖视频监测效果。

4.1 相对距离对成像效果影响的试验

这是水下摄像机对水下测试板的成像效果受这两者之间距离影响的试验。试验过程：

1) 使用赛氏盘测量试验水池的水体透明度。

2) 固定摄像机与照明灯的距离为1.5 m。

3) 由近及远调整水下测试板与水下摄像机的距离直至无法成像，记录水下测试板的拍摄效果。

图13展示了不同摄像机与测试板距离，摄像机正对测试板的成像效果。测得水池水质能见度为10.4 m，试验中，当水下测试板与水下摄像机的距离小于4 m时，视频图像比较清晰，但是画面过曝，不适合在成像器上观看。随着水下测试板与水下摄像机距离的逐渐增加，成像画面变得昏暗，图像质量变差，而当水下测试板与水下摄像机的距离超过12 m时，图像非常模糊几乎无法辨认。

图13 不同成像距离时的拍摄图像

试验结果证实，摄像机接收随照度和成像衬度随成像距离迅速下降，在1倍水质能见度距离以上，摄像机基本不能接收到目标物的反射光，且目标物反射光混在背景光中，基本不能成像。

4.2 相对角度对成像效果影响的试验

在摄像机和测试板之间的距离相同的条件下，试验水下成像系统与水下测试板之间的相对角度变化对成像效果的影响。试验过程：

1) 固定摄像机与照明灯的距离调为1.5 m。

2) 调整测试板与摄像机的距离为10 m。

3) 沿圆周方向移动水下测试板位置，使测试板与摄像机始终正对，与水下成像系统呈不同角度，记录拍摄效果。

图14展示了摄像机和测试板之间的距离相同，水下成像系统与测试板呈不同相对角度时的成像效果。水下测试板与摄像机同侧时，成像质量较差，与摄像机异侧时，成像质量较好。随着水下测试板与水下成像系统角度的减小，成像画面的亮度逐渐提高，成像质量变得更好，俯仰角度过小时，由于画面背景亮度的增加，图像衬度略有下降。

图14 水下成像装置与水下测试板不同角度的拍摄图像

试验结果证实，摄像机接收随照度随俯仰角度的减小而逐渐再增大，成像衬度随俯仰角度的减小而先上升后下降，在-40°左右取得最佳成像质量。

5 结论

1) 通过对水下远距离成像照度的分析，计算得出水下照明灯发出的光通量与水下摄像机接收的光照度之前的函数关系，为水下摄像机和水下照明灯性能选择提供参数。

2) 摄像机接收光照度随成像距离和俯仰角度的减小而增大，接收照度对监测距离的变化较为敏感，而监测角度的变化对接收照度的影响较小。摄像机设置在照明灯上方，可提高摄像机对水平面以下区域的接受照度，符合实际工作需求。

3) 摄像机成像衬度随成像距离增加而迅速减小，随俯仰观察角度的减小而先增大后减小；随着成像距离的增大，最大观察仰角从90°减小至最大成像距离15 m时的25°。提高摄像机与照明灯距离可以有效改善摄像机成像衬度。水下摄像机在不同监测距离下和不同摄像机与照明灯距离下，均在俯仰角度为-40°左右时取得最大成像衬度。

4) 水下成像试验验证了水下成像系统的远距离成像能力达到1倍水质能见度，其成像质量随成像距离的增大而减小，随俯仰角度的增大而先增大后减小，在-40°左右取得最佳成像质量。