水下去水体噪声计算三维成像方法及成像系统技术方案

一种水下去水体噪声计算三维成像方法，采用脉冲激光器进行水下照明，采用选通图像传感器采集图像信息，通过控制激光脉冲和选通成像器件间的延时可获取参考水体噪声图、感兴趣信息帧图像，并通过关闭激光器获得系统的背景噪声图，进而计算获得水体深度噪声图，利用感兴趣信息帧图像与水体深度噪声图差分获得去噪声信息帧图像，最终利用距离能量相关算法实现去水体噪声三维重建。本发明专利技术通过获取水体深度噪声图，可对水下选通图像中的含目标和不含目标区域精确去噪，获得去噪的二维图像，并进一步计算获得去噪三维图像，具有适应性好、实用性强的特点。

【技术实现步骤摘要】
水下去水体噪声计算三维成像方法及成像系统
本专利技术涉及水下光学成像
，特别涉及一种水下去水体噪声计算三维成像方法及成像系统。
技术介绍
当前，人类进入了大规模开发利用海洋的时期，掀起了围绕蓝色国土空间拓展、海床矿产资源勘探、海洋生物及渔业资源评估、海洋天然产物开发、涉海土木建筑工程等新一轮海洋竞争，关键是海洋认知能力的比拼。水下探测是认识海洋的关键技术，尤其是可直观显示目标形貌的成像技术。相比声呐成像，水下光学成像可获取直观、高分辨率的图像，利于海底管线、失事舰船飞机、水下文物、鱼类和浮游动物、渔网、水雷等探测及识别，具有不可替代性，现已成为水下无人潜航器的标配。水下光学成像不同于大气环境下的光学成像，需要在强散射、低照度或无光环境下实现远距离、高质量的二维成像和三维成像。但是，受海水吸收和散射的影响，传统水下光学成像作用距离通常为1～3个衰减长度，且只能获得二维强度图像，难以获取三维图像。相比传统水下摄像机，水下距离选通成像的作用距离可提高2～3倍。由于距离选通成像可通过控制激光脉冲和选通脉冲间的延时对感兴趣距离下的空间进行切片成像，因此，存在“时间-空间”的映射关系，利用这种关系可实现三维成像。虽然距离选通成像可通过空间切片的方式抑制空间切片与系统间水体的后向散射等噪声影响，提高了作用距离和图像质量，但是，仍然存在以下问题：空间切片内水体的后向散射噪声仍然会出现在选通图像中，从而降低图像的信噪比和对比度，并会降低三维图像的距离分辨率。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种水下去水体噪声计算三维成像方法及成像系统，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。为了实现上述目的，作为本专利技术的一方面，提供了一种水下去水体噪声计算三维成像方法，包括如下步骤：步骤1：控制激光脉冲和选通成像器件的延时，获取不含目标的参考水体的参考水体噪声图N参考水体噪声；步骤2：关闭照明脉冲激光器，保持选通成像器件的工作参数不变，获得系统的背景噪声图N背景噪声；步骤3：通过参考水体噪声图和背景噪声图差分获得差分参考水体噪声图N差分参考水体噪声，进而利用标准参考水体噪声图的灰度-水体衰减系数曲线获取工作水域的水体衰减系数；步骤4：控制激光脉冲和选通成像器件的延时，获取感兴趣区的信息帧A和信息帧B，即含目标的A帧图像IA和B帧图像IB；步骤5：基于水体衰减系数，利用差分参考水体噪声图计算获得感兴趣区信息帧A和信息帧B对应的水体噪声图NA帧水体噪声和NB帧水体噪声；步骤6：利用A帧图像和B帧图像基于距离能量相关三维重建算法计算获得含噪声的感兴趣区的距离图像D含噪声；步骤7：基于距离图像D含噪声对A帧和B帧对应的水体噪声图NA帧水体噪声和NB帧水体噪声进行修正，计算获得含目标的A帧图像和B帧图像各自对应的深度噪声图NA帧水体深度噪声和NB帧水体深度噪声；步骤8：A帧图像IA和B帧图像IB与各自对应的水体深度噪声图及背景噪声图分别差分，计算获得去噪声A帧图像I去噪A和B帧图像I去噪B；步骤9：基于去噪声A帧图像I去噪A和B帧图像I去噪B，通过距离能量相关三维重建算法获得去噪声距离图像D去噪声，进而基于摄像机模型实现三维重建；步骤10：如需进一步增强去噪效果，采用迭代的方式，重复步骤7至步骤9，直至获得所需的去噪效果，其中步骤7中的距离图像D含噪声更换为步骤9获得的D去噪声。作为本专利技术的另一方面，提供了一种采用如上所述的水下去水体噪声计算三维成像方法的成像系统，包括脉冲激光器和选通成像器件，其中，所述脉冲激光器是水下的照明光源，按照给定的激光脉宽、峰值功率和重复频率工作；所述选通成像器件为选通图像传感器，其具有选通功能，仅在给定延时下选通图像传感器按照给定的选通门宽开启工作，从而形成选通脉冲，该选通脉冲与激光脉冲一一对应，且相对于激光脉冲存在一定的延时，该延时包括信息帧A延时、信息帧B延时、参考水体延时，具体为：信息帧A延时为信息帧B延时为参考水体延时为上述公式中，R为感兴趣区的起始位置，R景深为感兴趣区的景深，n为水的折射率，c为光在空气中的传播速度，其中参考水体的延时的典型值为相应地，选通脉冲的选通门宽和激光脉冲的激光脉宽满足基于上述技术方案可知，本专利技术的水下去水体噪声计算三维成像方法及成像系统相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：1、利用本专利技术，由于可通过参考水体噪声图分析获取工作水域的水体衰减系数进而计算信息帧的水体噪声图，所以，本专利技术具有较好的环境适应性，可适应不同水体衰减系数下的工作水域成像。2、利用本专利技术，由于可结合感兴趣区的距离图计算目标区的水体噪声，从而获得水体深度噪声图，实现精确水体噪声分析，所以，相比传统水体背景差分去噪，可实现二维图像的精确去噪，从而获得较好的水体去噪效果。3、利用本专利技术，由于利用水体深度噪声图可对二维图像进行精细去噪，从而进一步利用去噪后的二维图像进行去噪三维重建，所以，本专利技术可实现三维图像去噪重建，获得去水体噪声的三维图像。附图说明图1是本专利技术实施例的水体噪声图与水体深度噪声图；图2是本专利技术实施例的参考水体与信息帧；图3是本专利技术实施例的水体深度噪声图获取方法；图4是本专利技术实施例的去水体深度噪声图获取方法；图5是本专利技术实施例的实验用金字塔立体目标靶；图6是本专利技术实施例的去水体噪声计算三维成像实验结果。上图中，附图标记含义如下：1、脉冲激光器；2、选通图像传感器；3、同步控制模块；4、感兴趣区；5、参考水体；6、信息帧A；7、信息帧B。具体实施方式本专利技术公开了一种水下去水体噪声计算三维成像方法，采用脉冲激光器进行水下照明，采用选通图像传感器采集图像信息，通过控制激光脉冲和选通成像器件间的延时可获取参考水体噪声图、感兴趣信息帧图像，并通过关闭激光器获得系统的背景噪声图，进而计算获得水体深度噪声图，利用感兴趣信息帧图像与水体深度噪声图差分获得去噪声信息帧图像，最终利用距离能量相关算法实现去水体噪声三维重建。本专利技术通过获取水体深度噪声图，可对水下选通图像中的含目标和不含目标区域精确去噪，获得去噪的二维图像，并进一步计算获得去噪三维图像，具有适应性好、实用性强的特点。为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。如图1所示，本专利技术提供的一种水下去水体噪声计算三维成像方法，采用脉冲激光器1进行水下照明，采用选通图像传感器2采集图像信息，通过同步控制模块3控制激光脉冲和选通成像器件间的延时实现感兴趣区二维图像和三维图像的获取。本质上，本方法是基于距离选通成像实现的。相比传统的水下光学成像，距离选通成像可实现感兴趣区的切片成像，从而抑制感兴趣区与成像系统间的水体后向散射等噪声，提高图像信噪比。但是，由于感兴趣区水体存在一定景深，所以，该水体内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下去水体噪声计算三维成像方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1：控制激光脉冲和选通成像器件的延时，获取不含目标的参考水体的参考水体噪声图N

【技术特征摘要】
1.一种水下去水体噪声计算三维成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：控制激光脉冲和选通成像器件的延时，获取不含目标的参考水体的参考水体噪声图N参考水体噪声；
步骤2：关闭照明脉冲激光器，保持选通成像器件的工作参数不变，获得系统的背景噪声图N背景噪声；
步骤3：通过参考水体噪声图和背景噪声图差分获得差分参考水体噪声图N差分参考水体噪声，进而利用标准参考水体噪声图的灰度-水体衰减系数曲线获取工作水域的水体衰减系数；
步骤4：控制激光脉冲和选通成像器件的延时，获取感兴趣区的信息帧A和信息帧B，即含目标的A帧图像IA和B帧图像IB；
步骤5：基于水体衰减系数，利用差分参考水体噪声图计算获得感兴趣区信息帧A和信息帧B对应的水体噪声图NA帧水体噪声和NB帧水体噪声；
步骤6：利用A帧图像和B帧图像基于距离能量相关三维重建算法计算获得含噪声的感兴趣区的距离图像D含噪声；
步骤7：基于距离图像D含噪声对A帧和B帧对应的水体噪声图NA帧水体噪声和NB帧水体噪声进行修正，计算获得含目标的A帧图像和B帧图像各自对应的深度噪声图NA帧水体深度噪声和NB帧水体深度噪声；
步骤8：A帧图像IA和B帧图像IB与各自对应的水体深度噪声图及背景噪声图分别差分，计算获得去噪声A帧图像I去噪A和B帧图像I去噪B；
步骤9：基于去噪声A帧图像I去噪A和B帧图像I去噪B，通过距离能量相关三维重建算法获得去噪声距离图像D去噪声，进而基于摄像机模型实现三维重建；
步骤10：如需进一步增强去噪效果，采用迭代的方式，重复步骤7至步骤9，直至获得所需的去噪效果，其中步骤7中的距离图像D含噪声更换为步骤9获得的D去噪声。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参考水体噪声图是处于成像系统和感兴趣区中间的参考水体的选通图像，该选通图像中不含目标，除参考水体延时外，获取参考水体噪声图的时域参数(包括脉冲激光器和选通图像传感器)均与信息帧的时域参数相同；
所述背景噪声图是系统和环境光引入的噪声，在与参考水体噪声图的选通成像器件相同的参数下，关闭照明脉冲激光器，即获得工作水域的背景噪声图。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于标准水体噪声图利用公式(1)在当前参考水体噪声图获取工作参数下计算获得标准参考水体噪声图N标准参考水体噪声，并画出基于标准参考水体噪声图的灰度-水体衰减系数曲线，那么从该曲线中寻找差分参考水体噪声图灰度对应的水体衰减系数，便是该工作水域的水体衰减系数；



公式(1)中，σ为水体衰减系数，H当前和H标准为当前系统和标准水体噪声图获取系统的系统参数，其大小可由下述公式计算获得
H＝η镜头η口径η增益η灰度E激光(2)；
公式(2)中，η镜头为系统成像镜头和照明镜头的透过率，η口径为成像镜头的接收口径，η增益为选通图像传感器的增益，η灰度为选通图像传感器能量与灰度的转换系数，E激光为脉冲激光器在一帧图像中的能量；
公式(1)中，R参考水体起始和R参考水体结束分别是当前系统下参考水体的起始位置和结束位置，其大小...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新伟，王敏敏，周燕，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11