水下成像与图像增强及相关应用研究

发布时间：2017-10-03 18:11

  本文关键词：水下成像与图像增强及相关应用研究

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【摘要】：近年来,随着国际形势的不断发展,海洋逐渐成为世界各国新的战略重心。海洋相关领域的研究对于海洋资源探测与开发、海洋环境监测和海洋军事应用等都具有重要的意义。在此背景下,本文开展了对水下成像、水下图像增强、海洋生物发光、舰船光尾流和水下目标检测与识别等方面的研究。 由于光在水中传输时的衰减和散射效应,水下成像系统通常很难达到令人满意的成像效果,而成像过程中由于光散射产生的背景光则是造成水下图像退化的主要原因。本文通过对水下成像中光散射和光衰减的分析,对自然光照和人工光照两种不同光照条件下的水下成像进行了建模和仿真分析。结果显示,自然光照下的无穷远处背景光与衰减系数成反比,与散射系数成正比；人工光照下的无穷远处背景光则与衰减系数、散射系数和相机-光源距离有关。两种光照条件下的背景光都可以用为无穷远处背景光的指数衰减表达式来表示。背景光的强度主要与水体光学参数、相机-景物的距离、相机-光源的距离及相机成像角等因素有关。背景光的研究结论不仅可用于水下成像系统的设计与优化,也可用于从水下图像背景颜色中估计水体光学参数、相机-景物距离等信息。对水下图像的仿真结果显示,直接衰减、前向散射和后向散射对水下图像的退化程度都与水体光学参数和景物距相机的距离密切相关。 针对光在水下传输时的衰减与其波长相关这一特性,本文提出了一种基于不同光波长衰减的水下图像增强算法。该算法使用RGB颜色通道的不同传输图分别对不同波长光的衰减进行补偿,三个颜色通道的传输图可基于暗原色先验原理和无穷远处背景光与水体固有光学参数的关系估计出来。最终,对水下成像模型进行逆求解就可以获得有效场景辐射,达到图像增强的目的。该算法不需要预先知道成像时的水体光学参数、相机参数等信息,而是从水下退化图像背景颜色中估计出水体光学参数。实验结果和仿真对比结果表明,该算法可有效提高水下图像的对比度并纠正失真的颜色。 基于对海洋发光生物的发光特性和潜艇螺旋桨应力场CFD仿真分析,研究了舰船光尾流的形成机制与特点。将发光生物对水流剪切应力的响应与螺旋桨应力场应力分布结合起来,可以大致估计出潜艇光尾流的形状和大小。仿真结果显示,潜艇光尾流长度可达数百米,可在空中或水下通过观测光尾流来探测与跟踪潜艇。最后,本文提出了海空一体对潜艇光尾流进行探测与跟踪的系统架构,并简单介绍了其工作流程。
【关键词】：海洋光学 水下成像 水下图像增强 潜艇光尾流 微弱目标检测
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P715.5
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 第一章 绪论12-32
• 1.1 海洋光学的研究和应用背景12-13
• 1.2 水下光辐射的研究现状13-15
• 1.3 水下成像与水下图像处理技术的研究现状15-23
• 1.3.1 水下成像技术研究现状16-17
• 1.3.2 水下图像增强技术研究现状17-20
• 1.3.3 水下图像复原技术研究现状20-23
• 1.4 海洋发光生物和潜艇光尾流的研究现状23-24
• 1.5 水下目标探测与识别技术的研究现状24-28
• 1.6 选题意义、研究内容及主要创新点28-32
• 1.6.1 选题意义28
• 1.6.2 研究内容及章节安排28-30
• 1.6.3 主要创新点30-32
• 第二章 海洋光学与水下图像增强理论分析32-60
• 2.1 海洋光学32-46
• 2.1.1 水体光学特征33-36
• 2.1.2 光在水中的传输36-37
• 2.1.3 光在水中的吸收37-40
• 2.1.4 光在水中的散射40-44
• 2.1.5 水下光辐射场44-46
• 2.2 水下图像处理理论46-55
• 2.2.1 直方图处理方法46-50
• 2.2.2 滤波方法50-52
• 2.2.3 Retinex理论52-55
• 2.3 水下目标识别技术55-58
• 2.4 本章小结58-60
• 第三章 水下成像建模与仿真分析60-84
• 3.1 水下成像的照明61-66
• 3.1.1 海水中的太阳光辐射62-64
• 3.1.2 人工光源64-66
• 3.2 自然光照下的水下成像建模66-70
• 3.2.1 自然光照下的水下成像背景光66-69
• 3.2.2 自然光照下的水下成像模型69-70
• 3.3 人工光照下的水下成像建模70-72
• 3.3.1 人工光照下的水下成像背景光70-72
• 3.3.2 人工光照下的水下成像模型72
• 3.4 水下成像的仿真分析72-82
• 3.4.1 自然光照下的水下成像仿真分析74-77
• 3.4.2 人工光照下的水下成像仿真分析77-82
• 3.5 两种光照条件下成像模型的比较82-84
• 第四章 基于物理模型的水下图像增强算法84-104
• 4.1 算法概述84-85
• 4.2 暗原色先验(Dark Channel Prior)85-87
• 4.3 传输图估计87-93
• 4.3.1 R通道传输图估计87-90
• 4.3.2 G和B通道传输图估计90-93
• 4.4 场景辐射恢复93-94
• 4.5 实验结果与对比分析94-103
• 4.5.1 真实图像对比95-98
• 4.5.2 定量比较98-101
• 4.5.3 视觉比较101-103
• 4.6 本章小结103-104
• 第五章 潜艇光尾流探测与微弱目标检测104-125
• 5.1 海洋发光生物104-108
• 5.1.1 海洋发光生物104-107
• 5.1.2 外界因素对生物发光的影响107-108
• 5.2 潜艇螺旋桨水流应力分析108-117
• 5.2.1 粘性流体中的应力109-110
• 5.2.2 潜艇螺旋桨建模110-112
• 5.2.3 潜艇螺旋桨水流应力仿真与分析112-117
• 5.3 潜艇光尾流的探测117-122
• 5.4 本章小结122-125
• 第六章 总结与展望125-128
• 6.1 本文的主要工作与结论125-126
• 6.2 未来展望126-128
• 参考文献128-140
• 攻读博士学位期间主要的研究成果140-141
• 致谢141-142

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本文编号：965951