基于水下电磁波特性的成像技术研究

论文摘要

由于水下环境较陆上要复杂得多,使得在水下成像时,很难直接获取高质量的水下图像。与在大气环境下完全不同,电磁波在水下传输时,水体作为传输介质,会对电磁波造成衰减,且不同频率的电磁波在水下传输时,衰减强度也不同。这导致直接获取的水下图像通常会有清晰度降低,对比度下降,颜色失真,形状扭曲等问题。针对上述问题,本文基于成像物理模型,结合电磁波在水下传输时的物理特性,建立新的水下图像复原模型,并提出两种图像复原方法。针对暗通道先验理论在水下图像复原中的不足,本文提出一种基于波长-透射率关系估计各通道透射率的图像清晰化算法。对于R、G、B彩色图像,水体对B通道的吸收和散射效应相对较小,G通道次之,对R通道的吸收和散射效应最大。针对不同频率的电磁波在水下传输时衰减差异巨大,使用暗通道法估计B通道透射率,并根据波长透射率比分别估计R、G通道的透射率,使用统计平均值法估计背景光强B,根据水下成像模型得到复原图像。试验结果表明,本方法可大幅提升水下图像的对比度、清晰度。针对不同通道能量衰减程度不同,以及水体背景光估计的准确性对复原结果的影响,本文提出基于电磁波能量剩余比以及背景光估计的水下图像清晰化算法。针对水体背景光强对成像影响较大的问题,依据背景光形成原理对水体背景光进行精确的估计。针对各通道能量衰减的巨大差异,使用K值判决使用暗通道估计B通道透射率及散射系数,由波长-散射系数线性关系式估计其他通道的散射系数并计算其透射率。针对色偏严重这一问题,电磁波剩余能量比以及最小二乘法确定目标与水面间距离D,以此估计水面到水深D处的能量衰减量,实现对复原图像色彩的补偿。实验结果表明,本方法复原效果十分明显,色彩还原度非常高,效果要优于其它传统方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 选题背景及研究的目的和意义
•   1.2 水下图像复原的国内外研究现状
•     1.2.1 非物理模型法
•     1.2.2 基于物理模型方法
•   1.3 论文的主要内容及结构安排
•     1.3.1 论文主要工作
•     1.3.2 论文结构安排
• 第2章 水下成像理论基础
•   2.1 海洋电磁学
•   2.2 电磁波在水下的传输特性
•     2.2.1 电磁波基础
•     2.2.2 水体对电磁波的吸收
•     2.2.3 水体对电磁波的散射
•     2.2.4 水下成像模型
•     2.2.5 Jaffe-McGlamery水下成像模型
•   2.3 相机成像原理
•     2.3.1 人眼三基色
•     2.3.2 相机成像原理
•   2.4 本章小结
• 第3章 基于波长-透射率函数的图像清晰化
•   3.1 雾气环境下的光传输模型
•   3.2 暗通道先验理论
•   3.3 基于暗原色先验对图像去雾
•     3.3.1 估计传输系数
•     3.3.2 恢复原始图像
•     3.3.3 估计大气光
•     3.3.4 暗原色图像去雾效果
•     3.3.5 基于暗通道的水下图像复原
•   3.4 本章算法
•     3.4.1 水下暗通道
•     3.4.2 使用均值法估计水体光强
•     3.4.3 散射系数的估计
•   3.5 算法流程
•   3.6 实验与结果分析
•     3.6.1 主观评价
•     3.6.2 客观评价
•   3.7 本章小结
• 第4章 基于电磁波剩余能量比的图像复原算法
•   4.1 水下光传输模型
•     4.1.1 直射光
•     4.1.2 后向散射光
•   4.2 背景光估计
•     4.2.1 全局背景光对图像复原质量的影响
•     4.2.2 水体背景光的理论值计算
•   4.3 各通道的透射率估计
•     4.3.1 估计B通道的透射率
•     4.3.2 估计B通道的衰减系数
•     4.3.3 估计G、B通道的透射率与衰减系数
•   4.4 估计深度D与距离d（x）
•     4.4.1 剩余能量比
•     4.4.2 基于电磁波剩余能量比估计距离
•     4.4.3 目标与水面的距离D
•   4.5 算法流程
•   4.6 实验结果
•   4.7 客观评价
•   4.8 本章小结
• 第5章 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 附录A 攻读硕士学位期间发表的论文和专利
• 附录B 攻读硕士学位期间参加的科研项目及获奖情况
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 蒋泽新

导师: 朴燕

关键词: 图像复原,色彩补偿,电磁理论,成像模型

来源: 长春理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,计算机软件及计算机应用

单位: 长春理工大学

分类号: TP391.41;O451

总页数: 66

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