基于光场计算成像的水下前向散射噪声的去躁问题研究

Underwater imaging, with its outstanding advantages such as visualized, high-resolution, intelligent, has become an irreplaceable means of marine exploration, however which applications has been limited by the degradation of the image quality caused by the scattering and absorption of environmental disturbs in water. The introduction of new laser technologies have reduced the influence of back-scatter to a certain extent, but until now not only there is still no optical system that is capable of effectively eliminating the forward scattering noise, but also it is difficult for current digital image technology to solve the problems of serious image quality degradation in turbid water caused by the forward scattering and multiple scattering. To this end, this project proposes a new method for forward scattering noise cancellation and image enhancement based on optical field computational imaging. Base on the difference of the spatial light field distribution between the imaging target and the forward scattering source, an optical system for underwater 4D light field acquisition will be designed and developed, the difference between the target and the scattered signal both in the airspace and in the frequency domain will be analyzed in depth, scatter noise reduction and image enhancement algorithm based on 4D light field computational imaging will be developed. The research of this project have important scientific significance for the study of underwater optics and scattering, for the application of underwater imaging and underwater vision systems, for the development of autonomous underwater vehicles, for the exploration of marine resource and for the preservation of maritime sovereignty and marine military security.

水下成像是直观、高分辨率、智能化的海洋光学探测手段，然而水体散射和吸收造成的成像质量下降限制了它的应用范围。其中，水下前向散射会引起严重的噪声、图像模糊和分辨率下降问题，而现有的激光技术主要针对后向散射与目标物的分离，无法用于前向散射的消除，前向散射的复杂性使得数字图像技术也难以解决浑浊水体里前向散射和多次散射造成的严重像质劣化问题。为此，本项目提出一种基于光场计算成像的前向散射噪声消除方法。项目以成像目标和前向散射源的空间光场分布差异为入手点，设计光学系统进行水下光场的获取，深入分析目标和散射信号在四维光场空域和频域中的差异，给出基于光场计算成像的前向散射噪声消除方法。本项目的研究成果对于海洋光学和散射研究具有显著的科学意义，对于水下成像和水下视觉系统的应用、水下智能机器人的开发、海洋资源探测、海洋主权和海洋军事安全的维护都有重要的实用价值。

针对水下成像和机器人水下视觉研究中，前向散射噪声严重影响成像质量、造成图像模糊的问题，本项目提出一种基于光场成像和计算机图像技术相结合的前向散射噪声消除和像质增强方法，以噪声和探测目标景深差异为入手点，设计光学系统用来获取水下光场，通过计算成像减弱散射噪声对成像的影响，实现水下图像增强和复原。.项目完成了以下主要研究内容：1.基于光场技术的水下粒子场前向散射研究; 2. 水下原位光场成像系统的设计和研制；3.基于光场成像的水下图像去雾和图像增强算法研究；4.基于光场成像的水下三维探测和重建方法研究。.主要取得了以下研究结果和结论：1.相干光和非相干光照明产生水下前向散射噪声成份有明显区别，其中非相干光时，除了有较强的“雾化”等图像模糊现象，还存在较强的散斑噪声，而非相干光照明时，图像的劣化主要是“雾化”性质的图像模糊；2. 通过光场相机结合计算成像，可以有效地对获得的图像进行增强和恢复，特别是与计算机图像处理算法相结合时，能够达到良好的图像像质提升；3.在有效地图像像质增强和恢复的基础上，光场相机结合计算成像还可以获取高质量的三维场景探测和重建，比基于双目视觉等常用图像三维探测方法有更高的准确率。..实验数据表明，本课题采用的光场技术结合图像去雾算法能够降低水体前向散射所产生的噪声，有效地提高成像质量。.为了客观地量化不同水浊度中图像质量下降的程度，我们利用结构相似性（SSIM）来评价图像的退化。实验证明，光场成像在浊度水中比传统成像能实现更清晰的图像，在进行去雾和图像增强方面具有更好的性能。即使在高浊度水中，我们光场图像系统的SSIM指数（SSIM值）也达到0.378，而在相同条件下的传统成像值也只有0.197。.本课题的研究成果可为水下成像系统的研发提供有力的理论和技术支撑，并为水下机器人的视觉系统，特别在三维场景的探测和复原方面开发提供了新方法和技术，具有较高的实用价值和应用前景。