浑浊水体中多照明模式下成像优化处理方法研究

The setup composed of CCD and active illumination sources has been the commoly employed as the underwater imaging system in various small-scale submarine vechicles. The critical problem in applications comes from the unknown and tubid underwater environments where the 2D imaging or 3D measurements could be failed. Based on our previous research of the characteristics of scatter transimission during underwater imaging, this proposal focuses on the research of comprehensive processing of 2D and 3D information sensed by underwater imaging system under turbid conditions. We first carry on the indepth research of the characteristics and descriptions of the forward and backward scattering effects in turbid underwater environments. We then propose the princiles and solutions of the optimal image recovery specific to imaging tasks in unknown and turbid underwater. The proposal also aims to the research of applying a new principle to realize 2D imaging and 3D measurement in turbid water simultaneously, based on the expanded structured light illumination patterns in underwater imaging systems. The research subjects include investigations of fundamental experiments, optimal algorithms for image recovery in strong scattering media and approaches to imaging and processing when using various illumination patterns. The research is expected to make a significant progress to attack the main problem occurred in severe imaging envrionments when applying the widely used underwater imaging systems and, to come up with academic contributions to the research of visual information processing within strongly scattering media in free space.

由CCD和照明光源构成的水下视觉系统正在逐渐成为水下小型潜器的通用传感装备，目前在应用中面临的关键问题是在未知的浑浊水体中的二维成像处理和三维测量可能失效。本课题在前期对水下成像的散射传输基本特性研究的基础上，将系统研究水下视觉系统在浑浊水体中的二维和三维传感信息的综合处理方法。首先深入研究浑浊水体中的前向散射和后向散射特性及其描述方法，提出在未知的强散射环境中水下目标成像的优化复原方案。其次根据水下视觉系统多照明模式的特点，提出利用结构化的束照明成像同时实现浑浊水体中目标的二维成像和三维测量的新思路。研究内容包括基础性实验研究、强散射介质中成像的优化复原算法研究以及水下多照明模式下成像处理研究。课题研究对于克服水下视觉系统在复杂环境应用中的主要障碍，提高水下小型潜器二维和三维视觉信息的感知能力有重要的应用价值，对于强散射条件下的视觉信息处理也有重要的科学意义。

本项目以实现浑浊水体中目标图像清晰化复原和目标三维重建为应用目的，对水下结构光扫描成像计算方法和基于单幅图像的去雾复原和三维重建方法进行了系统研究。在水下结构光扫描成像计算方法的研究中，提出了基于线性系统复原的新的成像模型。提出一种虚拟接收孔径方法以抑制后向散射以及编码结构光成像以解决成像复原的病态问题。提出一种结构光成像结合泛照明成像的去后向散射方法，通过构造联合成像模型实现目标图像复原。在此基础上改进了结构光三维测量的光条中心提取算法。. 在基于单幅图像的去雾和三维重建方法研究中，提出一种应用光度立体学技术实现单幅水下图像三维形状估计的方法，通过对目标表面形状进行多面体近似，将基于单幅图像的光度立体学三维重建的欠定问题转化为超定问题，以牺牲空间分辨率为代价获得动态条件下目标的三维形状近似估计。. 针对散射介质中单幅图像去雾复原问题，提出一种对局部模糊核和透射率同时进行估计的方法，实现了对模糊核和透射率的数值化估计和图像去雾与去模糊的联合复原。针对单幅图像去雾复原中先验信息缺乏的问题，提出一种基于MRF模型的去雾复原方法，通过MRF建模对不满足暗通道先验的局部透射率进行矫正，同时利用MRF模型中的平滑项对透射率图进行有效的平滑以替代传统算法中的滤波细化步骤。同时提出了一种结合介质传输特性和MRF模型的水下图像颜色修复方法。. 对深度学习方法在水下图像处理领域的应用进行了研究。提出一种弱监督学习和强监督学习配合使用的方案以解决水下图像缺乏“真值”图像的难题，提出了一个用于水下图像增强的深度残差学习模型。. 此外，为了充分利用水下光学传感所具备的颜色属性以提取目标特征，本项目延伸进行了关于颜色信息特征表示方法的基础性研究。应用微分几何与李群论的方法，对彩色图像光度变换下的微分不变结构以及几何-光度联合变换下的微分不变结构进行了相关研究。