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为了突破水下距离选通系统成像的景深局限,综合借鉴激光雷达成像理论与图像重构过程中的优点,结合实验室水下激光距离选通成像系统的实际情况,具体分析了通过水下选通序列图像获取距离信息的过程。针对不同水质产生的不同水下选通图像特点采用目标与背景相减、相邻图像按周期加微小时间偏移量取极值然后层层递进重构以及分割重构等算法进行处理,并用不同距离的选通序列场景“切片”对该算法进行了实验验证,最终重构成一幅包含8.2~13.2 m,共计5 m距离范围的所有“切片”目标的图像。为进一步说明重构图像中所包含的距离信息,用三幅图像合成了一幅含有10.7~13.2 m距离信息的伪彩色图像。
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书书书
第
30
卷
第
12
期
光
学
学
报
Vol.30
,
No.12
2010
年
12
月
犃犆犜犃犗犘犜犐犆犃犛犐犖犐犆犃
犇犲犮犲犿犫犲狉
,
2010
文章编号:
02532239
(
2010
)
12346407
基于多帧水下距离选通图像的三维重构方法
李海兰
王
霞
金伟其
白廷柱
黄有为
丁
琨
(北京理工大学光电成像技术与系统教育部重点实验室,北京
100081
)
摘要
为了突破水下距离选通系统成像的景深局限,综 合借 鉴 激光 雷达 成 像理 论与 图 像重 构过 程 中的 优点,结合
实验室水下激光距离选通成像系统的实际情况,具体分析了通过水下选通序列图 像获取 距离 信息的 过程。针 对不
同水质产生的不同水下选通图像特点采用目标与背景相减、相邻图像按周期加微小时 间偏 移量取 极值 然后层 层递
进重构以及分割重构等算法进行处理,并用不同距离的 选通 序 列场 景“切 片”对 该算 法进 行 了实 验验 证,最终 重 构
成一幅包含
8.2
~
13.2m
,共计
5m
距离范围的所有“切片”目标的图像。 为进一 步说 明重构 图像 中所包 含的 距离
信息
,用三幅图像合成了一幅含有
10.7
~
13.2m
距离信息的伪彩色图像。
关键词
成像系统;水下成像;距离选通;重构;三维显示
中图分类号
TN29
文献标识码
A
犱狅犻
:
10.3788
/
犃犗犛20103012.3464
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收稿日期:
20100309
;收到修改稿日期:
20100411
基金项目:国家
863
计划(
2006AA09Z207
)资助课题。
作者简介:李海兰(
1979
—),女,博士研究生,主要从事光电成像及图像处理等方面的研究。
Email
:
lihailan119
@
hotmail.com
导师简介:白廷柱(
1955
—),男,博士,教授,主要从事光电成像、光电检测和图像处理等方面的研究。
Email
:
tzhbai
@
bit.edu.cn
通信联系人。
Email
:
an
g
elniuniu
@
bit.edu.cn
本文电子版彩色效果详见中国光学期刊网(
htt
p
://
www.o
p
tics
j
ournal.net
)
1
引
言
水下环境复杂,成像条件恶劣,但对海洋宝库探
索的执着使得各种 水下探测 理 论、技术 及 应用发展
迅速,即使 在 国 内 也 备 受 关 注
[
1
~
5
]
。距离选 通 可 以
有效抑制后 向 散 射 噪 声 的 切 片 式 成 像 一 直 颇 受 欢
迎,但景深限制是它的瓶颈。
与传统二维(
2D
)成像技术相比,水下三维(
3D
)
成像可以提供更丰 富的图像 信 息,为改 进 算法以及
人类的水下探索提 供 了强有力 的 理论和实 验 支持。
海洋中的高分辨率
3D
成 像 技 术 一 直 都 非 常 困 难。
12
期 李海兰等:
基于多帧水下距离选通图像的三维重构方法
根据目 前 的 调 研,关 于 水 下
3D
成 像 最 早 开 始 于
1999
年美国海军研究局支持的项 目
[
6
]
,采 用条纹管
雷达成 像 系 统 在 海 水 中 进 行 高 分 辨 率
3D
成 像,
36inch
(
1inch=2.54cm
)处 的 横 向 分 辨 率 大 于
0.5inch
,距离分辨力大于
1inch
。真正受到各国的
关注 集中于
2004
年至今。成果较显 著的主要有 美
国
[
6
~
9
]
、新加 坡
[
10
~
14
]
、丹 麦
[
15
]
、法 国
[
16
]
、加 拿 大
[
17
]
、
德国
[
18
]
和意 大 利
[
19
,
20
]
等。 中 国 关 于 水 下
3D
成 像
方面,海洋大学于
2008
年提出了基于激光数字扫描
网格的水下目标探 测
3D
信息实时 显 示 方 法
[
21
]
,该
方法可以有效抑制 宽视场的 后 向散射噪 声,同时获
取不同探测点间的相对深度信息。
本文综合各国的水下
3D
成 像 成 果,尤 其 是 对
比新加坡
[
10
~
14
]
和丹麦
[
15
]
的激光雷达 成像理论与图
像重构过程中的优 缺点,结 合 实验室水 下 激光距离
选通成像系统的实 际情况,对水下距 离 选通系统 序
列图像进行了重构及其
3D
显 示 研 究,从 而 扩 展 了
选通系统图像景深,增强了图像效果。
2
水下距离选通主动成像原理及系统
2.1
水下距离选通主动成像原理
距离选通主要是基于对激光束与接收器选通进
行精确控制从而对空间中特定距离处的场景进行探
测。主动成像系统的具体 操 作 过 程 如 图
1
所 示,其
中
ICCD
为像谱强型电荷耦合器件。首先从激光器
发出脉宽为
狋
p
的脉冲开始计时,所 产生的脉冲 前行
到所要观察的场景,这期间接收器选通关闭。此时,
由成像系统附近空气中或水中的粒子所产生的后向
散射 便 不 会 影 响 接 收 过 程 (如 图
1
中 的 过 程
1
所
示 )。经过时间
狋
后 ,激光脉冲到达所要观察的场景
区域
,光遇到目标被反射(该过程与反射系数有关),
或者没有遇到目标继续 前 行(如 图
1
中的过程
2
所
示)。经过时间
2
狋
以 后,由所观察的场景反射的光
到达接收器,选 通 开 启 (如 图
1
中 的 过 程
3
所 示 )。
接收器积分(选通保持开启)的“光切片”的厚度和光
强分布取决 于 选 通 时 间
狋
g
和 激 光 脉 宽
狋
p
。 如 果 激
光脉宽
狋
p
等于接收器选通 时 间
狋
g
,那么
狋
时刻到达
目标被反射的所有的光便全部有效地积分在像面传
感器上。另外,也可以通过对
狋
g
和
狋
p
进行不同的调
整从而获取不同的结果。
图
1
距离选通成像原理
Fi
g
.1 Princi
p
leofran
g
e
g
atedima
g
in
g
2.2
水下距离选通成像系统
距离选通水下激光成像系统由大功率脉冲激光
器、纳秒级选通型 微光
ICCD
、选通同步 控 制系统和
16m
聚氯乙烯(
PVC
)水道 组成
[
22
,
23
]
。系 统组成框
图如图
2
所示。该系统的主动照明光源为灯抽运紧
致型
犙
调 制
Nd∶YAG
激 光 器。成 像 器 件 选 用
18mm
超二代近贴式微通道板像增强器运用光锥耦
合技术与电 荷 耦 合 器 件 (
CCD
)耦 合 的 微 光
ICCD
。
实验水道 为 建 在 实 验 室 楼 道 里 的
16 m
长 的
PVC
管,观察窗为镀有蓝绿光增透膜的光学玻璃。
图
2
水下激光距离选通成像系统构成图
Fi
g
.2 Confi
g
urationofunderwaterran
g
e
g
atedlaserima
g
in
g
s
y
stem
5643
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