水下电视系统设备研制及图像处理方法研究现状综述

白广明,卢建旗

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)



水下电视系统设备研制及图像处理方法研究现状综述

白广明,卢建旗

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

水下电视系统作为人在水下的眼睛，是进行水下隐蔽工程监视、测量及深水作业必不可少的工具。本文从水下电视系统的图像处理方法和设备的设计研制方面入手，概括了国内外水下电视系统的研究现状，总结了水下电视系统的方法研究和设备研制中存在的关键科学和技术问题，提出了水下电视系统今后的研究方向。

水下电视；图像处理；堤坝；缺陷探测；渗漏

如果将我们想要观察的设备完全放置于阳光之下，让我们肉眼能够观察到其各个部件，那么该设备在运行过程中产生的损坏我们能够及时发现并采取相应的维修措施。然而，对于一些隐蔽工程我们无法用肉眼直接观察到其全貌，如核电厂的核反应堆内部构件、大坝闸门的底部与门槽及海洋石油钻井平台井口的状况等我们无法直接观察到这些部位的结构状况，必须依靠特殊的视频装置才能得以展现。水下电视系统就是为了观察水下目标体而研制的一套特殊的摄像系统。作为一种水下目标体的监视工具，水下电视在海底地形测绘、海洋生物研究、海洋石油钻井平台的水下检修、大坝及堤防病害探测、水下武器试验的监控、深水打捞及核反应堆内部构件的检修等方面得到了广泛应用[1]。

1　水下电视系统的特点

1.1水下拍摄距离受限

与陆地摄影不同的是，水下摄影需要考虑水对光的吸收和散射作用。由于水对光的吸收和散射作用，使得摄像机在水下拍摄的图像对比度大幅下降，从而给目标体的辨识和分析造成困难。研究表明，水对光波的吸收和散射呈指数形式衰减,衰减过程为式(1)[1]。

(1)

式中：I0为入射光的光强，cd；I为经过距离L衰减之后的光强，cd；a为散射系数；b为吸收系数；L为传播距离，m。

水对光波的吸收是光波在传播过程中遇到具有吸收作用的微粒而使光能转换成其他形式能量(如热能、势能、化学能)的过程。因此，水中微粒对光的吸收使得光在水中传播的距离受到限制。散射则是光波在传播过程中与水中微粒产生碰撞致使其传播方向发生了改变，从而造成的传播方向上光能减少的过程。散射使得水下拍摄的图像分辨率降低，画面反差降低，图像细节模糊。由此可见，水中悬浮物(水中微粒的多少或浑浊程度)的多少是水下拍摄面临的最为严重的问题。

1.2水下拍摄操作控制难度大

水下电视系统主要由摄像机、摄像机防护罩、照明、摄像机控制单元及数据传输单元组成，摄像机的调焦、变倍及灯光强度等由地面控制单元操作，如图 1所示。与陆地摄像不同的是，由于水下照相、录制视频需要将摄像设备置于水下需要拍摄的位置，水下工作给操作人员带来了安全隐患，水的流动性增大了操控摄像设备难度。为了获得清晰、稳定的水下影像资料，人们尝试使用了各种操控水下摄像机的拍摄方法。

潜水员水下手持摄像机拍摄、利用绳索将摄像机吊放到目标水深位置进行拍摄以及用无线遥控器远程控制水下摄像机位置移动和姿态调整拍摄等方法。潜水员水下手持摄像机拍摄方式具有直接、有效、变换水下摄像机位置、姿态及摄像光圈及焦距等参数设置容易实现的优点。但是该方式需要潜水员既有潜水技能，又需要有摄像技能。同时，潜水员需要穿戴笨重的潜水服，存在较大的安全隐患且潜水深度有限。因此，这种方法很少被采用。

图1　水下电视系统组成示意图

有线拖拽模式是利用吊索、缆线控制水下摄像机的拍摄方法，如图1(a)所示。摄像机控制单元放置于地面或船上，控制单元通过电缆将控制指令传输给摄像机及照明装置来调节放大倍数及光源强度，摄像机采集的图像通过数据传输电缆将数据回传到控制单元。该方法具有水下摄像机的拍摄位置明确、深度计量可以采用机械传导、方法简易且准确、控制方式简单、设备造价低等优点，适宜在孔内、堤坝及其他等浅水区域探查使用。目前该方式在钻孔水下摄像方面应用已经较好地解决了摄像方位判定问题。该方式也有缺点：水下摄像头位置变换不够灵活，摄像头在吊索头端，限制了视角，虽然目前已经研制出了可以侧向旋转超过90°、水平旋转360°水下摄像头，较好地解决了视角问题，随之也带来了需要正确判定侧向实际拍摄方向的问题。

无线遥控控制拍摄方法去除了笨重的起吊绳索及数据传输电缆，增加了摄像机远程控制的遥控元件及摄像机驱动装置，如图1(b)。操作人员通过遥控器来控制水下摄像机位置移动和姿态调整，以及调节摄像机的变焦放大及灯光变化，采集的影像数据以无线传输的形式实时传输到控制中心。优点是摄像机在水下移动灵活，活动范围宽阔，操控方便，适合于深水作业，如海底打捞、海洋石油平台的水下检修等领域。但是也存在缺点，一是稳定问题，螺旋桨控制水下摄像设备的位置和姿态，即使是在静水中实现悬停时，螺旋桨也需要转动，拍摄的摄像机工作始终要受到螺旋桨运转的机械振动干扰，影响图像稳定性。另外螺旋桨转动还会旋带起水中悬浮物、附近物体表面附着物的快速运动，影响拍摄成像的质量，严重时这些漂浮物阻断了拍摄光线通过路径，无法拍摄。另外，本操控方式多为进口设备，价格昂贵，严重地制约了广泛使用。

1.3防水护罩需要满足抗水压、防腐和减少光学畸变的要求

水下摄像机承受的压力是与设备所在的深度成正比的，每下潜1 m水深，每平方米面积就要增加1 t压力。目前国内已经有可以下潜到2000 m水深的摄像头设备，水下电视必须有满足抗压性能要求的护罩，保障水下摄像机可以在巨大水压力下不会发生变形破坏。

另外，摄像机防护罩还应具有透明、光学畸变小及防腐蚀等性能。由于摄像机防护罩内是空气介质，防护罩是玻璃或其余透明的固体介质，防护罩外是水介质。摄像机拍摄时光线要通过“空气-固体-水”三种介质，光线通过不同介质时将会在界面发生折射引起图像的畸变。为了减少畸变，设计防护罩时常采用球面形状防护罩，让摄像光线垂直通过界面，减少拍摄过程中由于光的折射导致的图像畸变。另外摄像机防护罩还应具有一定的耐腐蚀性能，以适应海洋咸水或其他具有腐蚀性水的使用环境。

1.4浑水限制了水下电视应用

水下成像质量直接与水的浑浊程度相关。水的浑浊程度用浑浊度或浊度来表述，是以水中悬浮物、泥沙及其他细粒物质所产生透明度降低的数量或散射光强弱程度来度量的[2]。水的浊度测量方法通常采用光的透射法或散射法进行测量，如图2所示。

图2　光学测定浊度示意图

(2)

式中：P0为入射光强，cd；L为距离，m；Pt为透射光强，cd；Ps为散射光强，cd；T为浊度，mg/L。

河水的浑浊程度与河岸的性质、河床的组成、水流的速度以及所排入的工业废水、生活污水等因素有关。距离城市近的河流由于接受更多的工业污水和生活污水排放，从而导致河水浑浊度的增加。1996年，金传良等对全国江河及重要供水水源地水质状况调查发现，全国近1/2河段长度的河水受到污染，1/10的河段长度水质受到严重污染，且污染河段主要集中于经济发达地区[2]。虽然河水的污染指标与浊度指标并非一一对应关系，但二者呈正相关关系。

我国河流水大多泥沙含量较大，浑浊度都很高。汛期雨量大，雨水径流会把地表土夹带到河流中，导致河水的浑浊程度更加严重。表1是1994-2003年我国主要河流输沙量年平均统计值[3]。

表1　1994—2003年不同河流输沙量年平均值　(104t·a-1)

实际工作中我们也体会到，许多河流的水是浑浊的，水下摄像不能获得清晰图像，一些严重混浊的水域甚至无法获得影像，限制了水下电视的应用。

2　改善水下电视图像技术方法

为了能够从模糊的、对比度下降的或者受干扰之后的图像中提取或突出最有用的信息，图像处理技术就成为改善这一问题的主要手段。图像处理方法主要有图像的增强方法和图像边缘的检测方法[4]。

2.1图像的增强方法

图像的增强方法包括空间域的增强方法、频率域增强方法及图像的代数运算方法。空间域增强方法包括：灰度变换法、直方图修正法、局部统计法，其修正的目的是改变图像原有的对比度模式，从而体现出对比度反差较小的微弱信息。而频率域图像增强的方法主要有滤波方法和平滑方法，其主要目的是消除图像中的随机光噪声信号，强调图像中的主要信息[5]。

2.2图像边缘的检测方法

图像边缘是指图像中景物的物理特性或光学特性发生变化而形成图像中的色差或对比度的变化的部位。图像亮度的变化、几何形状的改变以及反射系数的变化，它广泛存在于图像中的景物与背景之间和景物与景物之间。边缘检测的目的是从较为模糊的边缘中通过检测算法自动识别出边缘所在的位置，并采取相应的增强措施以重建目标景物的图像。

图3　图像边缘检测微分算子示意图

目前，图像边缘的检测方法大多数利用微分运算。如图3所示，图像的灰度值在图像边界产生阶跃。然而，由于噪声的影响使得这种阶跃变成了一种缓慢的变化过程，从灰度曲线难以判断准确的边界位置，而灰度曲线的导数则会在图像边缘部位出现峰值或突变。因此，一阶导数甚至二阶导数类型的微分算子常被用来检测图像边界。其中代表性的算法有：Robert算子、Canny 算子、Kirsch算子、Sobel算子、Perwitt算子和Robinson算子等。

3　水下电视设备研制现状

水下电视的起源可以追溯到1947年，美国海军在毕其尼环礁开展了水下电视摄像实验，这一实验的目的是为潜艇安装一副可以看见潜艇外部世界的眼睛。从此，各国都相继开展了水下电视的技术研究。1971—1972年间，日本广播协会先后研制出晶体管摄像装置、光导摄像管摄像装置等适合于水下摄影的摄像装置。对目前水下电视系统影响最大的是1979年美国无线电公司研制的单板式电荷耦合(Charge-Coupled Device, CCD)彩色摄像机。美国海军将这一研究成果使用在潜艇上，在海底意外获得了稀有鱼类和其他生物珍贵图像。后来经过不断的研究，现在已经出现了增强型电荷耦合(Intensified Charge-Coupled Device, ICCD)彩色摄像机，电子倍增CCD(Electronic Multiplying Charge-Coupled Device, EMCCD)等。CCD电子成像原件的最大优点在于其能够实现纳秒量级的快门控制时间，即能够提高摄像的时间分辨率。这对于流动水中摄像无疑是最根本的要求。从此，水下电视技术也在各国的民用领域得到了广泛应用。20世纪90年代初期，美国Benthos公司研制出了DSC 5010型水下数字摄像系统。20世纪90年代中期，美国Benthos公司突出了改进的DSC 4000型水下数字摄像系统[6]。

1992年，我国交通部海洋水下工程科学研究院自行设计制造了SD便携式水下电视设备。摄像机采用1NV-2402型高灵敏度CCD暗光黑白摄像机，配备专用水下照明灯具，采用防锈铝合金作为防护罩外壳材料，可适用于最大水深300 m的水下环境[7]。1997年，上海交通大学奚立峰等人[8]研制了SS-1000型水下电视系统,采用了高分辨率、高灵敏度CCD成像器件；设计了耐压、耐腐蚀的水密壳体；具有自动光圈和遥控调焦功能。长江科学院也研制了CJSD-1型钻孔前视全景水下电视系统，该设备采用了CCD摄像机，深度标定采用孔口测量轮测量，设备配有特殊的照明光源，适用于各种复杂水下环境中的检测工作。该设备主要用于堤坝工程的水下隐患探查，在水利工程领域得到了广泛应用。1998年，中国科学院西安光学精密机械研究所孙传东等[1]对水下电视的防护罩结构设计及镜头组的配置进行了试验研究。结果表明，常被采用的玻璃半球防水密封窗结构简单，能够改善由于水介质折射而引起的一些图像畸变的缺陷。但是要保证半球的球心与成像物镜入瞳点相重合，否则由于水介质的折射造成的图像畸变将无法完全矫正。对镜头组的试验研究表明水下专用光学镜头能够彻底矫正相差和消除水介质的影响，在成像质量和大视场方面明显占优势。和陆地摄影不同的是，水下摄影很难保证摄像过程中景物与镜头的相对固定。水总是在流动，摄像机也处于一种不稳定的漂浮状态。因此，自动调焦与控制是水下摄像的一个新的要求。2008年，中国科学院西安光学精密机械研究所刘智辉等[9]提出了一种新型的二维扫描式水下电视系统，该系统可以进行水平360°，垂直90°全方位扫描，不存在死角，在船上或岸上使用水下控制系统，可以对系统实施远程控制，通过该系统可以对水中运动目标进行跟踪监视，最大工作深度可达100 m。2009年，郑州轻工业学院王新金等[10]设计了一种适合固定场景监控、具有远程自动控制功能的水下电视系统。该系统能够根据水下情况，自动开启或关闭水下照明光源，光源开启后能够自动调节亮度，自动实现镜头的调光和调焦等功能。该系统以AT98S52单片机为核心控制单元，通过程序自动提取和分析图像灰度直方图的特点，并根据设定的标准对摄像机的光源的亮度、摄像机的光圈、摄像机的调焦进行自动控制，以保证每一帧录制的图像都处于最佳效果。

可见，国内外水下电视系统的研究在水下摄像机的电子成像、水下机器人搭载、远程控制、设备可下潜深度、钻孔中成像等诸多技术方面都有了长足发展，但是对于如何实现在浑浊水中拍摄、岸边或船上拖拽设备精准操控水下摄像头姿态等方面鲜有研究。

4　水下电视系统的应用

2003年，何迈用长江科学院自行研制的CJSD-1型钻孔前视全景水下电视系统对长江堤防隐蔽工程进行了检测工作，填补了以往没有检查减压井质量有效手段的空白，为保证堤防工程质量提供了科学依据[11-12]。2006年，黄沛等[13]将天津大学研制的QKD-9型孔内水下电视及JCD-2型孔内电视系统应用于桩基完整性检测。2007年，中国水利水电科学研究院何秉顺等[14]利用美国Benthos公司生产的水下机器人携带电视系统对哈尔滨市西泉眼水库溢洪道两侧翼墙以及溢流堰受水流冲蚀程度进行了探查，取得了良好效果。2008年，海军工程大学郑志国等[15]使用国产SXD-ⅢBF水下电视系统，对长江航道整治工程水下沉排进行了检查，该系统是潜水员手持水下电视摄像头，缆线连接岸边同步录制图像。真实、直观地反映出了水下沉排的实际情况。2014年，黄河勘测规划设计有限公司工程物探研究院李晓磊[16]利用SD-2型水下电视系统对紫坪水库的受损闸门进行了检测，该系统用连接摄像头电缆将摄像头送入水下，摄像头方向竖直向下，视场角103°，获得了水下闸门情况照片。

5　结　论

我国水下电视系统的研究从20世纪90年代开始至今，经过各个领域学者的不断研究，已经取得了长足的进展。不论在水下拍摄的光学镜头组的设计、摄像机防水护罩设计以及水下遥控操作和遥控驱动等方面都取得了卓越的成就。目前，已经研制出了多种不同型号和用途的水下电视系统。同时，在水下拍摄的图像处理方面也取得了大量的研究成果。

虽然我国水下电视系统的研究已经取得了长足的进展，但也存在一些需要进一步解决的问题和可能的发展方向。首先，水中微粒对光的吸收与散射是影响水下电视成像质量的最主要障碍，尤其在浑浊的水中成像质量更难以保证，甚至无法成像。其次，水的流动及波浪使水下摄像机难以处于一种稳定状态进行拍摄，环境恶劣时无法获得稳定、清晰的图像。目前的水下电视系统所拍摄的目标物的信息都是以二维图片的形式进行展示，如果将所拍摄目标体进行位置信息提取，建立目标体的三维立体模型，将是水下电视系统研究的一个新方向。

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BAI Guangming, LU Jianqi

(InstituteofWaterResourcesandHydropowerResearchofHeilongjiangProvince,Harbin150080,China)

As an extended vision for humankind, underwater TV system has become an indispensible tool to salvage deep water, monitor underwater concealed works and survey underwater topography etc. This paper starts with the image processing methods and equipment production process of underwater TV system, summarizes the current research status of the underwater TV system at home and abroad, summarizes the key scientific and technical problems in research methods and equipment development of underwater TV system and puts forward the research direction of underwater TV system in the future.

underwater TV system；image processing；dams；defect detection；leakage

黑龙江省财政厅科技专项(2014035)

白广明(1958-)，男，研究员级高级工程师，主要从事水利工程质量检测技术方面的研究工作。

TN247

A

2096-0506(2016)09-0001-05