水下视频监控系统光场分布与成像效果研究

田鲁军 吴孟轩 贾 鹏 王振

摘要：水下生产系统长期在水下工作运行，会出现落物抛锚、海底腐蚀等现象，导致系统发生失效，因此进行深海视频监控系统研究，以便对水下生产系统的运行状态进行实时监测。基于对深海视频监控系统的工作环境进行分析，结合技术指标对深海视频监控系统进行方案研究；根据水下光学特性建立水下照明光场分布函数，得到影响照明灯输出光通量的因素；考慮在水下可见光散射作用下摄像机成像所需要照明灯输出的光通量确定摄像机和照明灯的位置分布；通过计算图像对比度和信噪比得到深海视频监控系统的有效观察范围，最后通过试验证实摄像机与照明灯夹角为60°时得到最好的成像效果。研究结果可为固定式水下视频远距离全视景成像系统的设计提供参考。

关键词：水下；监控系统；光场分布；成像效果

中图分类号：TE952文献标识码：Adoi：10.3969/j.issn.10013482.2024.02.003

由于海底工程设备长期在水下工作，面临着如海洋污损生物附着引起的腐蚀和污损、海底洋流和渔船产生的落物等诸多问题，所以需要对设备及其周边的工作环境进行远距离全视景成像，以此来预警风险及保障设备长期稳定运行［1］。

海底环境较为复杂，为提高可靠性，水下视频成像系统一般采用闭路电视成像技术。在水下成像设备性能方面，董会［2］等人设计了基于反摄远结构的水下微光成像系统，改善了水下微光环境下成像效果。西安光机所研制了一款用于水下50 m深度的SS1000型水下成像系统，主要由外壳、保护罩、水下摄像镜头和高精度摄像机组成，距离选通脉宽控制范围为0.02～2 .00 ms，在南海油田进行海洋开发辅助设备和水下观测［3］。中国工程物理研究院［4］研制的水下距离选通成像系统采用532 nm波长、400 mJ单脉冲能量的激光器作为光源，结合3 ns最小门宽、1 024×1 024像素的摄像机作为选通器件和图像接收器使用DG535型脉冲发生器进行激光脉冲和摄像机选通门的精确延时和控制功能。曹美［5］等人采用暗原色算法对图像进行去模糊，对去模糊后的图像进行颜色校正，提高了水下图像的质量。Dubok［6］等人提出了基于光学成像模型和非局部均值去噪的水下图像增强框架，降低了增强图像中噪声的增加。在成像设备布置方式的研究方面。

第53卷第2期田鲁军，等：水下视频监控系统光场分布与成像效果研究石油矿场机械2024年3月目前，国内外学者针对水下远距离全视景成像性能的研究较少。徐洪梅［7］等人提出了使用基于菲涅尔透镜的水下集束光源建立非均匀光场，提高了水下光学成像距离。韩捷飞［8］等人使用偏振成像技术提高了远距离成像质量。以上2种方法提高了水下光学成像距离和成像质量，但是需要对水下光源进行特殊定制，限制了应用的场景。此外，现有研究均未涉及水下全视景光学成像效果。

1水下视频监测系统结构介绍

水下视频监测系统按各部分功能划分为控制单元、集成电机单元、海洋污着防护单元、水下成像系统和对接安装单元等，如图1所示。控制单元对整个系统提供电力和通信信号；集成电机单元为水下成像系统在水平面内0～360°的旋转提供动力；海洋污着防护单元安装在照明单元和摄像单元上，重点保护摄像舱和照明舱的玻璃罩不被海洋污着生物附着。水下成像系统主要由照明单元、摄像单元和连接轴组成，照明单元和摄像单元中的舵机可带动摄像机和照明灯在竖直面内±60°范围内做俯仰运动，对水下生产系统及其周围环境进行监测；对接安装单元主要有整体支架和固定基座组成，整体支架搭载控制单元、集成电机单元、海洋污着防护单元和水下成像系统，用于实现设备的安装和回收，固定基座安装在水下管汇上，用于与整体支架对接。

2散射作用下照明光通量计算和成像效果研究

2.1散射作用下照明灯光通量计算

前向和后向散射的影响导致摄像机接收到的光照度不只是直射光产生的［9］，而且由于水质不同，水中悬浮物对光的散射就不一样［10］，但是由于散射光的计算非常复杂，因此只对特定位置关系的成像系统和目标物进行散射光计算。

选择2个具有代表性的位置进行计算，即，摄像机与目标物距离为1 m、摄像机与水平面夹角为-60°和摄像机与目标物距离15 m、摄像机与水平面夹角为60°这2个位置进行计算。

若照明灯发出的光强为IZ， 反光面积为S′的目标物处照度的计算公式为：

EM=IZr2×e-cr （1）

式中：c 为海水可见光衰减系数，m-1；r为照明灯与目标物之间的距离，m；EM 为目标物面积元ds上的照度，lux；IZ 为照明灯发光强度，cd。

假设照明灯所发出的光全部照在目标物上，则可认为目标物满足达朗伯定律的漫反射目标，即各个方向上光线亮度相同，因此S′上的亮度LM可以表示为：

LM=ρ×EMπ （2）

式中：ρ为水下目标常规反射系数。

当照明灯发出的光强为IZ 时，目标物收到的总照度为［11］：

E′M=IZr2×（e-cr+c1kre-kr+c2kre-2kr） （3）

其中：c1=［2.5-1.51g（2π/δz）］/4π；

c2=（7/4π）［2.5-1.51g（2π/δz）］（2π/δz）1/2

式中：k为符合达朗贝尔规律漫反射光的体积衰减系数，m-1；δz为照明灯光束的全张角，rad。

根据公式（2）～（3），可将摄像机可接收到的光通量ΦS1表示为：

ΦS1=λ×LM×S′L2×π×D24×e-cl （4）

式中：（π×D2）/4为摄像机接收光的面积，m2；λ为摄像机透过率。

由小孔成像可知，摄像机传感器上画面大小与实际目标物尺寸之间的关系为：

S′=lf2×S″（5）

式中：S′为实际目标物尺寸，m2；l为目标物与摄像机之间的距离，m；f为摄像机焦距，mm；S″为摄像机传感器面积，m2。

由公式（3）～（5）可得摄像机所接收到的直射光照度ESZ：ESZ=ρλlz4F2e-cr-cl+kr4π×（2.5-1.51g2πδz）×［1+7e-kr2πδz］e-kr-cl （6）

式中：F为摄像机的光圈的倒数。

根据公式（6）可以将摄像机接收到的来自目标物的散射光写ESS为：ESS=ρλlz［kl（1+72e-kl）］7.81F2e-cr-cl+kr4π（2.5-1.51g2πδ）×［1+7e-kr2πδ］e-kr-kl（7）式中：δ为水下目标物反射光全张角，rad。

摄像机所接收到的来自目标物的总照度为：

ES=ESS+ESZ （8）

水下目标反射率典型值ρ=0.2，根据摄像机基本参数可知，摄像机光圈倒数F=1.6～4.4；当光圈越小时，照明灯提供的光通量越大，否则照明灯提供的光通量越小，因此取F=1.6，取摄像机镜头通过率λ=0.85、k=0.074［12］、c=0.2、δz=2π/9及δ=π。将以上参数带入公式（6）、（7）及（8）可得到摄像机接收到的总照度。

当摄像机与水平面成-60°夹角，与照明灯相距l=1 m，照明灯与目标物相距r=0.5 m，可得到摄像机接收到的总照度与照明灯发射光通量之间的关系为：

ES=0.022 2IZ （9）

且水下照明灯的发射光照度与光通量之间的关系如下：

IZ=ΦZΩ=ΦZ4πsin2（ΦZ/4） （10）

2.2深海视频监控系统成像效果研究

成像系统能够接收到的散射光与许多因素有关，其中包括照明灯光束、摄像机视场和空间位置分布，把摄像机照明灯的位置进行合理配置可以有效提高成像系统所捕捉到的图片质量。将照明灯的角度配置作为独立变量，通过分析光通量与图像对比度的相关性对光源角度配置进行研究。

水下图像对比度C计算式［13］为：

C=LM-LBLB（11）

式中：LM为摄像机捕捉到的目标物的亮度，cd/m2；LB为背景亮度，cd/m2。

对于目标物与摄像机距离为l的散射体积元dV=ds×dl，如图2所示。

图2后向散射计算模型图2中，dl为摄像机轴线上的长度元，ds为垂直于该轴线且以摄像机视角为边界的面积元［12］。由此，摄像机所接收到的的光照强度计算式为：

dI（θ）=β（θ）EM（l）dV （12）

式中：θ为摄像机与照明灯相对于散射体积元的夹角，rad；β（θ）为体积散射系数［14］，m-1·sr-1。

亮度定义公式为：

dL（l）=dI（θ）/ds （13）

根据亮度定义公式，则dV产生向后散射的亮度为：

dL（l） =EM（l）β（θ）dl（14）

与光源距离为l的散射体积元，其光照度E（r）由公式（3）表示，将公式（3）代入公式（12）则摄像机的后向散射亮度dL（l）为：

dL（l）=β（θ）e-dI（θ）r2e-cr+2.5-1.51g2πδz·1+72πδz12e-kr·I（θ）k4πre-krdl                                  （15）

将摄像机、照明灯和目标物的几何关系代入式（15）中，照明灯发出光束中靠近y轴的光线与摄像机轴线交点为（l1，0），将dL（l）在［l1，∞］区间积分得到光轴方向摄像机的背景亮度LB为：

LB=L（l1，∞）=∫∞l1dL（l）（16）

目标物与摄像机之间的距离为l0，将dL（l）在［l1，l0］区间进行积分，得到沿光轴方向的摄像机接收到目标物与摄像机之间的水体产生的亮度LM为：

LM=L（l1，l0）=∫l0l1dL（l）（17）

由式（17）可得，當目标物与摄像机之间的距离为l0时，亮度为L0的漫反射目标物，摄像机成像的对比度C为：

C=L0+LM-LBLB（18）

如果不考虑成像系统本身对于信噪比的影响，可以将信噪比简化为：

SNR=L0LB（19）

照明灯内外光束角与摄像机轴线的长度l1，l2由摄像机与目标物的距离l0和照明灯与水平面夹决定，因此公式（18）和（19）给出了图像对比度C和信噪比SNR随目标物距离和照明灯与水平夹角的变化规律。对于位置已经确定的目标物，当照明灯光束角和摄像机视场角一定时，照明灯光束重看部分的体积与内外光线和摄像机视场的交点距离成正比，假设光束角和摄像机视场角相同，摄像机的视场刚好能看到完整目标物，此时计算图像对比度和信噪比的数值。

由公式（18）可知照明灯只要保持摄像机的最低成像要求，改变照明灯的光通量对于图像的对比度没有影响，因此计算深海视频监控系统中的成像对比度是否满足要求即可确定该系统的有效工作范围。

不同摄像机与目标物距离，照明灯进行-60°～+60°的俯仰运动时，图像对比度如图3所示。

图3深海视频监控系统图像对比度

图像对比度随着照明灯与水平面夹角的减小出现先增大后减小的情况，这是因为当照明灯跟随摄像机运动时，摄像机与水平面夹角的变化始终小于照明灯与水平面夹角的变化。随着照明灯与水平面夹角的减小，照明灯的光线与摄像机的视线重叠区域逐渐减小，导致图像对比度逐渐增大，当夹角减小到一定程度时视线重叠区域面积逐渐增大，后向散射作用增强，图像对比度逐渐减小，最佳图像对比度出现在照明灯位于水平面以下40°的位置。

不同目标物距离，照明灯进行俯仰运动时，信噪比随与水平面夹角增大而减小，说明在与水平面夹角增大时，图像中关于目标物的有用信息越来越少，此时即使图像的亮度和对比度满足成像要求，摄像机捕捉到的图像很可能是无效的。结合图像对比度的趋势图（如图3）和图像信噪比图（如图4）来看在深海视频监控系统的摄像机和照明灯固定在某一角度位置进行监控时，摄像机视场满足观察要求情况下，照明灯应该尽可能保持在水平线以下为摄像机提供照度。

图4深海视频监控系统信噪比

3水下视频监控系统试验研究

水下视频监控系统对水下设备生产进行实时监控，成像效果的好坏直接关乎系统的性能，因此需要对照明光通量输出光通量因素和变化趋势进行验证，对比观察不同距离目标物时照明灯角度配置对于图像质量的影响。

3.1水下照明光场分布试验

使用预试验装置针对陆上和水下环境的光场分布进行试验，并且通过调整摄像机与照明灯方位验证深海视频监控系统摄像机与照明灯布置是否满足成像要求。

水下试验平台由12～24 V的直流电机、成像分辨板、OceanCAMIP型摄像机、SeaLED65型照明灯以及PLC控制器等组成，如图5所示。

图5水下视频监控系统试验装置

通过赛式盘可以测试出试验水池的能见度为10.4 m，水质衰减系数c为0.37，因此针对本试验水池需要对深海视频监控系统在目标物为1倍衰减距离～1倍水质能见度即27～104 m远的光场分布进行分析。

3.2水下视频监控系统成像质量试验

使用预试验装置对于深海视频监控系统成像质量进行试验。

3.2.1水下视频监控系统成像质量试验步骤

1）通过导轨将照明灯固定在距离摄像机1 m远的位置。

2）将水下成像分辨率板下放到与深海视频监控系统距离3倍衰减距离的位置，在0～60°区间内调整照明灯的角度，通过调节摄像机的焦距和光圈获得3倍衰减距离位置最佳图像效果，记录该图像，如图6所示。

图6试验中摄像机和照明灯的位置示意

3.2.2水下视频监控系统成像质量分析

当照明灯与摄像机夹角为10°时只能辨别图像内容物轮廓，图像噪点多，当照明灯与摄像机夹角为60°时效果最好且噪点相对较少，当照明灯与摄修机夹角增加时噪点逐渐减少，四个典型位置中只有60°时图像内容物轮廓清晰，噪点相对较少，但整体均无法辨别内容物细节，并且亮度差距不大，这是由于照明灯的全张角过大导致的摄像机视线与照明灯光线重叠部分增大，后向散射作用严重，即使照明灯输出光通量可以满足成像要求，图像质量也不满足观察细节的要求，拍攝效果如图7所示，所以需要通过减小照明灯的全张角改善照明灯光线与摄像机视线重叠部分过大的问题。

图7照明灯与摄像机不同角度下拍摄图像

3.2.3试验结果分析

在目标物距离远远大于摄像机与照明灯间距时，摄像机与照明灯间距变化不会导致照明灯与目标物之间的距离剧烈变化，照明灯在不同间距下输出光通量保持平稳变化，照明灯输出光通量在摄机与照明灯夹角为36°时最大，一倍水质透明度距离下照明灯输出光通量随摄像机与照明灯夹角变化最大;照明灯与摄像机的夹角处于0～60°时均无法辨别图像内容物细节，60°时图像内容物轮廓最为清晰，噪点相对较少。

4结论

1）根据特定位置的散射光计算得出摄像机得到的总照度和照明灯的光通量，为水下照明灯和摄像机的性能选择提供参数。

2）照明灯随着摄像机运动时，当视线重叠区域面积增大，后向散射作用也更强，在这种情况下图片对比度逐渐减小成像质量下降。当照明灯位于水平面以下 40°的位置时成像质量最好。

3）水下成像试验验证了在一倍水质透明度距离下照明灯与摄像机的夹角处于 0～60°时均无法辨别图像内容物细节，60°时图像内容物轮廓最为清晰，噪点相对较少。

参考文献：

［1］张法全，王国富，叶金才， 等.水下光学监控系统照明方式的研究［J］.光子学报，2011，40（7）：10611065.

［2］董会， 温亚楠， 朱建鑫， 等. 用于水下微光监控系统的成像系统设计［J］. 光电技术应用， 2016， 31（3）： 2526.

［3］孙传东， 李庆辉， 高立民， 等. 一种新型的水下电视摄像机［J］. 北京水利， 1997， （6）：57.

［4］王荣波，钟森城，李泽仁，等.激光照明水下目标距离选通成像系统的研制［J］.强激光与粒子束，2013，25（7）： 16661670.

［5］曹美，盛惠兴，李庆武，等.基于暗原色先验模型的水下彩色图像增强算法［J］.量子电子学报，2016，33（2）： 140147.

［6］Dubok P， David k. H， Hanseok K. Enhancing Underwater Color Images via Optical Imaging Model and NonLocal Means Denoising［J］. Ieice Transactions on Information & Systems， 2017， E100. D（7）： 14751483.

［7］徐洪梅， 张志刚， 郑冰. 水下非均匀光场的分布特性［J］. 光子学报， 2010， 39（9）： 16061610.

［8］韩捷飞. 便携式水下连续光成像系统设计及成像质量增强技术研究［D］. 武汉：华中科技大学， 2016.

［9］管风， 张晓晖. 水下连续光成像系统照明光源的最优化波长选择［J］. 光学与光电技术， 2016， 14（4）： 4852.

［10］沈凌敏，张琦，何俊华，等.水下微光高速摄像照明技术的研究与应用［J］.微计算机信息，2010，26（1）：111112+143.

［11］X y Zhou， B Tan， B Zhu， et al. On the Way to Design an Optical Camera Lens for River Sediment in Underwater Imaging，［C］//2010 Third International Symposium on Intelligent Information Technology and Security Informatics， Jian， China， 2010， pp. 4853， doi： 10.1109/IITSI.2010.156.

［12］孙梦楠.水下大尺度光场分布研究［D］.青岛：中国海洋大学，2015.

［13］J S Jaffe.Underwater Optical Imaging： The Past， the Present， and the Prospects［J］.IEEE Journal of Oceanic Engineering. 40， no. 3， pp. 683700， July 2015， doi： 10.1109/JOE.2014.2350751.

［14］T E Giddings， J J Shirron ，A TiratGefen. EODES3： an electrooptic imaging and performance prediction model［C］//Proceedings of OCEANS 2005 MTS/IEEE.Washington， DC， USA， 2005， pp. 13801387 Vol. 2， doi： 10.1109/OCEANS.2005.1639947.