ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2013, том 49, № 3, с. 370-376
УДК 551.466:535.361
О НАБЛЮДЕНИИ ПОДВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ЧЕРЕЗ ВЗВОЛНОВАННУЮ ВОДНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ: НОВЫЙ АЛГОРИТМ КОРРЕКЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ И ЛАБОРАТОРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
© 2013 г. Д. Г. Турлаев, Л. С. Долин
Институт прикладной физики РАН 603950 Нижний Новгород, Ульянова, 46
E-mail: dimkat@hotbox.ru E-mail: Lev.Dolin@hydro.appl.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 29.03.2012 г., после доработки 13.06.2012 г.
Исследуется возможность коррекции рефракционных искажений изображения морского дна или подводного объекта, наблюдаемых через взволнованную водную поверхность. Предложен и апробирован быстродействующий алгоритм восстановления "регулярного" изображения по его случайной реализации и пространственному распределению уклонов поверхности в момент наблюдения. В условиях лабораторного эксперимента отработана методика определения уклонов поверхности по ее изображению и последующей коррекции изображения подводного объекта на основе полученных данных об уклонах поверхности.
Ключевые слова: подводные объекты, гидрооптика, взволнованная поверхность, изображение.
DOI: 10.7868/S0002351513030152
ВВЕДЕНИЕ
Глубина видимости морского дна и подводных объектов через водную поверхность обычно не превышает нескольких десятков метров. Тем не менее наблюдение дна с летательных аппаратов может дать весьма ценную информацию об экологическом состоянии прибрежных районов океана. Телевизионные изображения дна можно использовать для картографирования распределений растительности и донных осадков, регистрации загрязнений дна и слежения за состоянием коралловых рифов. Оптический мониторинг позволит выявлять изменения дна, связанные с хозяйственной деятельностью человека и естественными природными процессами: разрушением берегов, выносом вещества стоками рек, переносом взвеси течениями, сменой растительного покрова. Такой мониторинг особенно важен в зонах пляжей и районах нереста промысловых рыб.
Качество изображения дна зависит от большого числа факторов. Рассеяние и поглощение света в воде приводит к потере информации о мелких деталях его структуры, ослаблению видимой яркости и появлению маскирующего фона (дымки), уменьшающего контраст изображения. В результате преломления света на случайно-неровной поверхности моря изображение дна тоже становится случайно-неоднородным, а отраженный от поверхности свет вносит в изображение дополнительные пространственные шумы. Негативное влияние этих эффектов на видимость дна
проявляется в различной степени в зависимости от условий наблюдения: характеристик наблюдаемого участка дна, оптических свойств воды, состояния поверхности и атмосферы, условий освещения и параметров аппаратуры. Поэтому теории видения подводных объектов и поиску оптимальных способов их наблюдения посвящено большое число публикаций [1—15].
Существующая теория переноса изображения через взволнованную поверхность и толщу воды ставит своей основной целью исследование статистически средних характеристик изображения (изображения, усредненного по ансамблю случайных реализаций рельефа взволнованной поверхности моря; дисперсии флуктуаций яркости изображения и др.). Она построена по аналогии с теорией подводного инструментального видения и оперирует понятиями функции размытия точки (характеризующей структуру статистически среднего изображения точечного источника света, наблюдаемого через водную поверхность) и частотно-контрастной характеристики (коэффициента ослабления контраста статистически-среднего изображения диффузно светящегося объекта с синусоидальным распределением яркости). В случае стационарного и однородного волнения статистическое усреднение эквивалентно временному, а статистически среднее изображение можно отождествить с идеально накопленным во времени. При оценках видимости через случай-
но-неровную поверхность накопленное изображение рассматривается в качестве полезного (информативного) сигнала, а стохастической компоненте отводится роль помехи.
В реальных условиях получать "накопленное" изображение, как правило, не удается, и наблюдателю приходится иметь дело с изображением, которое искажено в результате преломления света взволнованной водной поверхностью (искажения такого рода мы называем рефракционными). В связи с этим представляется важным исследовать возможности коррекции рефракционных искажений изображения за счет использования информации о состоянии водной поверхности в момент наблюдения. Известны два различных способа решения этой проблемы. Способ, исследованный в работах [16—18], основывается на выделении неискаженных фрагментов в ансамбле случайных реализаций изображения объекта и формировании его регулярного изображения путем сложения этих фрагментов. Для нахождения неискаженных фрагментов изображения используются данные о положении бликов на водной поверхности. В работах [19, 20] были предложены алгоритмы восстановления правильного изображения объекта по одной реализации его искаженного изображения. Для коррекции изображения объекта предполагалось использовать информацию об уклонах водной поверхности, которая содержится в изображении поверхности при ее наблюдении в отраженном свете неба.
Цель данной работы заключается в совершенствовании алгоритсма коррекции рефракционных искажений изображения и экспериментальной проверке работоспособности описанного в [20] метода наблюдения через взволнованную водную поверхность.
МОДЕЛЬ СЛУЧАЙНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Считаем, что система наблюдения располагается на высоте Н над плоскостью г = 0, которая в отсутствие волнения служит границей раздела "вода—воздух" (рис. 1). Положение точки на этой плоскости характеризуем вектором г,, а "мгновенный" рельеф взволнованной поверхности моря — функциями ее возвышений и
уклонов п( г,) = )• Объектом наблюдения
является плоская изотропно светящаяся поверхность г = —Z с яркостью Ц0(г), зависящей от координат точки объекта г(х, у). Изображение формируется с помощью объектива О и многоэлементного фотодетектора Б, оно воспроизводит зависимость яркости падающего на объектив света Ц(-п) от направления визирования п (см. рис. 1). Структуру изображения можно характеризовать
г' г'1
................ Б
\ П
^о(г)
г1 г
Рис. 1. Схема наблюдения.
непосредственно функцией Ц(-п), однако в качестве аргумента этой функции удобнее использовать координаты (г) точки объекта, которая в случае плоской границы раздела вода—воздух проецируется на элемент фотодетектора с координатами г' = -п± //(1 - /¡7), где п± — горизонтальной составляющая единичного вектора п, / — фокусное расстояние объектива. Поэтому под изображением мы будем понимать регистрируемую яркость света Ц(г) как функцию координат г = п ±(И + Z/m) указанной точки объекта (т — показатель преломления воды).
При наблюдении объекта через водную поверхность его изображение искажается не только волнением, но и самой водной средой, поскольку она рассеивает и поглощает свет. В работе [19] было показано, что искаженное волнами и средой изображение Ц(г) можно рассматривать как результат определенной трансформации изображения Ц(г), которое формируется системой видения в отсутствие волнения. Связь между этими изображениями определяется формулами
Цг) = Ц(г1), (1)
г1 = г - (1 - т_1)л (г,)^ г, = (1 + Z/mИ)-1г. (2)
Эти формулы позволяют свести расчет Ц(г) к последовательному решению двух задач. Первая из них заключается в нахождении "видимой" яркости (Ц) объекта с "истинной" яркостью Ц0(г) в предпо-
Дг)
Рис. 2. Иллюстрация алгоритма коррекции изображения.
ложении, что объект наблюдается через плоскую водную поверхность и его изображение портится только из-за рассеяния и поглощения света в воде. Вторая задача состоит в определении искажений изображения поверхностными волнами на основе данных об уклонах поверхности. При ее решении мы должны считать воду абсолютно прозрачной, а распределение яркости на поверхности наблюдаемого объекта описывать функцией ¿(г).
Из сказанного следует, что восстановление "истинной" яркости объекта ¿0(г) по изображению ¿(г) тоже требует решения двух задач: определения ¿(г) по функциям ¿(г), п (г) и определения ¿0(г) по изображению ¿(г) с использованием соответствующей модели этого изображения и данных об оптических свойствах воды. Способ решения второй задачи хорошо известен: пространственный спектр распределения ¿0(г) находится путем деления пространственного спектра изображения ¿(г) на частотно-контрастную характеристику и коэффициент пропускания водного слоя толщины Z. Поэтому в настоящей работе мы ограничимся рассмотрением первой задачи, которая заключается в устранении рефракционных искажений изображения ¿(г) с целью его превращения в изображение ¿(г), которое получается при наблюдении объекта через плоскую водную поверхность.
НОВЫЙ АЛГОРИТМ КОРРЕКЦИИ РЕФРАКЦИОННЫХ ИСКАЖЕНИЙ ИЗОБРАЖЕНИЯ
В результате преломления света на неровной границе раздела на заданный элемент детектора с координатами г' вместо точки объекта г = —г'(1 — _/|2)(Н+
+ Z|m)|f проецируется точка объекта г!, положение которой зависит от уклона поверхности в точке г (см. рис. 1). Искажения изображения возникают вследствие того, что система наблюдения ошибочно воспринимает точку объекта г1 как точку г. Поэтому коррекция изображения должна заключаться в установлении правильного соответствия между положениями точек объекта и элементов детектора, на которые они проецируются. Эту задачу можно решать по-разному: путем определения местоположения элемента детектора, на который проецируется заданный элемент объекта или путем определения местоположения элемента объекта, который проецируется на заданный элемент детектора. Разработанные ранее алгоритмы коррекции [19] основывались на первом из указанных подходов. Они требовали выполнения двух операций: определения зависимости г(^) из уравнения (2) и восстановления изображения Ь по формуле ¿(г!) = Ь [г(гх)]. Определение зависимости г(^) подразумевает нахождение функции, обратной к г^г), которая, вообще говоря, оказывается многозначной.
Предлагаемый алгоритм коррекции основывается на альтернативном п
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.