[发明专利]一种水下拍摄及图像处理装置及方法

权利要求书

1.一种水下拍摄及图像处理装置，其特征在于，包括：镜头(2)、与镜头相连的CMOS传感器模块(3)、图像处理系统、防水罩(5)以及与镜头连接的电源；所述图像处理系统包括图像压缩处理模块(4)、主控模块(7)和图像传输模块，所述图像处理模块(4)在主控模块(7)的控制下将镜头采集的图像或视频进行压缩和预处理，通过图像传输模块将图像传输至上位机；所述防水罩(5)为封闭且透明的箱体，镜头(2)、CMOS传感器模块(3)设于防水罩(5)内部，并通过固定板(1)与防水罩(5)连接并固定。

2.根据权利要求1所述的水下拍摄及图像处理装置，其特征在于，所述预处理包括图像去雾和图像增强。

3.根据权利要求1所述的水下拍摄及图像处理装置，其特征在于，所述所述图像传输模块通过水密线缆与上位机连接。

4.根据权利要求1所述的水下拍摄及图像处理装置，其特征在于，所述主控模块(7)与图像处理模块(4)之间采用TCP/IP全双工通信模式进行数据传输。

5.根据权利要求1所述的水下拍摄及图像处理装置，其特征在于，所述防水罩(5)内部顶端设有照明灯(6)。

6.根据权利要求1所述的水下拍摄及图像处理装置，其特征在于，所述防水罩(5)为亚克力玻璃材质。

7.一种水下拍摄及图像处理方法，采用上述任一项权利要求所述的水下拍摄及图像处理装置，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将水下拍摄及图像处理装置放入水中，此时主控模块关闭；

(2)待装置下降到一定深度后，通过镜头拍摄图像或视频，将原始图像传输至上位机；

(3)启动主控模块，控制图像处理模块对采集的图像或视频进行预处理，压缩后传输至上位机；

(4)移动装置，拍摄图像或视频，再次进行预处理和传输步骤。

8.根据权利要求7所述的水下拍摄及图像处理方法，其特征在于，所述步骤(3)中的预处理包括以下步骤：

(31)建立水下成像的数学模型：

I^total(x，y)＝D(x，y)+B(x，y)

I^total(x，y)表示采集到的水下原始图像，D(x，y)为物体表面反射的光经过水体衰减和经过前向散射作用后到达探测系统的光强；B(x，y)为由水下粒子后向散射产生的水下背景光强；

D(x，y)和B(x，y)的表达式分别如下所示：

D(x，y)＝L(x，y)e^{-β(x，y)ρ(x，y)}

L(x，y)为水下目标有效幅值信息，它既包含水下目标的直接辐射信息，又包含水下目标信息传输过程中与水中粒子撞击产生的前向散射；

水下传输率为：

t(x，y)＝e^{-β(x，y)ρ(x，y)}

其中，β(x，y)表示水体对光的吸收和散射的总衰减系数；ρ(x，y)是光源与成像系统之间的相对距离；

B(x，y)＝B_∞(1-t(x，y))

其中，B_∞表示水下无穷远处的背景光强，是水体的固有参数，t(x，y)表示光在水下的传输率；利用式I^total(x，y)的表达式可以求出成像系统的光强表达式为：

I^total(x，y)＝L(x，y)t(x，y)+B_∞(1-t(x，y))

联立以上公式，得到水下传输率的表达式：

进一步求得成像系统获得的图像的光强表达式：

(32)为求解水下传输率，估算无穷远处背景光；在暗原色先验的基础上，引出了亮原色原理的方法估计无穷远处的背景光强值，亮原色的表达式为：

L^bright＝max_{c∈{r，g，b}}(max_{z∈Ω(x，y)}(L^c(z)))

其中L^c表示输入图像的一个颜色通道，Ω(x，y)表示以(x，y)为中心的图像区域；亮通道图像时输入图像经过两次最大值计算得到的；此时，获取到的水下图像的模型可表示为：

I^total(x，y)＝L(x，y)t(x，y)+B_∞(1-t(x，y))＝B_∞ρt(x，y)+B_∞(1-t(x，y))

其中，ρ为物体表面反射率，在亮通道中为常数1，亮原色的表达式可表述为：

L^bright＝B_∞

(33)对每个像素位置均对红色通道的衰减进行补偿，达到白平衡的效果，其数学表示为：

其中，I_r，I_g表图像I的红色和绿色通道，每个通道在其通道动态范围上限归一化到[0，1]区间中；和表示I_r和I_g的平均值；α表示恒定参数。