水下視頻監控系統光場分布與成像效果研究

田魯軍 吳孟軒 賈 鵬 王振

摘要：水下生產系統長期在水下工作運行，會出現落物拋錨、海底腐蝕等現象，導致系統發生失效，因此進行深海視頻監控系統研究，以便對水下生產系統的運行狀態進行實時監測?；趯ι詈Ｒ曨l監控系統的工作環境進行分析，結合技術指標對深海視頻監控系統進行方案研究；根據水下光學特性建立水下照明光場分布函數，得到影響照明燈輸出光通量的因素；考慮在水下可見光散射作用下攝像機成像所需要照明燈輸出的光通量確定攝像機和照明燈的位置分布；通過計算圖像對比度和信噪比得到深海視頻監控系統的有效觀察范圍，最后通過試驗證實攝像機與照明燈夾角為60°時得到最好的成像效果。研究結果可為固定式水下視頻遠距離全視景成像系統的設計提供參考。

關鍵詞：水下；監控系統；光場分布；成像效果

中圖分類號：TE952文獻標識碼：Adoi：10.3969/j.issn.10013482.2024.02.003

由于海底工程設備長期在水下工作，面臨著如海洋污損生物附著引起的腐蝕和污損、海底洋流和漁船產生的落物等諸多問題，所以需要對設備及其周邊的工作環境進行遠距離全視景成像，以此來預警風險及保障設備長期穩定運行［1］。

海底環境較為復雜，為提高可靠性，水下視頻成像系統一般采用閉路電視成像技術。在水下成像設備性能方面，董會［2］等人設計了基于反攝遠結構的水下微光成像系統，改善了水下微光環境下成像效果。西安光機所研制了一款用于水下50 m深度的SS1000型水下成像系統，主要由外殼、保護罩、水下攝像鏡頭和高精度攝像機組成，距離選通脈寬控制范圍為0.02～2 .00 ms，在南海油田進行海洋開發輔助設備和水下觀測［3］。中國工程物理研究院［4］研制的水下距離選通成像系統采用532 nm波長、400 mJ單脈沖能量的激光器作為光源，結合3 ns最小門寬、1 024×1 024像素的攝像機作為選通器件和圖像接收器使用DG535型脈沖發生器進行激光脈沖和攝像機選通門的精確延時和控制功能。曹美［5］等人采用暗原色算法對圖像進行去模糊，對去模糊后的圖像進行顏色校正，提高了水下圖像的質量。Dubok［6］等人提出了基于光學成像模型和非局部均值去噪的水下圖像增強框架，降低了增強圖像中噪聲的增加。在成像設備布置方式的研究方面。

第53卷第2期田魯軍，等：水下視頻監控系統光場分布與成像效果研究石油礦場機械2024年3月目前，國內外學者針對水下遠距離全視景成像性能的研究較少。徐洪梅［7］等人提出了使用基于菲涅爾透鏡的水下集束光源建立非均勻光場，提高了水下光學成像距離。韓捷飛［8］等人使用偏振成像技術提高了遠距離成像質量。以上2種方法提高了水下光學成像距離和成像質量，但是需要對水下光源進行特殊定制，限制了應用的場景。此外，現有研究均未涉及水下全視景光學成像效果。

1水下視頻監測系統結構介紹

水下視頻監測系統按各部分功能劃分為控制單元、集成電機單元、海洋污著防護單元、水下成像系統和對接安裝單元等，如圖1所示?？刂茊卧獙φ麄€系統提供電力和通信信號；集成電機單元為水下成像系統在水平面內0～360°的旋轉提供動力；海洋污著防護單元安裝在照明單元和攝像單元上，重點保護攝像艙和照明艙的玻璃罩不被海洋污著生物附著。水下成像系統主要由照明單元、攝像單元和連接軸組成，照明單元和攝像單元中的舵機可帶動攝像機和照明燈在豎直面內±60°范圍內做俯仰運動，對水下生產系統及其周圍環境進行監測；對接安裝單元主要有整體支架和固定基座組成，整體支架搭載控制單元、集成電機單元、海洋污著防護單元和水下成像系統，用于實現設備的安裝和回收，固定基座安裝在水下管匯上，用于與整體支架對接。

2散射作用下照明光通量計算和成像效果研究

2.1散射作用下照明燈光通量計算

前向和后向散射的影響導致攝像機接收到的光照度不只是直射光產生的［9］，而且由于水質不同，水中懸浮物對光的散射就不一樣［10］，但是由于散射光的計算非常復雜，因此只對特定位置關系的成像系統和目標物進行散射光計算。

選擇2個具有代表性的位置進行計算，即，攝像機與目標物距離為1 m、攝像機與水平面夾角為-60°和攝像機與目標物距離15 m、攝像機與水平面夾角為60°這2個位置進行計算。

若照明燈發出的光強為IZ， 反光面積為S′的目標物處照度的計算公式為：

EM=IZr2×e-cr （1）

式中：c 為海水可見光衰減系數，m-1；r為照明燈與目標物之間的距離，m；EM 為目標物面積元ds上的照度，lux；IZ 為照明燈發光強度，cd。

假設照明燈所發出的光全部照在目標物上，則可認為目標物滿足達朗伯定律的漫反射目標，即各個方向上光線亮度相同，因此S′上的亮度LM可以表示為：

LM=ρ×EMπ （2）

式中：ρ為水下目標常規反射系數。

當照明燈發出的光強為IZ 時，目標物收到的總照度為［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為符合達朗貝爾規律漫反射光的體積衰減系數，m-1；δz為照明燈光束的全張角，rad。

根據公式（2）～（3），可將攝像機可接收到的光通量ΦS1表示為：

ΦS1=λ×LM×S′L2×π×D24×e-cl （4）

式中：（π×D2）/4為攝像機接收光的面積，m2；λ為攝像機透過率。

由小孔成像可知，攝像機傳感器上畫面大小與實際目標物尺寸之間的關系為：

S′=lf2×S″（5）

式中：S′為實際目標物尺寸，m2；l為目標物與攝像機之間的距離，m；f為攝像機焦距，mm；S″為攝像機傳感器面積，m2。

由公式（3）～（5）可得攝像機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為攝像機的光圈的倒數。

根據公式（6）可以將攝像機接收到的來自目標物的散射光寫ESS為：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為水下目標物反射光全張角，rad。

攝像機所接收到的來自目標物的總照度為：

ES=ESS+ESZ （8）

水下目標反射率典型值ρ=0.2，根據攝像機基本參數可知，攝像機光圈倒數F=1.6～4.4；當光圈越小時，照明燈提供的光通量越大，否則照明燈提供的光通量越小，因此取F=1.6，取攝像機鏡頭通過率λ=0.85、k=0.074［12］、c=0.2、δz=2π/9及δ=π。將以上參數帶入公式（6）、（7）及（8）可得到攝像機接收到的總照度。

當攝像機與水平面成-60°夾角，與照明燈相距l=1 m，照明燈與目標物相距r=0.5 m，可得到攝像機接收到的總照度與照明燈發射光通量之間的關系為：

ES=0.022 2IZ （9）

且水下照明燈的發射光照度與光通量之間的關系如下：

IZ=ΦZΩ=ΦZ4πsin2（ΦZ/4） （10）

2.2深海視頻監控系統成像效果研究

成像系統能夠接收到的散射光與許多因素有關，其中包括照明燈光束、攝像機視場和空間位置分布，把攝像機照明燈的位置進行合理配置可以有效提高成像系統所捕捉到的圖片質量。將照明燈的角度配置作為獨立變量，通過分析光通量與圖像對比度的相關性對光源角度配置進行研究。

水下圖像對比度C計算式［13］為：

C=LM-LBLB（11）

式中：LM為攝像機捕捉到的目標物的亮度，cd/m2；LB為背景亮度，cd/m2。

對于目標物與攝像機距離為l的散射體積元dV=ds×dl，如圖2所示。

圖2后向散射計算模型圖2中，dl為攝像機軸線上的長度元，ds為垂直于該軸線且以攝像機視角為邊界的面積元［12］。由此，攝像機所接收到的的光照強度計算式為：

dI（θ）=β（θ）EM（l）dV （12）

式中：θ為攝像機與照明燈相對于散射體積元的夾角，rad；β（θ）為體積散射系數［14］，m-1·sr-1。

亮度定義公式為：

dL（l）=dI（θ）/ds （13）

根據亮度定義公式，則dV產生向后散射的亮度為：

dL（l） =EM（l）β（θ）dl（14）

與光源距離為l的散射體積元，其光照度E（r）由公式（3）表示，將公式（3）代入公式（12）則攝像機的后向散射亮度dL（l）為：

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

將攝像機、照明燈和目標物的幾何關系代入式（15）中，照明燈發出光束中靠近y軸的光線與攝像機軸線交點為（l1，0），將dL（l）在［l1，∞］區間積分得到光軸方向攝像機的背景亮度LB為：

LB=L（l1，∞）=∫∞l1dL（l）（16）

目標物與攝像機之間的距離為l0，將dL（l）在［l1，l0］區間進行積分，得到沿光軸方向的攝像機接收到目標物與攝像機之間的水體產生的亮度LM為：

LM=L（l1，l0）=∫l0l1dL（l）（17）

由式（17）可得，當目標物與攝像機之間的距離為l0時，亮度為L0的漫反射目標物，攝像機成像的對比度C為：

C=L0+LM-LBLB（18）

如果不考慮成像系統本身對于信噪比的影響，可以將信噪比簡化為：

SNR=L0LB（19）

照明燈內外光束角與攝像機軸線的長度l1，l2由攝像機與目標物的距離l0和照明燈與水平面夾決定，因此公式（18）和（19）給出了圖像對比度C和信噪比SNR隨目標物距離和照明燈與水平夾角的變化規律。對于位置已經確定的目標物，當照明燈光束角和攝像機視場角一定時，照明燈光束重看部分的體積與內外光線和攝像機視場的交點距離成正比，假設光束角和攝像機視場角相同，攝像機的視場剛好能看到完整目標物，此時計算圖像對比度和信噪比的數值。

由公式（18）可知照明燈只要保持攝像機的最低成像要求，改變照明燈的光通量對于圖像的對比度沒有影響，因此計算深海視頻監控系統中的成像對比度是否滿足要求即可確定該系統的有效工作范圍。

不同攝像機與目標物距離，照明燈進行-60°～+60°的俯仰運動時，圖像對比度如圖3所示。

圖3深海視頻監控系統圖像對比度

圖像對比度隨著照明燈與水平面夾角的減小出現先增大后減小的情況，這是因為當照明燈跟隨攝像機運動時，攝像機與水平面夾角的變化始終小于照明燈與水平面夾角的變化。隨著照明燈與水平面夾角的減小，照明燈的光線與攝像機的視線重疊區域逐漸減小，導致圖像對比度逐漸增大，當夾角減小到一定程度時視線重疊區域面積逐漸增大，后向散射作用增強，圖像對比度逐漸減小，最佳圖像對比度出現在照明燈位于水平面以下40°的位置。

不同目標物距離，照明燈進行俯仰運動時，信噪比隨與水平面夾角增大而減小，說明在與水平面夾角增大時，圖像中關于目標物的有用信息越來越少，此時即使圖像的亮度和對比度滿足成像要求，攝像機捕捉到的圖像很可能是無效的。結合圖像對比度的趨勢圖（如圖3）和圖像信噪比圖（如圖4）來看在深海視頻監控系統的攝像機和照明燈固定在某一角度位置進行監控時，攝像機視場滿足觀察要求情況下，照明燈應該盡可能保持在水平線以下為攝像機提供照度。

圖4深海視頻監控系統信噪比

3水下視頻監控系統試驗研究

水下視頻監控系統對水下設備生產進行實時監控，成像效果的好壞直接關乎系統的性能，因此需要對照明光通量輸出光通量因素和變化趨勢進行驗證，對比觀察不同距離目標物時照明燈角度配置對于圖像質量的影響。

3.1水下照明光場分布試驗

使用預試驗裝置針對陸上和水下環境的光場分布進行試驗，并且通過調整攝像機與照明燈方位驗證深海視頻監控系統攝像機與照明燈布置是否滿足成像要求。

水下試驗平臺由12～24 V的直流電機、成像分辨板、OceanCAMIP型攝像機、SeaLED65型照明燈以及PLC控制器等組成，如圖5所示。

圖5水下視頻監控系統試驗裝置

通過賽式盤可以測試出試驗水池的能見度為10.4 m，水質衰減系數c為0.37，因此針對本試驗水池需要對深海視頻監控系統在目標物為1倍衰減距離～1倍水質能見度即27～104 m遠的光場分布進行分析。

3.2水下視頻監控系統成像質量試驗

使用預試驗裝置對于深海視頻監控系統成像質量進行試驗。

3.2.1水下視頻監控系統成像質量試驗步驟

1）通過導軌將照明燈固定在距離攝像機1 m遠的位置。

2）將水下成像分辨率板下放到與深海視頻監控系統距離3倍衰減距離的位置，在0～60°區間內調整照明燈的角度，通過調節攝像機的焦距和光圈獲得3倍衰減距離位置最佳圖像效果，記錄該圖像，如圖6所示。

圖6試驗中攝像機和照明燈的位置示意

3.2.2水下視頻監控系統成像質量分析

當照明燈與攝像機夾角為10°時只能辨別圖像內容物輪廓，圖像噪點多，當照明燈與攝像機夾角為60°時效果最好且噪點相對較少，當照明燈與攝修機夾角增加時噪點逐漸減少，四個典型位置中只有60°時圖像內容物輪廓清晰，噪點相對較少，但整體均無法辨別內容物細節，并且亮度差距不大，這是由于照明燈的全張角過大導致的攝像機視線與照明燈光線重疊部分增大，后向散射作用嚴重，即使照明燈輸出光通量可以滿足成像要求，圖像質量也不滿足觀察細節的要求，拍攝效果如圖7所示，所以需要通過減小照明燈的全張角改善照明燈光線與攝像機視線重疊部分過大的問題。

圖7照明燈與攝像機不同角度下拍攝圖像

3.2.3試驗結果分析

在目標物距離遠遠大于攝像機與照明燈間距時，攝像機與照明燈間距變化不會導致照明燈與目標物之間的距離劇烈變化，照明燈在不同間距下輸出光通量保持平穩變化，照明燈輸出光通量在攝機與照明燈夾角為36°時最大，一倍水質透明度距離下照明燈輸出光通量隨攝像機與照明燈夾角變化最大;照明燈與攝像機的夾角處于0～60°時均無法辨別圖像內容物細節，60°時圖像內容物輪廓最為清晰，噪點相對較少。

4結論

1）根據特定位置的散射光計算得出攝像機得到的總照度和照明燈的光通量，為水下照明燈和攝像機的性能選擇提供參數。

2）照明燈隨著攝像機運動時，當視線重疊區域面積增大，后向散射作用也更強，在這種情況下圖片對比度逐漸減小成像質量下降。當照明燈位于水平面以下 40°的位置時成像質量最好。

3）水下成像試驗驗證了在一倍水質透明度距離下照明燈與攝像機的夾角處于 0～60°時均無法辨別圖像內容物細節，60°時圖像內容物輪廓最為清晰，噪點相對較少。

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