【神奇的激光課程論文：計算機集成成像在水下探測研究中的發(fā)展4700字（論文）】

《神奇的激光》課程論文:計算機集成成像在水下探測研究中的發(fā)展目錄TOC\o"1-2"\h\u8339《神奇的激光》課程論文:計算機集成成像在水下探測研究中的發(fā)展 121152一、引言 123756二、集成成像的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 215556三、水下成像技術研究現(xiàn)狀及趨勢 417174參考文獻 7摘要：水下光學成像技術是水下目標探測技術的一個重要組成部分，其在海洋資源勘探、海上搜救、水產(chǎn)養(yǎng)殖等多個領域都具有巨大應用潛力。由于光波在水下傳播過程中會受嚴重的吸收作用和散射作用影響，造成成像結(jié)果亮度降低、對比度下降、圖像模糊、分辨率降低等圖像質(zhì)量退化問題，因此普通光學成像技術在水下環(huán)境中通常難以獲得理想成像效果。如何實現(xiàn)高質(zhì)量水下光學成像、提高水下目標探測能力是一個極具應用潛力的研究課題。本文主要分析總結(jié)了計算機集成成像的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢和水下集成成像的技術的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢。摘要：集成成像；水下探測；水下成像；結(jié)構(gòu)光成像；偏振成像一、引言水下資源開發(fā)的迫切需求對高性能水下探測技術提出了要求。水下成像技術具有能夠直觀有效地反映水下環(huán)境的優(yōu)勢，奠定了其在海底地貌成像、水底資源勘探、生物群種監(jiān)測、水下目標探測、考古發(fā)掘等領域的關鍵地位。目前主流的水下成像技術分為聲學成像和光學成像兩種。聲吶技術早在第二次世界大戰(zhàn)期間就已獲得實戰(zhàn)應用，但直到上世紀八十年代，加利福尼亞大學的MichealJ.Buckingham才首次提出聲學成像(acousticdaylightimaging)的概念。聲學成像的最大優(yōu)勢在于能夠獲得較遠的成像距離，自出現(xiàn)以來一直是水下成像的主要技術，然而其成像分辨率低、易受環(huán)境波動影響的缺陷也限制了探索水下資源的進程。相比之下，將光學成像技術拓展至水下能夠以清晰直觀的形式呈現(xiàn)水下環(huán)境，提供更符合人類視覺系統(tǒng)解譯的信息。此外，水下光學成像技術具有成像分辨率高、速度快、操作簡便、成本低的優(yōu)點，能夠做為聲學探測技術的良好補充實現(xiàn)水下探測。受水體自身特性影響，自然光線在水體中只能傳播非常有限的距離，進而導致水下成像圖像質(zhì)量下降，如對比度低、圖像整體亮度暗、圖像模糊、分辨率低等。影響成像結(jié)果的水體自身特性主要包括水體對光線的吸收和散射作用。自然環(huán)境下的水體含有各種有機和無機懸浮粒子，光線受水體和粒子的散射或吸收作用，改變光線的傳播方向，導致光線不能到達成像系統(tǒng)或背景雜散光進入成像系統(tǒng)，最終引起成像質(zhì)量的變化。具體而言，吸收作用對成像過程的影響主要在于光波能量的衰減，反映在圖像中表現(xiàn)為圖像亮度暗，成像距離短；此外，水體對光波能量的吸收具有波長依賴性，只有特定波長的光能夠在水體中保持較低的衰減，故水下圖像通常存在嚴重的色彩畸變。水體對光波的散射作用則主要導致圖像對比度和分辨率下降以及圖像模糊等問題。散射主要包括前向散射和后向散射兩個過程，發(fā)生前向散射后光線偏離原來的傳輸路徑，造成圖像分辨率降低和圖像模糊；后向散射光由于攜帶了懸浮微粒信息導致目標圖像產(chǎn)生“帷幔效應”，對比度降低。通過分析水體特性可見，自然環(huán)境下實現(xiàn)被動成像難度較大，且被動成像不能全天候工作，實用性有限。通過增加照明或提高探測器靈敏度的方式可以彌補由于水體吸收效應造成的圖像質(zhì)量下降問題，因此，相比提高探測器靈敏度的成本和難度，主動水下成像技術是一種有效的水下探測解決方案。主動水下成像技術的研究中需要重點關注由于主動光源的引入而大幅增強的散射效應，其進一步導致圖像對比度、分辨率降低以及模糊的問題。國內(nèi)外學者針對主動水下成像技術進行了大量研究，取得了豐碩的成果，其中具有代表性的技術包括距離選通技術、同步掃描技術等，但仍存在探測系統(tǒng)體積龐大、成本高等固有限制。近年來，偏振成像技術由于能夠利用光波的另外一維信息成像獲得了廣泛關注，其能夠在霧、霾等散射介質(zhì)中提高圖像中目標對比度，并且利用光波的偏振信息能夠提高水下成像質(zhì)量。二、集成成像的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢集成成像技術是一種在近十幾年來迅速發(fā)展的新型三維顯示技術。其實該技術最早被稱為集成攝影術(integralphotography)，早于1908年便由法國物理學家李普曼(GabrielLippmann)首次提出。他認為根據(jù)光路可逆原理，只需用凸透鏡陣列對目標物體進行記錄(21,、即可還原原始光場，其原理如圖1所示。但受制于當時的透鏡生產(chǎn)工藝，無法生產(chǎn)出尺寸較小的微透鏡陣列，因而一段時間里集成成像技術的發(fā)展幾近停滯。圖1集成攝影術原理圖直至1911年，莫斯科國立大學的A.P.Sokolov提出在采集和重構(gòu)的過程中，將微透鏡陣列用針孔陣列進行替代，并首次完整地驗證了集成成像。雖然集成成像得到了驗證，但由于針孔陣列的亮度暗分辨率低，實驗效果并不理想。1931年，Ives教授進一步發(fā)展了集成成像技術。他經(jīng)過對集成攝影術中成幻視像的成像特點進行仔細分析后，提出了二次記錄的方法。所謂二次記錄，即是將目標物體第一次通過微透鏡陣列得到的基元陣列再次通過各項參數(shù)相同的微透鏡陣列，從而得到三維重構(gòu)圖像，由此解決了圖像反轉(zhuǎn)的問題，但由于當時的感光底片與微透鏡的制造工藝達不到所需標準，經(jīng)過兩次記錄后的重構(gòu)圖像反而更加模糊。為了避免集成成像系統(tǒng)得到的圖像產(chǎn)生重疊，1998年日本NHK廣播公司的JunArai等人用梯度折射率透鏡陣列代替了傳統(tǒng)的透鏡陣列，光線通過這些梯度折射率透鏡陣列時會保持相互獨立，從而避免了單元像之間的重疊串擾。為了解決硬件條件對集成成像研究的限制，科研人員把計算機引入到集成成像技術中來。2000年，Cartwright首次從多方面對計算機采集系統(tǒng)進行論證，為利用計算機生成立體元圖像陣列代替實際光學系統(tǒng)采集場景奠定了理論基礎。2002年，國際光學工程學會正式將集成成像技術列入專題討論范圍。2004年，美國康涅狄格大學的研究人員提出了計算集成成像重構(gòu)方法，該方法用于重構(gòu)被遮擋物體。通過光線重建出不同深度的切片圖像，變換不同的重建平面重建出物體的體積分布，從而使得重構(gòu)算法的研究領域進一步擴大。2009年，Dong-HakShin等人提出了一種增大觀看視角的方法:用曲面微透鏡陣列替代平面微透鏡陣列，這種改變有效增大了觀看視角[Io}o2010年，HectorNavarro等人將采集三維場景的相機陣列換成了掃描式相機陣列，解決了面交織的問題。近年來，各國學者對于如何提升集成成像的顯示性能做了大量的研究，在3D分辨率提升，3D景深擴展，3D視角擴大以及2D/3D切換方面取得了大幅的進展。同時，除了對集成成像系統(tǒng)和參數(shù)的研究，其應用范圍也變得豐富多彩，如水中物體的三維成像，弱光環(huán)境下的應用，對遮擋物體的追蹤，3D顯微系統(tǒng)中的應用等。國內(nèi)外高校與研究機構(gòu)，如中國科學技術大學、浙江大學、西安電子科技大學、韓國首爾大學、美國康涅狄格大學、日本NHK公司等，都對集成成像技術展開了積極研究。2008年，四川大學的焦甜甜等人通過3DSMAX軟件實現(xiàn)了計算機模擬集成成像。2011年，中國科技大學徐晶等人通過計算機實驗了透鏡陣列重構(gòu)。2017年，趙雪微等人提出了一種基于計算集成成像的水下目標成像方法。2018年，范鈞等人基于可變孔徑針孔陣列，對集成成像3D顯示成像技術進行了研究。2019年，王宇等人提出了一種在集成成像計算重構(gòu)中，對相鄰元素圖像單元進行配準、拼接，從而增大視角的方法。三、水下成像技術研究現(xiàn)狀及趨勢歷經(jīng)多年發(fā)展，目前水下成像技術主要包括六類，分別為距離選通成像技術、同步掃描成像技術、結(jié)構(gòu)光成像技術、調(diào)制/解調(diào)去散射成像技術、水下偏振成像技術以及光學聲學混合成像技術。各種水下成像技術需解決的核心問題均集中于光波在水下由于衰減和散射引起的成像質(zhì)量退化。激光距離選通技術是一種有效的水下主動成像技術，利用距離選通技術能夠提高水下目標定位和打擊精度。圖2展示了水下距離選通成像技術的探測原理，整體探測系統(tǒng)包括兩部分：脈沖激光器和選通攝像機，探測過程中首先通過脈沖激光器照射目標，接收端的選通相機通過距離選通門控制，在目標反射激光傳播至選通相機之前，相機快門保持關閉狀態(tài)，直至目標反射的信號光抵達相機，快門打開，相機捕捉視場內(nèi)目標信號光。通過這種時間上的先后差別來去除后向散射光對成像的影響，保證入射光在經(jīng)過目標反射后剛好在選通相機工作的時間內(nèi)到達并被捕捉，在其余時間抵達選通相機的背景散射光則被排除。距離選通成像技術的距離分辨率取決于激光光源的脈沖寬度和選通相機的選通門寬度，如果同時保證較窄的光源脈沖寬度和相機的選通門寬度，則只有反射的目標信號光能夠進入相機，從而提高成像結(jié)果信噪比。圖2水下距離選通成像技術原理[水下同步掃描成像技術基于光在水體傳播過程中，后向散射光強度由中心向邊緣迅速減小的原理，利用空間的差異分離目標信息光和散射光。該類成像系統(tǒng)由準直線陣激光器和瞬時視場很窄的接收器組成，其原理如圖1.6所示，該技術相對于距離選通成像技術降低了對激光功率的要求，相對于點激光二維掃描技術成像速度得到了提高，是一種公認的有效的水下距離增強成像技術。通過將窄帶激光掃描器和窄視場角接收器分開放置，減小接收器視場與被照明區(qū)域的重疊，從而盡量控制后向散射光不進入接收器；然后通過同步掃描，以像素點為單位進行探測，最終實現(xiàn)提高成像信噪比和探測距離。2009年北京理工大學開始研究基于條紋管的水下同步掃描成像，并搭建了相關成像系統(tǒng)并進行了波面形狀獲取以及校正技術的研究。水下同步掃描成像技術最大的優(yōu)勢在于成像距離遠、成像精度高，但實現(xiàn)遠距離、高精度探測的保證條件為精密的掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計和精確地同步控制系統(tǒng)，從而導致水下掃描成像系統(tǒng)的高成本和大體積，難以滿足靈活性和便攜性要求較高的應用需求。水下結(jié)構(gòu)光成像技術是一種主動三角測量技術，能夠恢復場景三維信息。首先通過激光器發(fā)射窄帶光束以不同角度照射目標物體表面，然后通過相機拍攝圖像，獲得被目標表面扭曲的線條圖案信息，最后根據(jù)相機和激光器的位置關系反解出目標物體的幾何形狀。目標表面扭曲的光線圖案很容易和水體散射光分離，有利于實現(xiàn)清晰水下成像。Narasimhan于2005提出采用投影機提供結(jié)構(gòu)光，獲得了對比度明顯優(yōu)于寬視角照明系統(tǒng)的成像結(jié)果，并解出了目標物體的深度信息。實現(xiàn)結(jié)構(gòu)光照明的另一方式為合成孔徑法，以Levoy提出的利用星群照明光源為例，通過光源不同的照明組合獲得不同的照明模式，對采集的序列圖像進行后續(xù)處理估計后向散射光分布并提升像質(zhì)。水下調(diào)制/解調(diào)成像技術將相干成像探測應用于增強水下作用距離，調(diào)制后的照明光波經(jīng)目標反射和介質(zhì)散射后，能夠通過子載波相干探測技術分離，后通過濾波濾除背景散射光，提高目標信噪比。2007年完成測試的NAVAIR系統(tǒng)證明，利用該技術能夠去除后向散射光，提高成像對比度。水下光學聲學混合成像技術利用聲學成像距離遠和光學成像分辨率高的優(yōu)點，綜合雙頻率識別聲納和立體相機獲取場景的立體信息并提升低能能見度下的重構(gòu)效果。該技術可用于魚群種類識別、水下人造結(jié)構(gòu)的近距離檢查等領域。目前較為成熟的水下成像技術還包括水下偏振成像技術，相比其他方式，水下偏振系統(tǒng)具有體積小、操作簡單、成本低的特點，是一種發(fā)展?jié)摿薮蟮乃绿綔y技術。參考文獻[1]GabrielL.Laphotographieintegrale[J].Comptes-Rendus,AcademiedesSciences,1908,146:446-551.[2]張力中.集成成像立體顯示技術的研究[D].吉林大學，2019.[3]IvesHE.OpticalpropertiesofaLippmannlenticulatedsheet[C].JOSA,1931,2l(3):171一176.[4]C.B.Burckhardt.Optimumparametersandresolutionlimitationofintegralphotography[J].JournaloftheOpticalSocietyofAmerica.1968,58(1):71-76.[5]T.Okoshi,A.Yano,andY.Fukumori,Curvedtriple-mirrorscreenforprojection-typethree-dimensionaldisplay[J].AppliedOptics.1971，10:482-489[6]OkanoF.,HoshinoH.,AraiJ.,etal.Real-timepickupmethodfog'athree-dimensionalimagebasedonintegralphotography[J].AppliedOptics,1997,36(7):1598-1603.[7]AraiJ,OkanoF,HoshinoH,etal.Gradient-indexlens-arraymethodbasedonreal-timeintegralphotographyforthree-dimensionalimages[J].AppliedOptics,1998,37(11):2034-2045.[8]CartwrightP.Realisationofcomputergeneratedintegralthreedimensionalimages[D].DeMontfortUniversity,2000.[9]HongSH,JangJS,JavidiB.Three-dimensionalvolumetricobjectreconstructionusingcomputationalintegralimaging[J].OpticsExpress,2004,12(3):483-491.[10]YooH，ShinDH.Signalmodelandgranular-noiseanalysisofcomputationalimagereconstructionforcurvedintegralimagingsystems[J].AppliedOptics,2009,48(5):827-0[I1」Wang,Jingang,Xiao,Xiao,Hua,Hong,等.AugmentedReality3DDisplaysWithMicroIntegralImaging[J].journalofdisplaytechnology,2017,11(11):889-893.[12]JangJS,JavidiB.Improvedviewingresolutionofthree-dimensionalintegralimagingbyuseofnon-stationarymicro-optics[J].Opticsletters,2002,27(5):324-326.[13]ParkJH,KimHR,KimY,etal.Depth-enhancedthree-dimensional-two-dimensionalconvertibledisplaybasedonmodifiedintegralimaging[J].Opticsletters,2004,29(23):2734-2736.[14]LeeB,JungS,ParkJH.Viewing-angle-enhancedintegralimagingbylensswitching[J].Opticsletters,2002,27(10):818-820.[15]ChoiH,ChoSW,KimJ,etal.Athin3D-2Dconvertibleintegralimagingsystemusingapinholea