水下成像机理分析

一般情况下, 水下环境泛指浸入到人工水体 (如水库、人工湖等)或自然水体(如海洋、河流、湖 泊、含水层等)中的区域。在水下环境中所拍摄 的图像由于普遍受到光照、波长、水中悬浮颗粒物 等因素的影响，导致生成的水下图像出现模糊、退 化、偏色等现象，图像的品质相比于在空气介质中所拍摄的普通图像有着明显的下降。 因此，了解水下光学成像模型，并归纳总结影响水下成像的因素，对于各个相关领域的研究都有着重要意义。

1. 水下成像模型

根据 Jaffe-McGlamery 基于线性叠加以及水介质建模理论的综合研究， 一种经典的 Jaffe-McGlamery 水下光学成像模型被提出[16]。该模型的示意图如下1所示， 其中相机接收到的光可由 3 个分量组合表示:

1. 直接分量, 即直接被拍摄物体反射并到达相机的光照分量；
2. 前向散射分量，反射光偏离原来的传播轨迹后，又随机地被相机接收的光照分量；
3. 后向散射分量, 光照在到达目标前被水介质中悬浮颗粒反射后进入相机的分量。

实践表明，水下图像通过上述3个分量进行线性叠加而获得.与空气介质存在本质上的不同。水介质的不均匀性与复杂性会导致光照在其中的传播路径会发生随机的改变，即光照散射：其中前向散射会导致获得的水下图像呈现模糊的现象；而后向散射会导致水下图像呈现低对比度以及雾化的效果，并掩盖水下场景中的很多细节，影响成像质量。

通常情况下，由于物体和摄像机距离较小，前向散射分量造成的影响可以被忽略。那么水下成像模型可因此简化为（包含直接分量和后向散射）：
$$I(x)=J(x)t_c(x)+B_c(1-t_c(x)).$$
给定的公式是用于描述水下图像形成模型的一个表达式，其中包含了几个关键参数，每个参数都有其特定的物理意义：

• $I(x)$：表示观测到的原始图像（或称为退化图像），即在水下环境中实际捕捉到的图像。这个图像包含了由于光在水中传播而产生的各种衰减和散射效应。

• $J(x)$：代表理论上无任何衰减或散射影响的清晰图像。换句话说，这是假设没有水体干扰时理想情况下应该得到的图像。

• $J(x)t_c(x)$：表示直接分量，它是从场景点出发，直接到达相机传感器的光线贡献部分。这里的$t_c(x)$就是所谓的场景透射率，它量化了光线从场景点到达观察者的过程中未被散射或吸收的比例。$t_c(x)$值越接近1，表明该点的光线受水介质的影响越小；越接近0，则表示受到的影响越大。

• $B_c(1-t_c(x))$：表示后向散射分量，指的是来自环境中的其他方向的光线（如环境光）被水体散射进入相机传感器的部分。$B_c$在这里表示水下环境光，也就是存在于水环境中的背景光强度。这部分光并非直接来源于感兴趣的目标，而是通过与水分子或其他悬浮颗粒相互作用后间接到达传感器，因此会对图像质量造成模糊等负面影响。

• $B_c$：水下环境光，指的是在水体中普遍存在的光强度。它可能来自于外部光源（如太阳光）在水中的散射、反射以及自身的发光源等。

• $t_c(x)$：场景透射率，如上所述，它是衡量光线从场景点到达观察者过程中保留了多少初始能量的指标。它取决于水体的光学性质（例如浑浊度）、距离以及波长等因素。

综上所述，该公式描述了水下图像的形成过程，包括直接从目标到观察者的光线传输和由环境光导致的散射效应。通过分析这些参数，可以更好地理解和恢复出原本的清晰图像。

除了散射外，水介质对光照的吸收也是造成 水下图像质量降低的重要因素之一。 水介质对光照的吸收效果与波长呈正相关，并随着水深的增加，吸收效果会更加明显。光在水中的衰减特性如下图所示，显然, 光在水中的衰减程度与波长相关，波长越长，其穿透能力越差，越容易被水吸收。 在水下环境中，红色光由于波长最长而会最先被水吸收，绿色光次之，而蓝色光波长最短，此蓝色光在水介质中也有着较强的传输能力。实验表明, 在清澈的水介质中，红色光在水深 5 m 时即会消失，其次是橙色光、黄色光和绿色光。绿色光在水深 30m处消失, 这也是大部分水下图像呈现蓝色或蓝绿色调的原因。

光照的吸收与散射现象是导致水下光照衰减 的主要原因，前者直接造成光能损失，而后者会导致电磁能方向的改变。根据著名的朗伯-比尔经验定律可知，光照强度的衰减程度取决于光通过介质本身所具有的性质，而在水介质情况下, 光照强度将直接以指数形式进行衰减，这将对水下成像的对比度以及清晰度产生极大影响。实验表明，由于光照衰减的存在，在清澈水介质中的能见度仅有 20 m 左右，而在浑浊的水介质中，能见度仅能达到5m左右。