OPENCV局部直方图均衡化在水下图像中的应用研究(4)

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上式中，a 是体积吸收系数，b 是体积散射系数。即使是清澈透明的海水，60%的衰减也是因为散射引起的，40%的衰减才是由吸收引起的[8]。由此可知，水中光的散射衰减一般大于吸收衰减。习惯上也常用衰减长度表示水质对光的衰减特性，它表示光量衰减到原来的所传输的距离，即衰减长度。文献综述

对于近似理想状况的水体，比如在海洋深处，可以认为这种情况下只有吸收而无散射，那么物体可视距离仅与照明光源的强度有关，当成像物体信息能量低于探测器可探测的能量阀值时达到最大探测距离，通过增加光照功率即可增加可视距离。对于混浊水体，比如河水、湖水、海湾水、含有微生物的表面水以及含有沉积物的底部水，光源和探测器与物体之间水体的散射使光子成雾状散开，从而造成物体和背景对比度的下降，在这种情况下，可视距离受到后向散射和对比度的限制。此时如果探测器处于饱和状态，增加光源功率并不能增加可视距离，大多数情况下反而使可视距离下降。

图2.1 水下灰度图像

2.1.1 水对光的吸收特性

水对光的吸收即进入水中的光的能量转化为其他形式的能量，水对光的吸收因光谱区域的不同而不同，具有十分明显的选择性。由于水分子在红外光和紫外光的谱带上的强烈共振，造成了水对光谱中的紫外光和红外光部分吸收最为强烈，而在可见光谱区段，红色、黄色和淡绿色依次为吸收最大的区域。在纯净水和清澈的海水中，蓝-绿光谱区域透射比最大，其中坡长为462-475nm的蓝光衰减度最低[5]，但即使在这个区域，水的吸收也能使光的强度每米衰减至少百分之四，而其他颜色的光谱被吸收得更多，在几米之外几乎就完全消失了。

由于水对光的选择性吸收，拍摄图像的颜色随着深度的改变发生一定的变化。在水深1~2米时，目标对象的颜色基本能被正确的反映出来，颜色差异并不明显。而一旦超过2米，图像的颜色就开始变暗，产生了较明显的色差。进而在水深9米处，红色开始消失。再而在水深20米处，红色转变成黑色，橙黄色则消失了。在水深30米及以下，图像则都变为蓝色或者蓝绿色了。

因此，可见拍摄深度对图像颜色有着显著影响。水对光的吸收导致了部分光能量的散失，同时在超过30米的水下环境中，彩色照相和摄像变得十分困难，只有在距离目标1至2米的地方进行拍摄，并附带人工光源的情况下，才能避免色彩的丢失，所以对水下中远距离目标成像的情况，系统通常采用黑白成像的方式[4]。海水体积衰减系数与光波波长的关系如图2.2所示。

图2.2海水体积衰减系数随波长的变化

2.1.2 水对光的散射特性

如果水下环境仅存在对光的吸收，那么通过增大人工光源强度即可提高成像质量，然而由于水对光的散射作用的存在，光照越强，散射更甚，由此使水下成像更困难。来.自/751论|文-网www.751com.cn/

海水的成分较为复杂，不确定性也很多，大小、形状不一的各类颗粒，导致海水的折射率和浓度不均匀，目前针对海水的严格散射理论还不存在。根据定义，水对光的散射是指光在水中传播时，受到介质微粒的作用，偏离原来延直线传播的方向。在纯水中比入射光波小很多的无吸收粒子的散射遵从瑞利定律。而当散射粒子的大小接近于入射光的波长时，会产生一个比较复杂的共振状态，称为米氏定律。清洁大洋主要是水分子散射，与温度压强有关；浑浊海水主要是微粒散射，与悬浮粒子浓度有关。总而言之，光在水中的散射与微粒的大小相对于光的波长之比有关。