一种浑浊介质中的三维目标透射成像方法

本发明涉及光学成像，尤其涉及一种浑浊介质中的三维目标透射成像方法。

背景技术：

1、目前浑浊介质中目标透射成像的实现方式主要包括以下几种：

2、光声成像：通过测量浑浊介质在光照射下产生的声波信号，借助声波与光波之间的相互作用，实现对介质内部结构的成像。这种方法可以有效降低散射效应的影响。

3、时间选通成像技术：通过控制光源的照射时间和图像采集时间，实现对场景中特定物体的清晰成像。这种方法可以有效抑制前向散射现象，提高图像质量。

4、偏振成像：利用偏振光在浑浊介质中的传播特性，通过对不同偏振状态的光进行组合和处理，实现对介质内部结构的成像。这种方法可以抑制非散射噪声，提高成像质量。

5、然而，声光成像存在以下缺点：（1）分辨率限制：声光成像的分辨率受到声波传播速度和光波传播速度的限制，导致其成像分辨率相对较低。（2）成像速度限制：声光成像的速度受到声波和光波的传播速度限制，成像速度较慢。（3）设备体积和重量：声光成像设备相对较大，体积较大，重量较重，不便于携带和移动。（4）成本较高：声光成像设备成本相对较高，维护和操作也较为复杂。

6、时间选通成像存在以下缺点：（1）系统复杂性：实现高精度的时间选通成像技术需要较为复杂的系统和设备，包括光源、光探测器、数据处理等部分。（2）动态范围限制：由于时间选通成像技术原理的限制，其动态范围有限，难以同时捕捉高反差场景的细节。（3）成像速度受限：时间选通成像技术的成像速度受到选通时间和数据处理能力的制约，难以实现高速成像。（4）对光源和探测器的性能要求较高：为了获得清晰的成像效果，需要高强度、高稳定性的光源和具有高灵敏度的探测器，导致设备复杂且成本较高。

7、偏振成像存在以下缺点：（1）灵敏度降低：在低光环境下，偏振成像的灵敏度会降低，影响成像质量。（2）角度依赖性：偏振成像对入射光的入射角度敏感，不同角度下的成像效果会有差异，需要在实际应用中进行角度校正。（3）抗干扰能力差：偏振成像技术对环境光的干扰较为敏感，容易受到外部光源的影响。（4）系统复杂性：实现偏振成像需要使用偏振滤波器、检偏器等设备，增加了系统的复杂性和成本。

8、在弱散射、弱噪音环境下，传统水下图像增强技术可以通过抑制图像噪音、增强边缘细节、改善色彩失真等手段改善图像视觉特征。在强散射、强噪音、动态环境下（可以理解为黄河这类情况下），图像本身缺乏足够的成像信息，而图像增强算法本质上是一个熵增算法，信息不会增加只会减少，不会平白无故地获得额外的信息。为了解决这个问题，通常会使用声呐、照明光、偏振光等手段，提供额外信息辅助成像，结合相关算法减少散射和噪音的影响，提高图像的质量和准确性。然而，通过此类途径通常伴随高复杂度、高成本的系统结构，高性能、高成本的光电元件等。

9、因此，如何在不增加系统成本的前提下，为三维目标成像提供有效的额外信息，辅助算法抑制散射和噪声信号、增强探测对象信号和成像目标信号是解决浑浊介质中的三维目标透射成像的关键问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种浑浊介质中的三维目标透射成像方法，用以解决现有技术中如何在不增系统成本的前提下，为三维目标成像提供有效的额外信息，辅助算法抑制散射和噪声信号、增强探测对象信号和成像目标信号是解决浑浊介质中的三维目标透射成像的关键问题，实现实现对成像图像的增强的优化，提高目标检测和成像的效果，系统成本低。

2、本发明提供一种浑浊介质中的三维目标透射成像方法，所述方法包括：

3、建立成像目标的理论模型；

4、根据所述成像目标的理论模型进行模拟成像，得到所述成像目标的模拟成像图像；

5、获取浑浊介质中的所述成像目标的原始成像图像；

6、根据所述模拟成像图像，抑制所述原始成像图像中的干扰信号，增强所述原始成像图像中的成像目标信号，得到增强后的成像图像。

7、根据本发明提供的一种浑浊介质中的三维目标透射成像方法，所述根据所述模拟成像图像，抑制所述原始成像图像中的干扰信号，增强所述原始成像图像中的成像目标信号，得到增强后的成像图像，包括：

8、根据所述模拟成像图像，确定所述成像目标的光强分布；

9、分离与所述光强分布线性相关成分和线性无关成分，增强所述线性相关成分，抑制所述线性无关成分，得到增强后的成像图像。

10、根据本发明提供的一种浑浊介质中的三维目标透射成像方法，所述分离与所述光强分布线性相关成分和线性无关成分，增强所述线性相关成分，抑制所述线性无关成分，得到增强后的成像图像，包括：

11、将所述原始成像图像分解为不同频带下的分量；

12、计算所述模拟成像图像与所述不同频带下的各个分量之间的相似度；

13、根据所述相似度，调整所述原始成像图像中所述不同频带下的各个分量的比例，生成增强后的成像图像。

14、根据本发明提供的一种浑浊介质中的三维目标透射成像方法，所述计算所述模拟成像图像与所述不同频带下的各个分量之间的相似度，包括：

15、基于图像的亮度、对比度和结构信息，计算所述模拟成像图像与所述不同频带下的各个分量之间的相似度。

16、根据本发明提供的一种浑浊介质中的三维目标透射成像方法，所述基于图像的亮度、对比度和结构信息，计算所述模拟成像图像与所述不同频带下的各个分量之间的相似度，包括：

17、根据所述模拟成像图像和任一分量的亮度测量值，构建亮度对比函数；

18、根据所述模拟成像图像和任一分量的对比度测量值，构建对比度对比函数；

19、根据所述模拟成像图像和任一分量的亮度测量值、对比度测量值，构建结构对比函数；

20、根据所述亮度对比函数、所述对比度对比函数和所述结构对比函数，构建用于计算相似度的结构相似性函数。

21、根据本发明提供的一种浑浊介质中的三维目标透射成像方法，所述结构相似性函数为：

22、；

23、其中， l(x,y)为亮度对比函数， c(x,y)为对比度对比函数， s(x,y)为结构对比函数， α为亮度对比函数的重要性系数， β为对比度对比函数的重要性系数， γ为结构对比函数的重要性系数。

24、根据本发明提供的一种浑浊介质中的三维目标透射成像方法，所述增强后的成像图像为：

25、；

26、其中， i new为增强后的成像图像， i n为原始成像图像不同频带下的分量， ssim n为不同频带下的分量与模拟成像图像之间的相似度。

27、根据本发明提供的一种浑浊介质中的三维目标透射成像方法，在所述得到增强后的成像图像之后，还包括：

28、检测所述增强后的成像图像的标志点中心；

29、根据所述标志点中心在图像中的位置信息，重新计算相机像位姿，重新预测模拟成像图像。

30、根据本发明提供的一种浑浊介质中的三维目标透射成像方法，所述建立成像目标的理论模型，包括：

31、获取成像目标在多视角下的图像，对所述图像进行预处理；

32、利用计算机视觉技术，从预处理后的成像目标在多视角下的图像中，重建所述成像目标的三维模型；

33、对所述三维模型进行优化；

34、基于优化后的三维模型，建立所述成像目标的理论模型；

35、将所述理论模型与实际检测数据进行对比，评估所述理论模型的性能，并根据评估结果对所述理论模型进行优化，得到优化后的所述成像目标的理论模型。

36、根据本发明提供的一种浑浊介质中的三维目标透射成像方法，所述根据所述成像目标的理论模型进行模拟成像，得到所述成像目标的模拟成像图像，包括：

37、确定相机位置和角度，确定相机的视角；

38、根据所述相机的视角，对场景中的光线进行追踪，并模拟光线在成像目标表面上的反射和传播过程；

39、对图像进行后处理，输出所述成像目标的模拟成像图像。

40、本发明提供的一种浑浊介质中的三维目标透射成像方法，通过利用成像目标的三维理论模型，抑制浑浊介质中的成像目标的原始成像图像中的干扰信号，增强该原始成像图像中的成像目标信号，使得成像目标信号更加明显和可辨识，可以实现对成像图像的增强优化，提高目标检测和浑浊介质中的三维目标透射成像的成像效果；适用于各种成像技术，不受分辨率、成像速度等限制，不会增加额外的硬件复杂性，系统成本低，通用性好。