一种用于水下图像的光谱重构方法:理论及应用

杨萍; 郭乙陆; 魏贺; 宋丹; 宋宏; 张云菲; 申屠溢醇; 刘洪波; 黄慧; 张显斗; 方美芬

doi:10.3788/IRLA201746.0323001

一种用于水下图像的光谱重构方法:理论及应用

doi: 10.3788/IRLA201746.0323001

1.
杭州电子科技大学数字媒体与艺术设计学院,浙江杭州 310018;
2.
浙江大学海洋学院,浙江舟山 316021;
3.
杭州蓝科光电科技有限公司,浙江杭州 310018

基金项目:

国家自然科学基金（61605038、11304278）;国家高技术研究发展计划（2014AA093400）

详细信息

作者简介:
杨萍(1981-),女,讲师,博士,主要从事多光谱成像、颜色科学等方面的研究。Email:yangping@hdu.edu.cn

通讯作者: 宋丹(1982-),男,讲师,博士,主要从事水下光学、流体动力学等方面的研究。Email:dsong@zju.edu.cn

中图分类号: TN95

Method for spectral restoration of underwater images: theory and application

1.
School of Digital Media &Design,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China;
2.
Ocean College,Zhejiang University,Zhoushan 316021,China;
3.
Blue Science Opto-Electronics Co. Ltd.,Hangzhou 310018,China

摘要: 多光谱成像是一项非常有前景的图像高保真获取与再现技术，近年来在水下物体颜色还原的应用中也受到的极大的需求和关注。然而，不同于空气中的物体的成像过程，在水下成像过程中，当光通过水而进行传播，光被水体严重吸收和散射，导致图像变暗，在其光谱和颜色方面发生模糊和扭曲。文中讨论的是基于水下图像的水衰减系数的校准和其多光谱图像的光谱重构。首先在不同的距离处获取物体的图像，提出了基于不同距离的图像进行水体衰减系数的校准并恢复原始图像的技术；在此基础上，分析并导出满足系数校准和图像复原所需的在不同距离获取到的最少的原始图像个数。最后，通过比较复原的水下图像与空气中获取的彩色图像，实验结果证明：文中提出的技术能够对水下光谱图像的进行精确颜色复原，所有测试图像的平均相对残留误差仅为5.87％。
- 多光谱成像 /
- 水衰减系数校准 /
- 水下图像恢复
Abstract: Underwater multispectral imaging is a promising technique for high-fidelity underwater color reproduction and mapping of kelp, sea grass, corals, etc. However, as light propagates through water, light is severely absorbed and scattered by water, causing image dim, hazy and distorted in its spectrum and color. In this paper, calibration of water attenuation coefficient based on underwater images and restoration of underwater multispectral images are discussed. Multispectral images of an underwater object are captured at different underwater distances. Technique has been proposed to calibrate the water attenuation coefficient based on underwater images of different distances and restore the raw images. Analysis was also conducted to search for the least number of distances for coefficient calibration and restoration. By comparing the restored underwater images with the images captured in air, its found that the technique proposed in this paper provides accurate restoration of underwater spectral images, with a relative residual error of 5.87% in average for all test images.
- multispectral imaging /
- water attenuation coefficient calibration /
- underwater image restoration

[1]	Johnsen G, Volent Z, Dierssen H, et al. 20-Underwater hyperspectral imagery to create biogeochemical maps of seafloor properties[J]. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2010, 83(3):508-535.
[2]	Volent A Z, Johnsen G, Sigernes F. Kelp forest mapping by use of airborne hyperspectral imager[J]. Journal of Applied Remote Sensing, 2007, 1(1):6656-6659.
[3]	Dierssen H M, Zimmerman R C, Drake L A, et al. Benthic ecology from space:optics and net primary production in seagrass and benthic algae across the great bahama bank[J]. Marine Ecology Progress, 2010, 411(6):1-15.
[4]	Gleason A C R, Gracias N, Lirman D, et al. Landscape video mosaic from a mesophotic coral reef[J]. Coral Reefs, 2010, 29(2):253-253.
[5]	Aarrestad S M. Use of underwater hyperspectral imagery for geological characterization of the seabed[D]. Trondheim:NTNU, 2014.
[6]	Sakshaug E, Johnsen G H, Kovacs K M. Ecosystem Barents Sea[M]. Norway:Tapir Academic Pres, 2009.
[7]	Mumby P J, Clark C D, Green E P, et al. Benefits of water column correction and contextual editing for mapping coral reefs[J]. International Journal of Remote Sensing, 1998, 19(1):203-210.
[8]	Holden H, Ledrew E. Effects of the water column on hyperspectral reflectance of submerged coral reef features[J]. Bulletin of Marine Science -Miami-, 2001, 69(2):685-699.
[9]	Raymond C S, Karen S B. Optical properties of the clearest natural waters (200-800 nm)[J]. Applied Optics, 1981, 20(2):177-184.
[10]	Moore C, Barnard A, Fietzek P, et al. Optical tools for ocean monitoring and research[J]. Ocean Science, 2009, 5(5):661-684.
[11]	Gleason A C R, Reid R P, Voss K J. Automated classification of underwater multispectral imagery for coral reef monitoring[C]//OCEANS, IEEE, 2007:1-8.
[12]	Mishra D R, Narumalani S, Rundquist D, et al. Characterizing the vertical diffuse attenuation coefficient for downwelling irradiance in coastal waters:Implications for water penetration by high resolution satellite data[J]. Isprs Journal of Photogrammetry Remote Sensing, 2005, 60(1):48-64.
[13]	Guo Y, Song H, Liu H, et al. Model-based restoration of underwater spectral images captured with narrowband filters[J]. Optics Express, 2016, 24(12):13101.
[14]	Ahlen J. Colour correction of underwater images using spectral data[D]. Uppsala:Acta Universitatis Upsaliensis, 2005.
[15]	Munsell A H. A Color Notation[M]. Baltimore:Munsell Color Company Inc., 1905.

[1]	余凯, 郭琦, 李娜, 成驰, 赵慧洁. 中红外AOTF成像仪光谱校准方法 . 红外与激光工程, 2023, 52(12): 20230291-1-20230291-9. doi: 10.3788/IRLA20230291
[2]	赵雨时, 贺文俊, 刘智颖, 付跃刚. 光谱维编码中红外光谱成像系统的光学设计 . 红外与激光工程, 2021, 50(12): 20210700-1-20210700-9. doi: 10.3788/IRLA20210700
[3]	赵慧洁, 张晓元, 贾国瑞, 邱显斐, 翟亮. 运动补偿下双通道星载高光谱成像仪图像配准 . 红外与激光工程, 2021, 50(3): 20211022-1-20211022-9. doi: 10.3788/IRLA20211022
[4]	张长兴, 刘成玉, 亓洪兴, 张东, 蔡能斌. 热红外高光谱成像仪光谱匹配盲元检测算法 . 红外与激光工程, 2020, 49(1): 0104002-0104002(7). doi: 10.3788/IRLA202049.0104002
[5]	李春来, 吕刚, 袁立银, 王跃明, 金健, 徐艳, 刘成玉, 何志平, 王建宇. 机载热红外高光谱成像仪的光谱性能测试与初步应用 . 红外与激光工程, 2020, 49(5): 20190117-20190117-7. doi: 10.3788/IRLA20190117
[6]	林森, 刘世本, 唐延东. 多输入融合对抗网络的水下图像增强 . 红外与激光工程, 2020, 49(5): 20200015-20200015-9. doi: 10.3788/IRLA20200015
[7]	宋宏, 万启新, 吴超鹏, 申屠溢醇, 王文鑫, 杨萍, 贾文娟, 李红志, 黄慧, 王杭州, 詹舒越. 基于LCTF的水下光谱成像系统研制 . 红外与激光工程, 2020, 49(2): 0203005-0203005. doi: 10.3788/IRLA202049.0203005
[8]	唐绍凡, 鲁之君, 王伟刚, 李欢. 航天高光谱成像仪简述(特邀) . 红外与激光工程, 2019, 48(3): 303003-0303003(9). doi: 10.3788/IRLA201948.0303003
[9]	胡浩丰, 李校博, 刘铁根. 基于偏振成像的水下图像复原技术研究最新进展 . 红外与激光工程, 2019, 48(6): 603006-0603006(13). doi: 10.3788/IRLA201948.0603006
[10]	字崇德, 李昀谦, 祖永祥, 陈林森, 曹汛. 多传感器光谱视频成像系统中的图像对齐研究 . 红外与激光工程, 2019, 48(6): 603019-0603019(8). doi: 10.3788/IRLA201948.0603019
[11]	刘正君, 郭澄, 谭久彬. 基于多距离相位恢复的无透镜计算成像技术 . 红外与激光工程, 2018, 47(10): 1002002-1002002(16). doi: 10.3788/IRLA201847.1002002
[12]	时东锋, 黄见, 苑克娥, 王英俭, 谢晨波, 刘东, 朱文越. 空间编码复用散斑多信息融合关联成像(特邀) . 红外与激光工程, 2018, 47(5): 502001-0502001(8). doi: 10.3788/IRLA201847.0502001
[13]	侯晴宇, 张树青. 单探测器共孔径多光谱成像系统设计 . 红外与激光工程, 2015, 44(5): 1638-1642.
[14]	李波, 赵怀慈, 花海洋. 红外多光谱图像仿真方法研究 . 红外与激光工程, 2014, 43(6): 1972-1976.
[15]	巩盾, 王红. 空间高光谱成像仪的光学设计 . 红外与激光工程, 2014, 43(2): 541-545.
[16]	韩军, 常波, 路邵军, 吴玲玲, 占春连. SVM 的光栅成像光谱仪图像畸变校准方法 . 红外与激光工程, 2014, 43(9): 3099-3104.
[17]	周峰, 郑国宪, 李岩, 姚罡. 双谱段Offner光谱成像仪设计 . 红外与激光工程, 2013, 42(7): 1858-1862.
[18]	孟卫华, 倪国强, 高昆, 向静波, 项建胜. 红外高光谱成像的光谱聚焦 . 红外与激光工程, 2013, 42(3): 774-779.
[19]	李珂, 张康伟, 罗淼. 基于LCTF的大幅面高分辨率多光谱仪光学系统设计 . 红外与激光工程, 2013, 42(3): 675-679.
[20]	姜庆辉, 邱跃洪, 文延, 汪欢, 许维星. AOTF偏振光谱成像数据采集系统设计 . 红外与激光工程, 2012, 41(1): 218-222.

点击查看大图

计量

文章访问数: 541
HTML全文浏览量: 99
PDF下载量: 206
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

留言板

一种用于水下图像的光谱重构方法:理论及应用

doi: 10.3788/IRLA201746.0323001

作者简介:
杨萍(1981-),女,讲师,博士,主要从事多光谱成像、颜色科学等方面的研究。Email:yangping@hdu.edu.cn

通讯作者: 宋丹(1982-),男,讲师,博士,主要从事水下光学、流体动力学等方面的研究。Email:dsong@zju.edu.cn

Method for spectral restoration of underwater images: theory and application

计量

一种用于水下图像的光谱重构方法:理论及应用

doi: 10.3788/IRLA201746.0323001

1. 杭州电子科技大学数字媒体与艺术设计学院,浙江杭州 310018;

2. 浙江大学海洋学院,浙江舟山 316021;

3. 杭州蓝科光电科技有限公司,浙江杭州 310018

作者简介:
杨萍(1981-),女,讲师,博士,主要从事多光谱成像、颜色科学等方面的研究。Email:yangping@hdu.edu.cn

通讯作者: 宋丹(1982-),男,讲师,博士,主要从事水下光学、流体动力学等方面的研究。Email:dsong@zju.edu.cn

English Abstract

Method for spectral restoration of underwater images: theory and application

1. School of Digital Media &Design,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China;

2. Ocean College,Zhejiang University,Zhoushan 316021,China;

3. Blue Science Opto-Electronics Co. Ltd.,Hangzhou 310018,China

全文HTML

目录

留言板

一种用于水下图像的光谱重构方法:理论及应用

doi: 10.3788/IRLA201746.0323001

作者简介: 杨萍(1981-),女,讲师,博士,主要从事多光谱成像、颜色科学等方面的研究。Email:yangping@hdu.edu.cn

通讯作者: 宋丹(1982-),男,讲师,博士,主要从事水下光学、流体动力学等方面的研究。Email:dsong@zju.edu.cn

Method for spectral restoration of underwater images: theory and application

计量

出版历程

一种用于水下图像的光谱重构方法:理论及应用

doi: 10.3788/IRLA201746.0323001

1. 杭州电子科技大学 数字媒体与艺术设计学院,浙江 杭州 310018; 2. 浙江大学 海洋学院,浙江 舟山 316021; 3. 杭州蓝科光电科技有限公司,浙江 杭州 310018

作者简介: 杨萍(1981-),女,讲师,博士,主要从事多光谱成像、颜色科学等方面的研究。Email:yangping@hdu.edu.cn

通讯作者: 宋丹(1982-),男,讲师,博士,主要从事水下光学、流体动力学等方面的研究。Email:dsong@zju.edu.cn

English Abstract

Method for spectral restoration of underwater images: theory and application

1. School of Digital Media &Design,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China; 2. Ocean College,Zhejiang University,Zhoushan 316021,China; 3. Blue Science Opto-Electronics Co. Ltd.,Hangzhou 310018,China

全文HTML

目录

作者简介:
杨萍(1981-),女,讲师,博士,主要从事多光谱成像、颜色科学等方面的研究。Email:yangping@hdu.edu.cn

1. 杭州电子科技大学数字媒体与艺术设计学院,浙江杭州 310018;

2. 浙江大学海洋学院,浙江舟山 316021;

3. 杭州蓝科光电科技有限公司,浙江杭州 310018

作者简介:
杨萍(1981-),女,讲师,博士,主要从事多光谱成像、颜色科学等方面的研究。Email:yangping@hdu.edu.cn

1. School of Digital Media &Design,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China;

2. Ocean College,Zhejiang University,Zhoushan 316021,China;

3. Blue Science Opto-Electronics Co. Ltd.,Hangzhou 310018,China