散射环境下光学图像成像系统设计_邓强.pdf

第 44 卷 第 4 期2023 年 4 月 激光杂志LASER JOURNALVol.44,No.4April,2023http /收稿日期:2022-07-27基金项目:教育部产学研协同育人项目(No.202102146011)作者简介:邓强(1976-),男,讲师,主要研究方向为图像处理以及信息系统安全。散射环境下光学图像成像系统设计邓 强,宣继涛绵阳城市学院网络与信息服务中心,四川 绵阳 621000摘 要:获取高质量散射环境光学图像成像,为散射环境下的精准监测及勘探提供保障,设计散射环境下的光学图像成像系统。依据指令获得散射环境下目标物体初始光学图像,通过内部2 组 FPGA 开发板实现初始光学图像的基础处理,并结合增强处理算法完成基础处理后光学图像的增强处理,通过终端设备完成散射环境下高质量光学图像成像的最终呈现。结果表明,该系统所得水下散射环境中各目标物体的最终光学图像成像效果清晰,整体质量较高,可有效抑制噪声干扰,整体亮度自然,具有十分丰富且清晰的细节内容,对比度为25.46,信噪比 13.45 db,信噪比与对比度均较高,可有效保障散射环境下实时监控的精准性。关键词:散射环境;光学图像;成像系统;光学图像采集;FPGA 开发板;增强处理算法中图分类号:TN202 文献标识码:A doi:10.14016/ki.jgzz.2023.04.190Design of optical image imaging system under scattering environmentDENG Qiang,XUAN JitaoNetwork and Information Service Center of Mianyang City College,Mianyang Sichuan 621000,ChinaAbstract:Obtain high-quality optical image imaging of scattering environment,provide guarantee for accurate monitoring and exploration in scattering environment,and design optical image imaging system in scattering environ-ment.The initial optical image of the target object in the scattering environment is obtained according to the instruc-tions.The basic processing of the initial optical image is realized through two groups of internal FPGA development boards,and the enhancement processing of the optical image after the basic processing is completed in combination with the enhancement processing algorithm.The final presentation of high-quality optical image imaging in the scatter-ing environment is completed through the terminal equipment.The results show that the final optical image of each tar-get object in the underwater scattering environment obtained by the system has clear imaging effect,high overall quali-ty,can effectively suppress noise interference,natural overall brightness,and has very rich and clear details.The contrast is 25.46,the signal-to-noise ratio is 13.45db,and both the signal-to-noise ratio and the contrast are high,which can effectively ensure the accuracy of real-time monitoring in the scattering environment.Key words:scattering environment;optical image;imaging system;optical image acquisition;FPGA develop-ment board;enhanced processing algorithm1 引言散射环境中的散射光特点为背光面与迎光面之间可柔和过渡、光线较软且不存在显著投影,其大多是由具有较大发光面积的光源所发射,故而对于散射环境下的物体而言,因受到散射光的影响,导致物体的轮廓及形态等较为模糊,物体的成像效果过于柔和,清晰度不高1。水下环境属于一种具有代表性的散射环境,对于水下监测、资源探测与开发等领域而言,清晰高质量的水下环境物体成像是其中的关键一环2-3。水下环境物体成像要求具备更高的成像质量,而水下环境因存在散射光影响,导致成像质量有所降低4,因此,为获得清晰高质量的水下环境物体成像,需采取科学合理的针对散射环境下的光学图像成像系统,保障水下环境物体成像的最终质量,为有效监测与开发水下资源提供科学依据5-6。以往的光学成像方式普遍适用于常规环境中,对于散射环境下的成像质量无法有效保障。乔要宾http /等7提出的时域光信息近红外光学成像方法,主要是通过结合时域辐射传输方程,利用广义 Guess-Markov随机场模型,构建了正则化项,克服了反问题的病态特性。将步长加速法与序列二次规划算法相结合来求解反问题,实现对弥散介质中脉冲激光传送的仿真,并运用相关光学成像算法,实现介质中散射与吸收两种系数分配的重构,完成光学成像,但该方法主要通过重建的方式实现光学成像,所得成像细节清晰度稍差,且亮度不够均匀,不适用于散射环境下光学图像成像中;孙志伟等8研究的大景深空间目标成像光学系统主要是通过波前编码的方式,对拍摄中的景深予以扩展,并结合相关算法复原目标光学图像,此系统重点针对景深高的场景实现清晰成像,其利用FOPD 算法,对中间图像实现了较好的复原效果。而该方法对于因拍摄间距变化较大导致景深不同的散射环境而言,此系统的成像质量具有较大波动。高美静等9提出基于 FPGA 的红外成像系统及图像处理算法,采用 FPGA 作为红外图像处理系统核心处理器,搭建集图像采集、视频解码、数据缓存及显示等功能的红外图像成像系统,可以有效地改善红外成像质量并保持红外图像的处理速度,提升了红外成像系统的性能。但该方法无法在散射环境下提升图像质量。郭帅等人10提出基于 FPGA 的成像光谱仪多通道实时光谱识别设计,据 SAM 算法实时计算输入光谱与各通道参考光谱之间的光谱角,通过对各通道输出的光谱角进行比较进而实现光谱的实时识别。但无法消除散射光导致的图像内细节模糊等问题。徐项项等人11提出基于 FPGA 的自适应光学系统 SPGD 算法,采用 TimeGen 软件对 SPGD 算法进行时序分析,并采用 Vivado 软件分别对 SPGD 算法随机扰动电压生成、性能指标计算和控制电压的计算与输出进行FPGA 配置和编程。能够为下一步基于 FPGA 的SPGD 算法硬件实现和应用提供基础。但信噪比与对比度均较差。基于以上分析,结合 FPGA 芯片与小波变换图像增强算法设计一种散射环境下光学图像成像系统,实现散射环境下目标物体光学图像的高质量成像,为散射环境下监测及勘探等领域提供帮助。2 光学图像成像系统设计2.1 散射环境下光学图像成像系统整体架构设计通常散射环境下光学成像的探测间距在十米到几十米之间,如此便对散射环境下光学图像成像系统的成像质量具备更高的要求。一般而言影响散射环境下光学图像成像质量的关键元素有环境质量、目标物体入射角度以及成像间距等12-13。其中,相对而言影响程度较小的为散射环境质量与物体入射角度,影响程度较高的为成像间距,而影响成像间距的关键元素为后向散射,如果成像过程中后向散射降低,那么成像间距影响成像系统的程度也会随之降低14。通常散射环境下具备前向与后向两种散射,其中,对背景散射光能量起到提升作用的为前向散射,它能够降低成像系统的对比度与信噪比,以此将成像间距缩短,但是目标物体在前向散射下的反射光未出现显著衰减现象;而后向散射是入射光未照射物体而向探测器直接入射,可降低物体的反射光能量,并将背景噪声提升,降低光学图像的对比度15。综合以上得知,前向与后向散射均对散射环境下成像系统的成像质量具有较高的影响,为此,需将二者的影响因素考虑在内,设计散射环境下光学图像成像系统,降低光学图像成像中因散射导致的噪声高、对比度低及信噪比低等情况,获得更高质量的散射环境下光学图像成像。依据以上分析所设计的散射环境下光学图像成像系统,主要包括上位机、光学图像采集模块、光学图像处理模块、通讯模块及显示模块等部分,系统整体架构如图 1 所示。图 1 散射环境下光学图像成像系统整体架构图其中,光学图像采集模块与处理模块两部分属于该成像系统的核心部分,二者的主要任务是获取散射环境下的实时光学图像,并针对光学图像中因散射导致的噪声、对比度低及模糊不清晰等实施处理,得到高质量光学图像。在该成像系统的整体运行过程中,先通过上位机发送图像采集指令至光学图像采集模块,由该模块内的光学成像单元依据所接收指令采集散射环境下的光学图像,并经由 LVDS 接口向光学图像处理模块传输;然后上位机将相关控制指令传送至光学图像处理模块,光学图像处理模块接收到控制指令后对光学图像采集模块传输的散射环境光学图像予以接收,并对此类光学图像实施基础处理与增强处理;处理后的高质量散射环境光学图像经由通讯模块将传输至显示模块,由显示模块内的终端设备呈现最终191邓强,等:散射环境下光学图像成像系统设计http /的散射环境光学图像,实现散射环境下的光学图像成像目的。2.2 光学图像成像系统中光学图像采集模块设计光学图像采集模块主要由光学成像单元与 LVDS接口组成,其主要功能是实时采集散射环境中光学图像,并将所采集光学图像传输至光学图像处理模块。该模块的核心部分为光学成像单元,该单元的主要构成部分有成像探测器 CCD、偏振元件组、分光孔径组与分光棱镜等。光学图像采集模块的光学成像单元硬件结构见图 2。该模块中光学成像单元整体结构的划分主要通过分光棱镜实现,该棱镜属于无偏振棱镜,划分后获得两通道与四通道的分孔径单元。其中,所获得的两通道包含两个偏心子单元,在各个偏心子单元前方各放置一个玻璃平板与一个圆偏振片,可令各个偏心子单元的光学结构达到统一,同时令共孔径组的光轴周围对称布设分孔径子单元,达到分孔径子单元的偏心量统一,令两通道的分孔径子单元实现在探测器上成像,达到采集散射环境下光强度光学图像与圆偏振光学图像的目的;而四通道包含四个偏心子单元,在各个偏心子单元前方各放置一个线偏振片,实现在探测器上合成各通道分孔径子单元的成像,达到采集散射环境下 0135偏振方向的光学图像采集任务。图 2 光学图像采集模块的光学成像单元硬件结构2.3 光学图像成像系统中光学图像处理模块设计光学图像处理模块主要针对光学图像采集模块所采集的散射环境下光学图像实施基础处理与增强处理,将散射导致的光学图像各类不清晰元素消除掉,获取高质量散射