基于光学成像模型的水下图像超分辨率重构

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２０１７年第４期
文章编号：１００６－２４７５（２０１７）０４－０００７－０７
计算机与现代化ＪＩＳＵＡＮＪＩＹＵＸＩＡＮＤＡＩＨＵＡ
总第２６０期
基于光学成像模型的水下图像超分辨率重构
进行凸集投影超分辨率重构，得到高分辨率图像；最后利用透射图对高分辨率图像进行光线衰减补偿，亮度降低和模糊，得到最终的恢复图像。对本文算法进行仿真，并与经典的超分辨率重构算法
比较．验证了本文算法对恢复图像质量的提高作用。
关键词：水下图像；超分辨率重构；光学成像模型；暗通道原理
中图分类号：ＴＰ３９１．４文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６ — ２４７５．２０１７．４．０００２
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｏｗｍｏｓｔｓｕｐｅｒ — ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｓａｒｅａｐｐｌｉｅｄｔｏａｔｍｏｓｐｈｅｉｒｃｐｉｃｔｕｒｅｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ．Ｔａｋｉｎｇｔｈｅｃｏｎ— ｒｐｌｅｘｉｔｙｏｆｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｏｐｔｉｃｌａｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｉｎｔｏｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ，ｉｔｉｓｈａｒｄｔｏｐｅｒｆｏｒｍｄｉｒｅｃｔｐｒｏｃｅｓｓｅｓｔｏｗａｒｄｓｓｃａｔｔｅｉｒｎｇａｎｄａｔｔｅｎｕａ — ｔｉｏｎｃａｕｓｅｄｂｙｗａｔｅｒｓｉｍｐｌｙｂｙｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇｔｈｏｓｅｓｕｐｅｒ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｒｅｃｏｎｓｔｕｃｒｔｉｏｎａｌｇｏｉｒｔｈｍｓｔｏｕｎｄｅｗａｒｔｅｒｉｍａｇｅｓ．Ｉｎｓｕｃｈｃｏｎｄｉ — ｔｉｏｎ，ａｎｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｉｍａｇｅｓｕｐｅｒ — ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｒｅｃｏｎｓｔｕｃｒｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｂａｓｅｄｏｎｏｐｔｉｃｌａｉｍａｇｉｎｇｍｏｄｅｌｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｂｙｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇｄｉｆ－ｆｅｒｅｎｔｉｍａｇｉｎｇｍｏｄｅｌｓ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｓｅｖｅｒｅｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｉｎｉｍａｇｅｑｕｌｉａｔｙｃａｕｓｅｄｂｙｌｉｇｈｔｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｉｎｗａｔｅｒ，ｄａｒｋｃｈａｎｎｅｌ
３．ＪｉｎｇａｓｕＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＣｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒｏｆＷｏｒｌｄＷａｔｅｒＶａｌｌｅｙｎｄａＷａｔｅｒＥｃｏｌｏｇｉｃｌａＣｉｖｉｌｉｚａｔｉｏｎ，Ｎｎｊａｉｎｇ２１１１００，Ｃｈｉａ）ｎ
２．ＪｉａｎｇｓｕＫｅｙ￣ｒａｔｏｒｙｏｆＰｏｗｅｒＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｎｄＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＨｏｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ２１３０２２，Ｃｈｉｎａ；
ＬＩＭｉｎ一，ＺＨＡＮＧＸｕｅ．ＷＵ，。
，
（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｔｅｒｎｅｔｏｆＴｈｉｎｇｓＥｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，ＨｏｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ２１３０２２，Ｃｈｉｎａ；
张颢，范新南，李敏。，张学武。
（１．河海大学物联网工程学院，江苏常州２１３０２２；２．河海大学江苏省输配电装备技术重点实验室，江苏常州２１３０２２；
３．江苏省“ 世界水谷 ” 与水生态文明协同创新中心，江苏南京２１１１００）摘要：目前大多数超分辨率重构算法都是针对空域图像进行恢复。考虑到水下光学条件复杂，直接把现有超分辨率重构算法移植到水下，无法对光线在水中传播产生的散射和衰减进行有针对性的处理。基于此，本文结合不同成像模型，提出一种基于光学成像模型的水下图像超分辨率重构算法。首先，考虑到水中光线散射对图像降质严重，根据水下光学成像模型，利用暗通道原理估算观测数据中的散射光和光线透射图，作为噪声估计的结果；然后对去除散射光的观测数据
ＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＩｍａｇｅＳｕｐｅｒ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎＲｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＢａｓｅｄｏｎＯｐｔｉｃａｌＩｍａｇｉｎｇＭｏｄｅｌ
ＺＨＡＮＧＨａｏ，ＦＡＮＸｉｎ．ｎａｎ，。

基于光场控制的超分辨成像技术

基于光场控制的超分辨成像技术现代科学技术的不断进步给人类生活带来了很多便利，其中最快速发展的领域之一便是光学成像技术。

光学成像技术在日常生活和科学研究中的应用十分广泛，例如数字相机、显微镜、天文望远镜等等。

但是，在光学成像技术的发展过程中，受限于衍射极限等因素，无论是数字相机还是显微镜，以及天文望远镜等光学成像设备的分辨率都是有限的，而且无法在当前基于传统光学系统的限制内进一步提高分辨率。

为了突破这个困境，光学科学家们在新的光学系统中引入了光场调制技术，通过光场的调制来管理光线和它们的传播行为，最终实现高精度、高分辨率的图像成像效果。

基于光场调制技术的超分辨成像技术，解决了传统光学成像技术无法解决的一些难题，成为当今最具前景的新型光学成像技术之一。

什么是光场调制技术？光场调制技术是将光场按一定的方式进行调节，通过改变光线传播途径、光线相位及振幅等相关参数，从而实现对图像的调节和重构。

根据不同的光场调制方式，可以将光学成像分为超分辨率成像、光学相干成像、局部化成像等多种不同的成像模式，其中超分辨率成像由于其更适应人们对于高质量、高精度图像的需求，因而成为当下科技领域的热点。

基于光场调制的超分辨成像技术现代光学成像技术中，基于光场调制的超分辨成像技术提供了未来实现高分辨、高质量图像的无限发展空间。

超分辨成像技术是将光场调制应用到成像中，通过控制光线的传输与相位，将被成像对象表面的细节信息传输到相机器时，实现高分辨、高质量的图像成像。

光场调制技术与超分辨成像技术的结合，可以将一张只有数百万像素的图像，转化成千亿像素级别的高清图像。

一般来说，光学成像的分辨率是受限于光学衍射极限和光学系统设计限制的，而超分辨成像，则因为光场的调制，使得传统光学系统的限制得到了一些突破，进一步实现了光学成像的超分辨率。

超分辨成像技术的应用超分辨成像技术已经在很多领域得到了广泛应用，例如显微成像、医学、半导体封装、纳米物理和天文学等领域。

光学中的超分辨成像技术

光学中的超分辨成像技术超分辨成像技术是目前光学领域的一个热门话题。

光学成像是一种通过光学系统来获取目标物体信息的技术，而超分辨成像技术则是要在前者的基础上，提高成像质量，实现更加细节化的成像结果。

本文将结合理论和实践，对光学中的超分辨成像技术进行深入探讨。

一、超分辨成像技术的理论基础超分辨成像技术的核心在于一种叫做衍射极限的理论。

这个理论认为，在成像中，一个物体在图像中的最小分辨率受到了光波传播的限制，这个极限被称为衍射极限。

达到这个极限，我们才会得到正真意义上的清晰可见的图像。

而在衍射极限外的物体，则会被模糊掉，无法分辨。

为了突破这个限制，科学家们想到了各种办法。

其中主要的两种方法分别是超分辨率显微镜和衍射限制解析成像技术。

二、超分辨率显微镜超分辨率显微镜的发展是在1950年代初期，由Ernst Abbe首先提出的折射率为1.5-1.6的物质是作为透镜的极限。

这一发现将光学成像的空间分辨率极限确定为半波长大小（0.2μm的蛋白质、20-30nm的细胞分子等）。

在此之前的研究中，传统光学显微镜是无法观察到这样小的物体的。

所以人们想到了一些更微小的物体来作为显微镜，例如透射电镜，扫描电子显微镜等。

但是这些显微镜对进行成像的样品要求比较高，而透射电镜还会对样品造成伤害。

因此，人们开始研究超分辨率显微镜。

其中最早的一种是激光荧光显微镜（STED）。

激光荧光显微镜通过对样品进行扫描，然后让样品中的某一部分发光，并快速扫描激光束，从而得到图像。

但是传统荧光信号上的光子数量受到依赖荧光剂分子数目、照射光强度、模糊滤波器和探测器响应等多种因素的影响而受到限制。

为此，科学家通过选择特定波长的激光光束，并在中心光束周围加上一个形状特定的控制激励光束，进一步减小了荧光信号的尺寸。

STED显微镜与传统荧光显微镜相比，具有更高的空间分辨率和更高的信噪比，这意味着它可以获得更清晰的图像，并且可以获得对光学分辨率的一种比较好的突破。

基于点扩散函数模型的激光水下图像重建

基于点扩散函数模型的激光水下图像重建-建筑论文基于点扩散函数模型的激光水下图像重建谌雨章杨悦谭海燕(湖北大学计算机与信息工程学院，湖北武汉430062)【摘要】在激光照明条件下，如何提高水下图像的能见度问题一直是大家研究的热点。

去噪和复原有助于提高成像图像的成像质量，但是，图像的分辨率仍然受到限制。

图像超分辨率重建技术可以超越硬件限制而提高成像图像的分辨率，其中凸集投影法能灵活的结合先验知识，所以得到广泛的应用。

先验知识如点扩散函数的精确程度能够提高重建方法的准确性。

因此，本文将几种经典的点扩散函数模型，包括一个简化了的基于光线传播的点扩散模型，结合到凸集投影重建方法中，运用于一个半导体激光水下成像系统。

根据实验结果，我们能得出结论：基于点扩散函数的超分辨率重建方法，能够有效地提高水下激光成像中图像重建的质量。

关键词半导体激光器；超分辨率重建；点扩散函数；水下成像；凸集投影基金项目：湖北省自然科学基金(2014CFB271)；湖省大学生创业创新训练计划项目（2031、2038）。

作者简介：谌雨章（1984—），男，湖北武汉人，博士，湖北大学计算机与息工程学院，讲师，研究方向为光电探测和图像处理。

杨悦（1992—），女，湖北天门人，湖北大学计算机与信息工程学院学生，研究方向为光电探测和图像处理。

谭海燕（1992—），女，湖北恩施人，湖北大学计算机与信息工程学院学生，研究方向为光电探测和图像处理。

0介绍自1963年水下传输窗口470至580纳米被发现[1]到现今，水下激光成像已得到广泛的应用，如水下目标识别[2]、水下摄像[3]、水下地貌及建筑勘探[4]等。

由于分辨率与人类的视觉密切相关，故而是重要的图像性能评价指标。

就水下成像而言，除了因为传输环境的吸收和散射造成的图像质量下降外，图像传感器的成本也限制了水下图像分辨率的提高。

图像处理技术可以帮助我们超越硬件限制的提高分辨率。

在过去的几年，学者们[5-7]一直在研究图像复原和增强的方法，近来来，基于成像模型的图像复原方法已经被应用于工业农业应用[8]。

水下连续激光成像的图像退化模型

作者简介：鲁
静（１９８１一），女，湖北武汉人，讲师，研究方向为光学信息处理、图像分析、模式识别和智能系统。
水下环境是一个特殊的环境，水中存在大量的介质和悬浮颗粒，这导致水对光的吸收和散射现象严重，
２０１３年８月
湖北第二师范学院学报
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｕｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ
Ａｕｇ．２０１３
第３Ｏ卷第８期
Ｖ０１．３０Ｎｏ．８
水下连续激光成像的图像退化模型
化对水下激光图像进行增强；针对水体后向散射引起
的散斑噪声，有学者提出了一种多方向形态的快速滤波算法。在水下激光图像的复原方面，有学者。。
此外，还有学者＿】将图像超分辨率重建技术应用到水下图像的复原和重建，有效抑制了水下激光图像中的的模糊效应。本文将通过对水下连续激光成像光路图的分析，推导由于前向散射和后向散射而产生的图像退化模型。
前向散射是与光子的传输方向相同的粒子散射，
它包含了复杂的散射过程 ¨ 引，如图２所示。
首次发生散射而偏离光轴的散射又被另外的散射
收稿日期：２０１３— ０６—１５
于调制传递函数模型的图像复原的可行性和有效性。

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水下连续激光成像的图像退化模型

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