一种水下微型多模式成像系统的制作方法

本发明属于水下光学成像，具体涉及一种水下微型多模式成像系统。

背景技术：

1、现有水下成像设备通常采用主动照明方式提高目标区域的光照强度，以改善低照度水下环境中的目标可见程度。然而，随着主动照明强度持续增加，水体散射引起的亮度扩散和散射干扰也会同步增强，使新增照明带来的目标结构信息提升逐渐降低，甚至出现继续提高照明强度无法获得有效成像收益的问题。

2、现有技术通常根据图像亮度变化或单次成像质量指标调整主动照明参数，难以准确分析主动照明增强过程中目标有效信息提升与散射干扰增强之间的变化关系，无法判断当前照明强度范围内继续增加主动照明是否仍具有有效成像价值；同时，在当前成像模式进入有效成像收益不足状态后，缺少基于不同成像模式边际有效成像收益进行恢复适配的机制，导致设备难以根据当前目标成像需求选择更适合的成像模式。

3、因此，如何通过主动照明变化过程中的目标响应与散射响应分析，确定照明增强过程中的有效成像收益转折，并在当前模式收益不足时实现多模式成像适配，提高水下目标成像过程中主动照明利用效率，是目前亟需解决的技术问题。

4、为此我们提出一种水下微型多模式成像系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种水下微型多模式成像系统，以解决现有水下成像过程中无法准确判断主动照明增强后的有效成像收益变化，以及当前成像模式进入有效成像收益不足状态后无法根据不同成像模式的边际有效成像收益进行自适应适配的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种水下微型多模式成像系统，包括：

3、主动照明双增量响应构建模块，用于获取当前成像模式下的基准照明强度和基准水下图像，根据照明调节范围确定单次探测增量，连续两次等量增光，根据三个连续照明状态的目标结构响应和散射参照响应确定两次等量增光的目标有效信息增量和散射响应增量；

4、边际有效成像收益转折判定模块，用于根据两次等量增光的目标有效信息增量和散射响应增量确定第一次边际有效成像收益和第二次边际有效成像收益，并根据第二次边际有效成像收益及两次边际有效成像收益的变化判断当前成像模式是否进入有效成像收益不足状态；

5、多模式边际收益恢复适配模块，用于在当前成像模式进入有效成像收益不足状态或者处于双增量探测条件不足状态时确定候选成像模式并执行双增量主动照明探测，根据目标有效信息响应结果和边际有效成像收益状态确定有效候选模式，根据各有效候选模式的第二次边际有效成像收益确定目标成像模式，控制水下微型多模式成像设备切换至目标成像模式。

6、优选的，主动照明双增量响应构建模块中单次探测增量确定的具体过程为：

7、将当前成像模式对应的最大允许照明强度与基准照明强度之间的差值确定为当前剩余照明调节量；

8、当当前剩余照明调节量不小于最小稳定调节幅度的两倍时，将基准照明强度与预设探测比例相乘得到候选探测增量；候选探测增量不小于最小稳定调节幅度时，将候选探测增量确定为初始探测增量，否则将最小稳定调节幅度确定为初始探测增量；

9、当初始探测增量的两倍不超过当前剩余照明调节量时，将初始探测增量确定为单次探测增量；否则将当前剩余照明调节量平均分配至两次增光过程，并将每次对应的照明增量确定为单次探测增量；

10、当当前剩余照明调节量小于最小稳定调节幅度的两倍时，确定当前成像模式处于双增量探测条件不足状态。

11、优选的，主动照明双增量响应构建模块中双增量探测的具体过程为：

12、在双增量探测过程中保持当前成像模式、曝光时间、增益和焦点状态不变；

13、在基准照明强度基础上增加一个单次探测增量，得到第一探测照明强度并获取第一探测水下图像；在第一探测照明强度基础上继续增加一个相同的单次探测增量，得到第二探测照明强度并获取第二探测水下图像，使基准照明强度、第一探测照明强度和第二探测照明强度形成三个连续照明状态，且相邻两个照明状态之间采用相同的单次探测增量。

14、优选的，主动照明双增量响应构建模块中目标有效信息增量和散射响应增量确定的具体过程为：

15、根据基准水下图像中的目标参考位置确定目标区域，并在目标区域邻近位置确定散射参照区域；建立基准水下图像与第一探测水下图像、第二探测水下图像之间的空间变换关系，形成三幅水下图像中相互对应的目标区域和散射参照区域；

16、根据局部结构对比响应、边缘响应、局部结构对比尺度基准和边缘响应尺度基准确定目标结构响应；根据非结构性亮度扩散响应、亮度扩散尺度基准、空间波动尺度基准和有效空间波动量确定散射参照响应；

17、将相邻照明状态的目标结构响应作差得到两次等量增光对应的目标有效信息增量，将相邻照明状态的散射参照响应作差得到两次等量增光对应的散射响应增量。

18、优选的，边际有效成像收益转折判定模块中边际有效成像收益和边际收益下降量确定的具体过程为：

19、针对第一次等量增光和第二次等量增光，分别将对应的散射响应增量与预设最小散射响应增量基准进行比较；

20、当散射响应增量不低于预设最小散射响应增量基准时，根据目标有效信息增量与对应散射响应增量之间的比值确定边际有效成像收益；当散射响应增量低于预设最小散射响应增量基准时，根据目标有效信息增量与预设最小散射响应增量基准之间的比值确定边际有效成像收益；

21、当第一次边际有效成像收益高于第二次边际有效成像收益时，将二者之间的差值确定为边际收益下降量；否则将边际收益下降量确定为零。

22、优选的，边际有效成像收益转折判定模块中有效成像收益不足状态判定的具体过程为：

23、当第二次边际有效成像收益小于或等于零时，确定当前成像模式进入有效成像收益不足状态；

24、当第二次边际有效成像收益大于零时，将边际收益下降量与预设有效收益下降阈值进行比较；当边际收益下降量大于预设有效收益下降阈值时，确定当前成像模式进入有效成像收益不足状态，否则确定当前成像模式未进入有效成像收益不足状态；

25、当当前成像模式未进入有效成像收益不足状态时，将第二探测照明强度作为当前工作照明强度继续执行当前水下目标成像；当当前成像模式进入有效成像收益不足状态时，转入多模式边际收益恢复适配模块。

26、优选的，多模式边际收益恢复适配模块中候选成像模式确定的具体过程为：

27、获取水下微型多模式成像设备支持的各成像模式对应的模式参数信息，以及当前目标成像任务对应的目标类型和目标成像要求；

28、其中，模式参数信息包括对应成像模式能够调用的主动照明通道、主动照明调节范围、最小稳定调节幅度、基础照明强度、主要成像参数和适用目标类型；

29、根据当前目标类型分别与各成像模式对应的适用目标类型进行匹配，并判断相应成像模式是否具备主动照明调节能力，将与当前目标类型相匹配、具备主动照明调节能力且区别于当前成像模式的成像模式确定为候选成像模式。

30、优选的，候选成像模式双增量主动照明探测的具体过程为：

31、针对每一候选成像模式，当对应主动照明通道存在实际输出照明强度时，将实际输出照明强度确定为探测起始照明强度；否则将对应基础照明强度确定为探测起始照明强度；

32、将候选成像模式的最大允许照明强度与探测起始照明强度的差值确定为候选剩余照明调节量；当候选剩余照明调节量不小于最小稳定调节幅度的两倍时，按照主动照明双增量响应构建模块中的单次探测增量确定方式形成单次探测增量，否则将该候选成像模式排除；

33、调用具备双增量探测条件的候选成像模式，加载主要成像参数并启用主动照明通道，以探测起始照明强度作为基准照明强度获取基准水下图像，按照相同单次探测增量连续两次提高主动照明强度，获取第一探测水下图像和第二探测水下图像。

34、优选的，多模式边际收益恢复适配模块中有效候选模式确定的具体过程为：

35、按照主动照明双增量响应构建模块中的相同方式确定候选成像模式对应的目标有效信息增量和散射响应增量，按照边际有效成像收益转折判定模块中的相同方式确定边际有效成像收益状态；

36、获取候选成像模式第二探测水下图像对应的目标结构响应、局部结构对比响应和边缘响应，形成该候选成像模式对应的目标有效信息响应结果；当局部结构对比响应达到对应候选成像模式和当前目标类型的最低局部结构对比响应要求，且边缘响应达到对应候选成像模式和当前目标类型的最低边缘响应要求时，确定目标有效信息响应结果满足当前目标成像要求；

37、将目标有效信息响应结果满足当前目标成像要求且未进入有效成像收益不足状态的候选成像模式确定为有效候选模式。

38、优选的，多模式边际收益恢复适配模块中目标成像模式确定及模式切换的具体过程为：

39、当仅存在一个有效候选模式时，将该有效候选模式确定为目标成像模式；

40、当存在多个有效候选模式时，比较各有效候选模式对应的第二次边际有效成像收益，将第二次边际有效成像收益最高的有效候选模式确定为目标成像模式；当存在两个以上有效候选模式的第二次边际有效成像收益均为最高值时，按照预设模式优先级从中确定目标成像模式；

41、将目标成像模式执行双增量探测时对应的第二探测照明强度确定为目标工作照明强度，控制水下微型多模式成像设备切换至目标成像模式，加载目标成像模式对应的主要成像参数，并按照目标工作照明强度控制对应主动照明单元，继续执行当前水下目标成像。

42、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

43、（1）、该一种水下微型多模式成像系统，通过按照相同探测增量连续提高主动照明强度，并分别获取不同照明状态下的目标结构响应和散射参照响应，确定目标有效信息增量和散射响应增量，实现对主动照明增强过程中有效成像信息提升与散射响应变化的综合评价，避免仅依据图像亮度变化判断照明效果造成评价偏差。

44、（2）、该一种水下微型多模式成像系统，通过根据两次增光过程对应的边际有效成像收益变化关系判断当前成像模式是否进入有效成像收益不足状态，实现对当前主动照明继续增强有效性的判断，避免在有效成像收益不足情况下继续提高照明强度造成散射响应增加而降低成像质量。

45、（3）、该一种水下微型多模式成像系统，通过在当前成像模式进入有效成像收益不足状态时，对候选成像模式对应的目标有效信息响应结果和边际有效成像收益进行评价，并选择目标成像模式进行切换，实现不同目标成像需求和水下环境条件下成像模式的自适应调整，提高水下目标成像的稳定性。