水下電視系統設備研制及圖像處理方法研究現狀綜述

白廣明,盧建旗

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

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水下電視系統設備研制及圖像處理方法研究現狀綜述

白廣明,盧建旗

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

水下電視系統作為人在水下的眼睛，是進行水下隱蔽工程監視、測量及深水作業必不可少的工具。本文從水下電視系統的圖像處理方法和設備的設計研制方面入手，概括了國內外水下電視系統的研究現狀，總結了水下電視系統的方法研究和設備研制中存在的關鍵科學和技術問題，提出了水下電視系統今后的研究方向。

水下電視；圖像處理；堤壩；缺陷探測；滲漏

如果將我們想要觀察的設備完全放置于陽光之下，讓我們肉眼能夠觀察到其各個部件，那么該設備在運行過程中產生的損壞我們能夠及時發現并采取相應的維修措施。然而，對于一些隱蔽工程我們無法用肉眼直接觀察到其全貌，如核電廠的核反應堆內部構件、大壩閘門的底部與門槽及海洋石油鉆井平臺井口的狀況等我們無法直接觀察到這些部位的結構狀況，必須依靠特殊的視頻裝置才能得以展現。水下電視系統就是為了觀察水下目標體而研制的一套特殊的攝像系統。作為一種水下目標體的監視工具，水下電視在海底地形測繪、海洋生物研究、海洋石油鉆井平臺的水下檢修、大壩及堤防病害探測、水下武器試驗的監控、深水打撈及核反應堆內部構件的檢修等方面得到了廣泛應用[1]。

1　水下電視系統的特點

1.1水下拍攝距離受限

與陸地攝影不同的是，水下攝影需要考慮水對光的吸收和散射作用。由于水對光的吸收和散射作用，使得攝像機在水下拍攝的圖像對比度大幅下降，從而給目標體的辨識和分析造成困難。研究表明，水對光波的吸收和散射呈指數形式衰減,衰減過程為式(1)[1]。

(1)

式中：I0為入射光的光強，cd；I為經過距離L衰減之后的光強，cd；a為散射系數；b為吸收系數；L為傳播距離，m。

水對光波的吸收是光波在傳播過程中遇到具有吸收作用的微粒而使光能轉換成其他形式能量(如熱能、勢能、化學能)的過程。因此，水中微粒對光的吸收使得光在水中傳播的距離受到限制。散射則是光波在傳播過程中與水中微粒產生碰撞致使其傳播方向發生了改變，從而造成的傳播方向上光能減少的過程。散射使得水下拍攝的圖像分辨率降低，畫面反差降低，圖像細節模糊。由此可見，水中懸浮物(水中微粒的多少或渾濁程度)的多少是水下拍攝面臨的最為嚴重的問題。

1.2水下拍攝操作控制難度大

水下電視系統主要由攝像機、攝像機防護罩、照明、攝像機控制單元及數據傳輸單元組成，攝像機的調焦、變倍及燈光強度等由地面控制單元操作，如圖 1所示。與陸地攝像不同的是，由于水下照相、錄制視頻需要將攝像設備置于水下需要拍攝的位置，水下工作給操作人員帶來了安全隱患，水的流動性增大了操控攝像設備難度。為了獲得清晰、穩定的水下影像資料，人們嘗試使用了各種操控水下攝像機的拍攝方法。

潛水員水下手持攝像機拍攝、利用繩索將攝像機吊放到目標水深位置進行拍攝以及用無線遙控器遠程控制水下攝像機位置移動和姿態調整拍攝等方法。潛水員水下手持攝像機拍攝方式具有直接、有效、變換水下攝像機位置、姿態及攝像光圈及焦距等參數設置容易實現的優點。但是該方式需要潛水員既有潛水技能，又需要有攝像技能。同時，潛水員需要穿戴笨重的潛水服，存在較大的安全隱患且潛水深度有限。因此，這種方法很少被采用。

圖1　水下電視系統組成示意圖

有線拖拽模式是利用吊索、纜線控制水下攝像機的拍攝方法，如圖1(a)所示。攝像機控制單元放置于地面或船上，控制單元通過電纜將控制指令傳輸給攝像機及照明裝置來調節放大倍數及光源強度，攝像機采集的圖像通過數據傳輸電纜將數據回傳到控制單元。該方法具有水下攝像機的拍攝位置明確、深度計量可以采用機械傳導、方法簡易且準確、控制方式簡單、設備造價低等優點，適宜在孔內、堤壩及其他等淺水區域探查使用。目前該方式在鉆孔水下攝像方面應用已經較好地解決了攝像方位判定問題。該方式也有缺點：水下攝像頭位置變換不夠靈活，攝像頭在吊索頭端，限制了視角，雖然目前已經研制出了可以側向旋轉超過90°、水平旋轉360°水下攝像頭，較好地解決了視角問題，隨之也帶來了需要正確判定側向實際拍攝方向的問題。

無線遙控控制拍攝方法去除了笨重的起吊繩索及數據傳輸電纜，增加了攝像機遠程控制的遙控元件及攝像機驅動裝置，如圖1(b)。操作人員通過遙控器來控制水下攝像機位置移動和姿態調整，以及調節攝像機的變焦放大及燈光變化，采集的影像數據以無線傳輸的形式實時傳輸到控制中心。優點是攝像機在水下移動靈活，活動范圍寬闊，操控方便，適合于深水作業，如海底打撈、海洋石油平臺的水下檢修等領域。但是也存在缺點，一是穩定問題，螺旋槳控制水下攝像設備的位置和姿態，即使是在靜水中實現懸停時，螺旋槳也需要轉動，拍攝的攝像機工作始終要受到螺旋槳運轉的機械振動干擾，影響圖像穩定性。另外螺旋槳轉動還會旋帶起水中懸浮物、附近物體表面附著物的快速運動，影響拍攝成像的質量，嚴重時這些漂浮物阻斷了拍攝光線通過路徑，無法拍攝。另外，本操控方式多為進口設備，價格昂貴，嚴重地制約了廣泛使用。

1.3防水護罩需要滿足抗水壓、防腐和減少光學畸變的要求

水下攝像機承受的壓力是與設備所在的深度成正比的，每下潛1 m水深，每平方米面積就要增加1 t壓力。目前國內已經有可以下潛到2000 m水深的攝像頭設備，水下電視必須有滿足抗壓性能要求的護罩，保障水下攝像機可以在巨大水壓力下不會發生變形破壞。

另外，攝像機防護罩還應具有透明、光學畸變小及防腐蝕等性能。由于攝像機防護罩內是空氣介質，防護罩是玻璃或其余透明的固體介質，防護罩外是水介質。攝像機拍攝時光線要通過“空氣-固體-水”三種介質，光線通過不同介質時將會在界面發生折射引起圖像的畸變。為了減少畸變，設計防護罩時常采用球面形狀防護罩，讓攝像光線垂直通過界面，減少拍攝過程中由于光的折射導致的圖像畸變。另外攝像機防護罩還應具有一定的耐腐蝕性能，以適應海洋咸水或其他具有腐蝕性水的使用環境。

1.4渾水限制了水下電視應用

水下成像質量直接與水的渾濁程度相關。水的渾濁程度用渾濁度或濁度來表述，是以水中懸浮物、泥沙及其他細粒物質所產生透明度降低的數量或散射光強弱程度來度量的[2]。水的濁度測量方法通常采用光的透射法或散射法進行測量，如圖2所示。

圖2　光學測定濁度示意圖

(2)

式中：P0為入射光強，cd；L為距離，m；Pt為透射光強，cd；Ps為散射光強，cd；T為濁度，mg/L。

河水的渾濁程度與河岸的性質、河床的組成、水流的速度以及所排入的工業廢水、生活污水等因素有關。距離城市近的河流由于接受更多的工業污水和生活污水排放，從而導致河水渾濁度的增加。1996年，金傳良等對全國江河及重要供水水源地水質狀況調查發現，全國近1/2河段長度的河水受到污染，1/10的河段長度水質受到嚴重污染，且污染河段主要集中于經濟發達地區[2]。雖然河水的污染指標與濁度指標并非一一對應關系，但二者呈正相關關系。

我國河流水大多泥沙含量較大，渾濁度都很高。汛期雨量大，雨水徑流會把地表土夾帶到河流中，導致河水的渾濁程度更加嚴重。表1是1994-2003年我國主要河流輸沙量年平均統計值[3]。

表1　1994—2003年不同河流輸沙量年平均值　(104t·a-1)

實際工作中我們也體會到，許多河流的水是渾濁的，水下攝像不能獲得清晰圖像，一些嚴重混濁的水域甚至無法獲得影像，限制了水下電視的應用。

2　改善水下電視圖像技術方法

為了能夠從模糊的、對比度下降的或者受干擾之后的圖像中提取或突出最有用的信息，圖像處理技術就成為改善這一問題的主要手段。圖像處理方法主要有圖像的增強方法和圖像邊緣的檢測方法[4]。

2.1圖像的增強方法

圖像的增強方法包括空間域的增強方法、頻率域增強方法及圖像的代數運算方法。空間域增強方法包括：灰度變換法、直方圖修正法、局部統計法，其修正的目的是改變圖像原有的對比度模式，從而體現出對比度反差較小的微弱信息。而頻率域圖像增強的方法主要有濾波方法和平滑方法，其主要目的是消除圖像中的隨機光噪聲信號，強調圖像中的主要信息[5]。

2.2圖像邊緣的檢測方法

圖像邊緣是指圖像中景物的物理特性或光學特性發生變化而形成圖像中的色差或對比度的變化的部位。圖像亮度的變化、幾何形狀的改變以及反射系數的變化，它廣泛存在于圖像中的景物與背景之間和景物與景物之間。邊緣檢測的目的是從較為模糊的邊緣中通過檢測算法自動識別出邊緣所在的位置，并采取相應的增強措施以重建目標景物的圖像。

圖3　圖像邊緣檢測微分算子示意圖

目前，圖像邊緣的檢測方法大多數利用微分運算。如圖3所示，圖像的灰度值在圖像邊界產生階躍。然而，由于噪聲的影響使得這種階躍變成了一種緩慢的變化過程，從灰度曲線難以判斷準確的邊界位置，而灰度曲線的導數則會在圖像邊緣部位出現峰值或突變。因此，一階導數甚至二階導數類型的微分算子常被用來檢測圖像邊界。其中代表性的算法有：Robert算子、Canny 算子、Kirsch算子、Sobel算子、Perwitt算子和Robinson算子等。

3　水下電視設備研制現狀

水下電視的起源可以追溯到1947年，美國海軍在畢其尼環礁開展了水下電視攝像實驗，這一實驗的目的是為潛艇安裝一副可以看見潛艇外部世界的眼睛。從此，各國都相繼開展了水下電視的技術研究。1971—1972年間，日本廣播協會先后研制出晶體管攝像裝置、光導攝像管攝像裝置等適合于水下攝影的攝像裝置。對目前水下電視系統影響最大的是1979年美國無線電公司研制的單板式電荷耦合(Charge-Coupled Device, CCD)彩色攝像機。美國海軍將這一研究成果使用在潛艇上，在海底意外獲得了稀有魚類和其他生物珍貴圖像。后來經過不斷的研究，現在已經出現了增強型電荷耦合(Intensified Charge-Coupled Device, ICCD)彩色攝像機，電子倍增CCD(Electronic Multiplying Charge-Coupled Device, EMCCD)等。CCD電子成像原件的最大優點在于其能夠實現納秒量級的快門控制時間，即能夠提高攝像的時間分辨率。這對于流動水中攝像無疑是最根本的要求。從此，水下電視技術也在各國的民用領域得到了廣泛應用。20世紀90年代初期，美國Benthos公司研制出了DSC 5010型水下數字攝像系統。20世紀90年代中期，美國Benthos公司突出了改進的DSC 4000型水下數字攝像系統[6]。

1992年，我國交通部海洋水下工程科學研究院自行設計制造了SD便攜式水下電視設備。攝像機采用1NV-2402型高靈敏度CCD暗光黑白攝像機，配備專用水下照明燈具，采用防銹鋁合金作為防護罩外殼材料，可適用于最大水深300 m的水下環境[7]。1997年，上海交通大學奚立峰等人[8]研制了SS-1000型水下電視系統,采用了高分辨率、高靈敏度CCD成像器件；設計了耐壓、耐腐蝕的水密殼體；具有自動光圈和遙控調焦功能。長江科學院也研制了CJSD-1型鉆孔前視全景水下電視系統，該設備采用了CCD攝像機，深度標定采用孔口測量輪測量，設備配有特殊的照明光源，適用于各種復雜水下環境中的檢測工作。該設備主要用于堤壩工程的水下隱患探查，在水利工程領域得到了廣泛應用。1998年，中國科學院西安光學精密機械研究所孫傳東等[1]對水下電視的防護罩結構設計及鏡頭組的配置進行了試驗研究。結果表明，常被采用的玻璃半球防水密封窗結構簡單，能夠改善由于水介質折射而引起的一些圖像畸變的缺陷。但是要保證半球的球心與成像物鏡入瞳點相重合，否則由于水介質的折射造成的圖像畸變將無法完全矯正。對鏡頭組的試驗研究表明水下專用光學鏡頭能夠徹底矯正相差和消除水介質的影響，在成像質量和大視場方面明顯占優勢。和陸地攝影不同的是，水下攝影很難保證攝像過程中景物與鏡頭的相對固定。水總是在流動，攝像機也處于一種不穩定的漂浮狀態。因此，自動調焦與控制是水下攝像的一個新的要求。2008年，中國科學院西安光學精密機械研究所劉智輝等[9]提出了一種新型的二維掃描式水下電視系統，該系統可以進行水平360°，垂直90°全方位掃描，不存在死角，在船上或岸上使用水下控制系統，可以對系統實施遠程控制，通過該系統可以對水中運動目標進行跟蹤監視，最大工作深度可達100 m。2009年，鄭州輕工業學院王新金等[10]設計了一種適合固定場景監控、具有遠程自動控制功能的水下電視系統。該系統能夠根據水下情況，自動開啟或關閉水下照明光源，光源開啟后能夠自動調節亮度，自動實現鏡頭的調光和調焦等功能。該系統以AT98S52單片機為核心控制單元，通過程序自動提取和分析圖像灰度直方圖的特點，并根據設定的標準對攝像機的光源的亮度、攝像機的光圈、攝像機的調焦進行自動控制，以保證每一幀錄制的圖像都處于最佳效果。

可見，國內外水下電視系統的研究在水下攝像機的電子成像、水下機器人搭載、遠程控制、設備可下潛深度、鉆孔中成像等諸多技術方面都有了長足發展，但是對于如何實現在渾濁水中拍攝、岸邊或船上拖拽設備精準操控水下攝像頭姿態等方面鮮有研究。

4　水下電視系統的應用

2003年，何邁用長江科學院自行研制的CJSD-1型鉆孔前視全景水下電視系統對長江堤防隱蔽工程進行了檢測工作，填補了以往沒有檢查減壓井質量有效手段的空白，為保證堤防工程質量提供了科學依據[11-12]。2006年，黃沛等[13]將天津大學研制的QKD-9型孔內水下電視及JCD-2型孔內電視系統應用于樁基完整性檢測。2007年，中國水利水電科學研究院何秉順等[14]利用美國Benthos公司生產的水下機器人攜帶電視系統對哈爾濱市西泉眼水庫溢洪道兩側翼墻以及溢流堰受水流沖蝕程度進行了探查，取得了良好效果。2008年，海軍工程大學鄭志國等[15]使用國產SXD-ⅢBF水下電視系統，對長江航道整治工程水下沉排進行了檢查，該系統是潛水員手持水下電視攝像頭，纜線連接岸邊同步錄制圖像。真實、直觀地反映出了水下沉排的實際情況。2014年，黃河勘測規劃設計有限公司工程物探研究院李曉磊[16]利用SD-2型水下電視系統對紫坪水庫的受損閘門進行了檢測，該系統用連接攝像頭電纜將攝像頭送入水下，攝像頭方向豎直向下，視場角103°，獲得了水下閘門情況照片。

5　結　論

我國水下電視系統的研究從20世紀90年代開始至今，經過各個領域學者的不斷研究，已經取得了長足的進展。不論在水下拍攝的光學鏡頭組的設計、攝像機防水護罩設計以及水下遙控操作和遙控驅動等方面都取得了卓越的成就。目前，已經研制出了多種不同型號和用途的水下電視系統。同時，在水下拍攝的圖像處理方面也取得了大量的研究成果。

雖然我國水下電視系統的研究已經取得了長足的進展，但也存在一些需要進一步解決的問題和可能的發展方向。首先，水中微粒對光的吸收與散射是影響水下電視成像質量的最主要障礙，尤其在渾濁的水中成像質量更難以保證，甚至無法成像。其次，水的流動及波浪使水下攝像機難以處于一種穩定狀態進行拍攝，環境惡劣時無法獲得穩定、清晰的圖像。目前的水下電視系統所拍攝的目標物的信息都是以二維圖片的形式進行展示，如果將所拍攝目標體進行位置信息提取，建立目標體的三維立體模型，將是水下電視系統研究的一個新方向。

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BAI Guangming, LU Jianqi

(InstituteofWaterResourcesandHydropowerResearchofHeilongjiangProvince,Harbin150080,China)

As an extended vision for humankind, underwater TV system has become an indispensible tool to salvage deep water, monitor underwater concealed works and survey underwater topography etc. This paper starts with the image processing methods and equipment production process of underwater TV system, summarizes the current research status of the underwater TV system at home and abroad, summarizes the key scientific and technical problems in research methods and equipment development of underwater TV system and puts forward the research direction of underwater TV system in the future.

underwater TV system；image processing；dams；defect detection；leakage

黑龍江省財政廳科技專項(2014035)

白廣明(1958-)，男，研究員級高級工程師，主要從事水利工程質量檢測技術方面的研究工作。

TN247

A

2096-0506(2016)09-0001-05