用于淺水養(yǎng)殖的低可視度水下攝像系統(tǒng)研究

車彥翮，劉 暢 ，盛智彬 ，胡金通

(1 江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222061； 2 江蘇海洋大學(xué)機(jī)械與海洋工程學(xué)院，江蘇 連云港 222005)

作為水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量大國(guó)，中國(guó)水產(chǎn)品獲取方式已逐漸由“捕撈為主”轉(zhuǎn)變?yōu)椤梆B(yǎng)殖為主”[1]。受養(yǎng)殖環(huán)境的影響，養(yǎng)殖水質(zhì)能見(jiàn)度低、不利于實(shí)時(shí)的人工監(jiān)測(cè)，急需一種低可視度水下攝像系統(tǒng)。目前，水下攝像系統(tǒng)主要包括：水下攝像機(jī)、圖像聲吶和激光成像設(shè)備[2]。傳統(tǒng)水下攝像機(jī)成像分辨率高，但對(duì)水體可視度要求高[3]，只適合監(jiān)測(cè)水體能見(jiàn)度高的養(yǎng)殖環(huán)境；圖像聲吶作用距離遠(yuǎn)，對(duì)水體能見(jiàn)度要求不高，但成像分辨率低，只適合大面積大水域的養(yǎng)殖場(chǎng)所監(jiān)測(cè)[4-6]；激光成像設(shè)備成像分辨率高，對(duì)水體可視度要求低，但價(jià)格昂貴，專業(yè)性強(qiáng)，難以推廣[7]。

綜合以上設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)，以傳統(tǒng)水下攝像機(jī)為主體，設(shè)計(jì)了一種低可視度水下攝像系統(tǒng)，對(duì)低可視度水下環(huán)境進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)低可視度水下環(huán)境，提高養(yǎng)殖成功率、規(guī)避養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)。并且，本設(shè)計(jì)的成品小巧便攜，方便操作，造價(jià)也遠(yuǎn)低于圖像聲吶和水下激光成像的設(shè)備。

1 設(shè)計(jì)思路

淡水養(yǎng)殖最主要的水質(zhì)污染是有機(jī)物污染[8]。有機(jī)物污染大部分是水體富營(yíng)養(yǎng)化后產(chǎn)生的大量水藻、魚蝦糞便等不溶于水的雜質(zhì)，大量雜質(zhì)懸浮，導(dǎo)致水體能見(jiàn)度一般只有5～12 cm[9]。普通布局的水下攝像機(jī)上搭載的水下燈會(huì)把那些雜質(zhì)照得很亮(圖1)，并干擾攝像頭的正常對(duì)焦，使得攝像頭對(duì)焦在被照亮的水中雜質(zhì)上，這就導(dǎo)致水下攝像機(jī)成像模糊，難以得到被測(cè)物的像差，圖像很難清晰[10]。

圖1 普通燈光布置方案Fig.1 General lighting arrangement scheme

蔣新松[10]的燈光布局方案提出了一種水下照明方式，即將水下燈布置于水下目標(biāo)附近，能顯著減弱水中懸浮物產(chǎn)生的“后向散射”現(xiàn)象，增大被照物的相差，使攝像頭不易自動(dòng)對(duì)焦在被照亮的水中雜質(zhì)上(圖2)。

圖2 燈光優(yōu)化布置方案Fig.2 Lighting optimization arrangement scheme

如果水體能見(jiàn)度非常低(10 cm以下)，則需要給水下攝像頭前安裝一個(gè)清水艙，清水艙內(nèi)盛清水，用來(lái)替代或隔絕攝像頭觀測(cè)路徑上的污水，大幅減弱甚至消除污水對(duì)成像的影響。達(dá)到未加清水艙時(shí)能見(jiàn)度在15～20 cm時(shí)的觀測(cè)效果(圖3)。

圖3 加裝清水艙效果Fig.3 Effect of fresh water tank

2 設(shè)計(jì)方案

2．1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖的要求設(shè)計(jì)制作了一款低可視度水體觀測(cè)設(shè)備方案。如圖4所示，設(shè)備在不使用時(shí)可以將延伸臂和水下燈向后折疊，縮短碳纖維桿，清水倉(cāng)可拆，方便用戶在設(shè)備閑置時(shí)放置。如圖5所示，設(shè)備在使用時(shí)需要將延伸臂和水下燈折疊至合適位置，按觀測(cè)需要伸長(zhǎng)碳纖維桿，安裝/不安裝清水倉(cāng)，接入手機(jī)/平板，連接電源，在放入養(yǎng)殖池中進(jìn)行觀測(cè)。

圖4 折疊模式下的攝像系統(tǒng)Fig.4 Camera system in folding mode

圖5 工作模式下的攝像系統(tǒng)Fig.5 Camera system in operating mode

2．2 系統(tǒng)組成

如圖6 所示，根據(jù)低可視度水下攝像系統(tǒng)技術(shù)要求，本方案由水上和水下兩部分組成。水上部分由移動(dòng)設(shè)備(手機(jī)/平板)、高頻PWM調(diào)光器、Wi-Fi中繼器組成，攝像頭采用USB Video Class(UVC)協(xié)議通過(guò)USB OTG協(xié)議和手機(jī)/平板/Wi-Fi中繼器的USB口連接，支持UVC協(xié)議的設(shè)備可以直接連接攝像頭，部分不支持UVC協(xié)議的設(shè)備就需要使用Wi-Fi中繼器進(jìn)行連接[11-12]。水下部分由水密連接器、水下燈模塊、水下攝像頭系統(tǒng)、防水結(jié)構(gòu)、水下燈支架結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)等部分組成。手機(jī)/平板與水下通過(guò)USB彈簧屏蔽線穿過(guò)伸縮桿與水下攝像頭進(jìn)行連接，高頻PWM調(diào)光器通過(guò)雙芯彈簧線穿過(guò)伸縮桿與水下燈進(jìn)行連接，手機(jī)/平板/Wi-Fi中繼器在伸縮桿末端有相應(yīng)的卡槽，電池裝在一個(gè)斜挎包中隨身攜帶。

圖6 系統(tǒng)組成Fig.6 System composition

2.3 照明系統(tǒng)

2.3.1 水下燈外殼和燈珠

水下燈外殼由一整個(gè)鋁合金圓柱一體切削制成，從前到后分別由壓環(huán)、高透凸透鏡、燈珠、散熱燈臺(tái)、LED驅(qū)動(dòng)電路、后蓋和水密接頭組成(圖7)。雖然自然光線/人造光射入水體后，水下透過(guò)的光都有一定程度的退化，但是因?yàn)橄到y(tǒng)的成像距離不超過(guò)20 cm，水對(duì)光的退化可以忽略不計(jì)。由于方案所選擇的COMS模組在自然光條件下色彩還原度、對(duì)比度等參數(shù)最為優(yōu)秀，因此本系統(tǒng)采用最接近自然光的6 700 K色溫的燈珠作為系統(tǒng)光源。

圖7 水下燈裝配示意圖Fig.7 Assembly diagram of underwater lamp

2.3.2 調(diào)光器

調(diào)光器件選用PWM調(diào)光方案，用以保證燈光系統(tǒng)光譜特性不變。但是由于線材、燈珠驅(qū)動(dòng)板上電容參數(shù)等一系列因素，兩個(gè)水下燈參數(shù)不可能完全一致，導(dǎo)致兩個(gè)水下燈雖然屬于同一個(gè)PWM調(diào)光器的控制，但是依然會(huì)出現(xiàn)兩燈對(duì)PWM信號(hào)響應(yīng)時(shí)間不一致的情況(圖8)，黑條紋代表高電平，白條紋代表低電平。

圖8 摩爾紋Fig.8 Moire effect

“摩爾紋”不但影響系統(tǒng)顯示效果，而且造成的顯示閃爍也會(huì)使用戶感到不適[13]，根據(jù)IEEE std 1789 2015標(biāo)準(zhǔn)[14]，當(dāng)PWM頻率≥1 250 Hz時(shí)，頻閃對(duì)人健康影響可以忽略不計(jì)。因此初步選定PWM頻率≥1 250 Hz，進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)PWM波頻率為5 kHz時(shí)，摩爾紋消失。因此選用5 kHz作為PWM調(diào)光器的PWM波頻率。

PWM調(diào)光器由NE555定時(shí)器組成(圖9)。PWM調(diào)光電路本質(zhì)上是由施密特觸發(fā)電路經(jīng)RC積分電路接回輸入端構(gòu)成的多諧振蕩電路，因此將NE555的6腳和2腳接在一起組成施密特觸發(fā)電路，然后輸出接入由RP1和C1組成的RC積分電路接回輸入組成PWM調(diào)光電路。

圖9 由NE555定時(shí)器組成的PWM調(diào)光器電路圖Fig.9 PWM dimmer circuit diagram composed of NE555 timer

由文獻(xiàn)[15]可知PWM頻率：

(1)

式中：f為PWM調(diào)光器的頻率，kHz；T為PWM調(diào)光器周期,s；(RA+RB)為RP1旋鈕式電位器和兩個(gè)1 kΩ阻值電阻的和，Ω；C1為調(diào)頻電容，μF；其中RP1最大阻值為10 kΩ的旋鈕式電位器，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)占空比，也就是燈光亮度，調(diào)光器的PWM信號(hào)頻率由電容C1決定。本電路中，振蕩頻率設(shè)置為f=5 kHz ，由公式(1)可計(jì)算出C1≈8 μF。

2.4 攝像頭系統(tǒng)

采用低感光攝像頭模組，模組最大環(huán)境感光0.01 Lx，使得成像系統(tǒng)在同等環(huán)境照度下成像產(chǎn)生的噪點(diǎn)更少，暗光細(xì)節(jié)更加充分，同時(shí)具備不開(kāi)燈或低亮度下清晰成像的能力[16-17]，如圖10 所示(環(huán)境光照度<0.5 Lx)。對(duì)于某些對(duì)光照敏感的養(yǎng)殖產(chǎn)品，可以不用開(kāi)燈或使用低亮度模式避免影響?zhàn)B殖產(chǎn)品。

圖10 攝像頭開(kāi)關(guān)燈實(shí)拍圖Fig.10 Actual filming effect of turn down/up light

2.5 攝像頭傳輸通訊

攝像頭的傳輸方案采用USB Video Class(UVC)協(xié)議，特點(diǎn)是：1)覆蓋全面，目前主流操作系統(tǒng)都已提供UVC設(shè)備驅(qū)動(dòng)，并且集成在系統(tǒng)內(nèi)核中；2)使用方便，符合UVC規(guī)格的硬件設(shè)備不需要安裝任何的驅(qū)動(dòng)程序下即可在主機(jī)中正常使用；3)由于使用了帶有UVC協(xié)議的攝像頭，本方案可以用任意支持USB OTG協(xié)議的設(shè)備，如手機(jī)、平板、電腦、Wi-Fi路由器等作為視頻終端，極大提高了本方案的拓展性。

3 水下校色和實(shí)際拍攝質(zhì)量

3.1 攝像頭校色處理

水產(chǎn)養(yǎng)殖池中除了不可溶的污染物，還有一系列由氮化合物、可溶無(wú)機(jī)物、重金屬離子等可溶的污染物組成，其中有些可溶污染物會(huì)對(duì)水體的透光性、吸光性造成影響，導(dǎo)致在水產(chǎn)養(yǎng)殖池中的水下圖像大部分呈黃綠色。 為了解決水下圖像顏色失真的問(wèn)題，在完成原理論證和樣機(jī)制造后，將用標(biāo)準(zhǔn)灰度卡和24色原色卡在接近養(yǎng)殖池水質(zhì)和使用深度的水池對(duì)設(shè)備進(jìn)行校色處理，然后從后期軟件中導(dǎo)出校色參數(shù)，寫入攝像頭驅(qū)動(dòng)中。經(jīng)過(guò)校色處理以后，相比于不校色前，色偏得到了改善，成像的觀感有了很大提升，細(xì)節(jié)也更加突出[18]。

3.2 攝像頭校色前后對(duì)比

圖11 a和圖12 a所示，說(shuō)明攝像頭在空氣中的色偏很小，甚至不需要進(jìn)行校色處理。圖11 b和圖12 b所示，在水下環(huán)境中攝像頭的色偏問(wèn)題嚴(yán)重，對(duì)攝像頭進(jìn)行校色處理后，顯示效果良好，基本還原了色彩的本色，說(shuō)明了對(duì)水下攝像頭進(jìn)行校色，有助于提升用戶觀感，提升攝像頭的還原度、對(duì)比度，提升成像細(xì)節(jié)。

圖11 水下拍攝校色前的24色色卡 圖12 水下拍攝校色后的24色色卡

3.3 攝像頭校色后的實(shí)拍效果

為了更好地說(shuō)明本設(shè)計(jì)的攝像系統(tǒng)相較于其他設(shè)備拍攝的水下圖像有較好的成像效果，利用連云港贛榆佳信養(yǎng)殖場(chǎng)購(gòu)買的水下成像設(shè)備在與圖13相同的水池環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，拍攝效果如圖14所示。

圖13 連云港贛榆佳信養(yǎng)殖場(chǎng)實(shí)拍圖Fig.13 Shooting for Lianyungang Jaxin farm

圖14 同一池塘不同水下成像設(shè)備實(shí)拍圖Fig.14 Underwater imaging equipment in the same pond

對(duì)兩種成像設(shè)備獲取的水下圖像圖14 a和圖14 b分別計(jì)算其亮度均值、標(biāo)準(zhǔn)差、信息熵等幾項(xiàng)基本評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(1)亮度均值。亮度均值表示圖像的平均亮度。圖像太亮或太暗都會(huì)影響人們的視覺(jué)效果甚至導(dǎo)致圖像細(xì)節(jié)模糊，通常情況下，水下圖像平均亮度越大，圖像的質(zhì)量就相對(duì)越好。亮度均值的計(jì)算公式表示為：

(2)

式中：M、N表示圖像的大小，pixel；I(i,j)表示第i行、第j列的像素值，pixel；m表示亮度均值。

(2)標(biāo)準(zhǔn)差。標(biāo)準(zhǔn)差表示圖像灰度值相對(duì)于平均值的離散程度。標(biāo)準(zhǔn)差越大表示圖像灰度層次越豐富，圖像細(xì)節(jié)更加容易識(shí)別，即圖像質(zhì)量越好。圖像標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算公式如下：

(3)

式中：M、N表示圖像的大小，pixel；I(i,j) 表示第i行、第j列的像素值，pixel；m表示亮度均值；s表示標(biāo)準(zhǔn)差。

(3)信息熵。信息熵表示圖像的平均信息量。該指標(biāo)從信息論的角度對(duì)圖像信息進(jìn)行衡量，通常情況下，信息熵越大表示圖像包含的信息越豐富。信息熵的計(jì)算公式如下：

(4)

式中：pi表示圖像中第i個(gè)灰度級(jí)的出現(xiàn)概率；灰度級(jí)區(qū)間的取值范圍為[0,255]；e表示信息熵，bit。

(4)UCIQE(水下彩色圖像質(zhì)量評(píng)價(jià))和UIQM(水下圖像質(zhì)量評(píng)估)。此外，本研究還采用了常用的兩種無(wú)參考水下圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，即UCIQE[19]和UIQM[20]對(duì)兩種水下成像設(shè)備的水下圖像質(zhì)量進(jìn)行測(cè)評(píng)，評(píng)分越高越好。

測(cè)評(píng)結(jié)果如表1所示。低可視度水下攝像系統(tǒng)在任意一項(xiàng)評(píng)測(cè)指標(biāo)中均高于與之對(duì)比的傳統(tǒng)水下成像設(shè)備，其中最主要的是UCIQE和UIQM指標(biāo)，兩者是當(dāng)前最常用的兩種無(wú)參考水下圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，UCIQE指標(biāo)擬合了水下圖像的色度、飽和度和對(duì)比度等分量，UIQM指標(biāo)則將圖像的色彩、清晰度和對(duì)比度等測(cè)量分量作為評(píng)價(jià)依據(jù)。UCIQE和UIQM指標(biāo)高，說(shuō)明系統(tǒng)在低可視度水下所拍攝圖像的各項(xiàng)參數(shù)均強(qiáng)于傳統(tǒng)水下成像設(shè)備所拍攝的圖像。如圖14所示，相比傳統(tǒng)水下攝像機(jī)低可視度水下攝像系統(tǒng)能更好還原圖像細(xì)節(jié)，成像清晰，能看清蝦線等細(xì)節(jié)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。但是系統(tǒng)仍然存在中心過(guò)曝、暗部噪點(diǎn)過(guò)多、解析力不足的缺點(diǎn)，需要引入合適的水下圖像增強(qiáng)算法彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)。

表1 兩種設(shè)備成像質(zhì)量對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)合理規(guī)劃照明系統(tǒng)和攝像頭的相對(duì)位置，增設(shè)清水倉(cāng)，使用低照度攝像頭和對(duì)攝像頭進(jìn)行校色的方式，使得傳統(tǒng)水下攝像機(jī)具備了對(duì)低可視度水體中的目標(biāo)物實(shí)時(shí)觀測(cè)能力。大量實(shí)地測(cè)試結(jié)果表明，低可視度水下攝像頭能清晰分辨水體能見(jiàn)度<10 cm，1 cm大小蝦的蝦線，滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的實(shí)際要求。通過(guò)設(shè)計(jì)過(guò)程中的探索，得出傳統(tǒng)水下攝像機(jī)要想實(shí)現(xiàn)低可視度水下目標(biāo)探測(cè)，需要具備3個(gè)必要條件，即合理布局的光路、搭載具備低感光能力的感光元器件和使用水下圖像增強(qiáng)算法。

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