ВЫЧИТАНИЕ ПОМЕХИ ОБРАТНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ В СИСТЕМАХ ПОДВОДНОГО ВИДЕНИЯ ДЛЯ РАБОТЫ В МУТНОЙ ВОДЕ

  • Н.А. Будко НИИ робототехники и процессов управления Южного федерального университета
  • А.Ю. Будко Южный федеральный университет
  • М.Ю. Медведев Южный федеральный университет
Ключевые слова: Системы технического зрения, поляризация света, степень линейной поляризации, угол линейной поляризации, помеха обратного распространения

Аннотация

Исследование морских глубин в целях обеспечения безопасности, эффективного использо-
вания подводных ресурсов является актуальной задачей. В первой части статьи кратко рас-
смотрены физические феномены и ограничения, возникающие при распространении электро-
магнитных волн видимого диапазона в подводной среде. Показано, что системы подводного
видения (как класс специализированных систем технического зрения, - СТЗ) на основе обычных
ПЗС матриц сталкиваются с рядом фундаментальных ограничений в вопросе повышения эф-
фективности функционирования в природной воде низкой прозрачности. В частности, исполь-
зование искусственных источников освещения в составе систем подводного видения в мутной
воде приводит к возникновению помехи обратного распространения (ПОР), приводящей к пара-
зитной засветке матрицы оптического прибора. В качестве перспективного направления раз-
вития систем подводного видения предлагается использовать методы вычитания ПОР на ос-
нове информации о поляризации света. В обзорной части статьи рассмотрены последние дос-
тижения в данной области. В основной части статьи представлена методология исследования
предлагаемого метода вычитания ПОР на основе сравнения с результатами, получаемыми при
обработке изображений известными методами оценки параметров вектора Стокса DoLP и
AoLP, позволяющими получать информацию о степени поляризации и преобладающих углах
поляризации света соответственно. Представлены экспериментально полученные резуль-
таты обработки данных съемок подводной сцены в воде различной степени мутности
посредством алгоритмов DoLP, AoLP и предлагаемым методом вычитания ПОР. Отли-
чительными особенностями является использование при расчетах четырех, а не двух на-
правлений поляризации, а также оригинальный математический аппарат обработки сиг-
налов матрицы камеры машинного зрения.

Литература

1. Rogov A.A. Fotos"emka pod vodoy [Photography under water]. Moscow: Nauka, 1964.
2. Voytov A.A., Sergeev V.V., Sokolov V.A., Forsov B.Yu. Formirovanie izobrazheniy v aktivnykh
sistemakh podvodnogo videniya [Image formation in active underwater vision systems],
Voprosy radioelektroniki. Seriya «Tekhnika televideniya» [Radio electronics issues. Series
“Television technology”], 2015, Issue No. 5, pp. 21-31.
3. Sergeev V.V., Karpov V.V., Pribylov Yu.S., Sokolov V.A. Aktivnaya sistema podvodnogo
videniya dlya avtonomnykh neobitaemykh podvodnykh apparatov [Active underwater vision
system for autonomous uninhabited underwater vehicles], Voprosy radioelektroniki. Seriya
“Tekhnika televideniya” [Radio electronics issues. Series “Television technology”], 2019, Issue
2, pp. 53-61.
4. Sergeev S.V., Karpov V.N., Pribylov Yu.S., Pshenichnaya O.K., Sokolov V.A. Adaptivnaya
sistema foto i video registratsii dlya avtonomnykh neobitaemykh podvodnykh apparatov
[Adaptive photo and video registration system for autonomous uninhabited underwater vehicles],
Neftegaz.RU, 2020, Issue No. 8.
5. Artyukhov M.Yu. Opyt sozdaniya sistemy lokal'noy videonavigatsii dlya podvodnykh
apparatov. Tekhnicheskoe zrenie v sistemakh upravleniya mobil'nymi ob"ektami [Experience
in creating a local video navigation system for underwater vehicles. Technical vision in mobile
object management systems], Tr. nauchno-tekhnicheskoy konferentsii–seminara [Proceedings
of the scientific and technical conference–seminar]. Issue 4, ed. by R.R. Nazirova. Moscow,
2011, pp. 230-245.
6. Liu H.X. Research of Underwater Machine Vision for AUV Recycling Control, 2009.
7. Orlov V.M., Karasik V.E. Lazernye sistemy videniya [Laser vision systems]. Moscow: MGTU
im. Baumana, 2001.
8. Martynov V.L., Krasnopol'skiy V.E., Mal'tsev A.B. Strobiruyushchie lazernye televizionnye
sistemy dlya podvodnykh apparatov [Strobing laser television systems for underwater vehicles],
Sudostroenie [Shipbuilding], 2005, No. 4 (761), pp. 46-482.
9. Hou W.A. simple underwater imaging model, Optics Letters, No. 34 (17), pp. 2688-2690.
10. Horvath H.G., Varju D. Polarized Light in Animal Vision, 2004.
11. Shashar N., Hagan R., Boal J.G., Hanlon R.T. Cuttlefish use polarization sensitivity in predation
on silvery fish, Vision Research, 2000, No. 40 (1), pp. 71-75.
12. Waterman T.H. Reviving a neglected celestial underwater polarization compass for aquatic animals,
Biological Reviews of the Cambridge Philosophical Society, 2006, No. (1), pp. 111-115.
13. Cartron L., Josef N., Lerner A., Mccusker S.D., Darmaillacq A.S., Dickel L., Shashar N. Polarization
vision can improve object detection in turbid waters by cuttlefish, Journal of Experimental
Marine Biology and Ecology, 2013, No. 447 (3), pp. 80-85.
14. Schechner Y.Y., Narasimhan S.G., Nayar S.K. Polarization–based vision through haze, Applied
Optics, 2003, No. 42 (3), pp. 511-525.
15. Schechner Y.Y., Karpel N. Recovery of underwater visibility and structure by polarization
analysis, Journal of Oceanic Engineering, 2005, No. 30 (3), pp. 570-587.
16. Cheng H.Y., Chu J.K., Zhang R., Tian L.B., Gui X.Y. Underwater polarization patterns considering
single Rayleigh scattering of water molecules, International Journal of Remote Sensing,
2020, No. 41 (13), pp. 4947-4962.
17. Hongyuan W., Haofeng H., Junfeng J., Xiaobo L., Weihong Z., Zhenzhou C., Tiegen L. Automatic
underwater polarization imaging without background region or any prior, Optics Express,
2021, No. 29 (20), pp. 31283-31295.
18. Fei L., Yi W., Pingli H., Kui Y., Lu B., Xiaoepeng S.. Polarization–based exploration for clear
underwater vision in natural illumination, Optics Express, 2019, No. 27 (3), pp. 3629-3641
19. Chang P., Flitton J., Hopcraft K/, Jakeman E. Improving Visibility Depth in Passive Underwater
Imaging by Use of Polarization, Applied Optics, 2003, No. 42 (15), pp. 2794-2803.
20. Tianci Li, Jianli Wang, KainanYao. Visibility enhancement of underwater images based on
active polarized illumination and average filtering technology, Alexandria Engineering Journal,
2022, No. 61 (1), pp. 701-708.
Опубликован
2022-08-09
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ II. АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ