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-----------------赵璞
基于 Monte Carlo 方法的水下光学成像 MTF 研究
摘要
21 世纪世界经济和科学发展迅速,人们对海洋的开发进入一个新纪元,海
洋经济对整个世界经济的影响越来越大,海洋科技所占的比重也越来越大,发扬
科技的发展成为衡量国家综合实力的新的重要指标。我国海岸线长达 18000 多公
里,海洋经济已开始被纳入国民经济发展规划,目前我国海洋事业的发展已走向
全面开发利用的阶段。如何更好的开发海洋资源成为了众人瞩目的新课题。
海洋资源的开发离不开水下成像技术,随着光学成像在水下的应用,学者们
对水下光学的研究也越来越深入,有很多用于水下探测的系统被开发出来。这些
系统已经很好的提升了水下成像的质量,但是图像的失真、退化现象还是存在。
所以我们有必要深入了解水下光的传播过程,对图像的退化原因和复原方法进行
研究。
本文首先介绍了水下光学成像技术、光在水中传播的研究背景和国外的发展
现状,以及现在人们对水下光学成像 MTF 的研究进度。概括介绍水下光学的基
础理论、光在水中的散射理论、光在水中的辐射传输理论以及水下光学成像原理,
为下文的研究介绍做了铺垫。为了更好的研究水下光学,最好的方法是可以模拟
光子水下的传输,通过 Monte Carlo 方法,抽象出光子在水下运动的模型,从一
个光子的运动出发,模拟整个光束在水下的传输,进行建模分析。通过 Monte
Carlo 方法以及 Mie 散射理论,并对散射相位函数应用了 H-G 方程近似,完成了
水下光子传播过程的模拟,并通过模拟的结果加上研究出的抽象模型,得到了
MTF 的计算方法。研究水下光学成像调制传递函数(MTF)的目的主要是了解
水下图像退化的原因,并用 MTF 对退化后的图像进行恢复,这是非常实用的理
论。通过对 MTF 的仿真得出了 MTF 与空间角频率、目标距离的关系,并进行
了总结。最终得到结论:随着角频率的增加 MTF 值迅速下降;在角频率相同的
情况下,衰减距离倍数越高,MTF 越小。作为对 MTF 的利用以及对本文 MTF
算法的验证,本文提出了一种利用 MTF 进行水下退化图像的处理方法,主要为
去噪和 MTF 拉伸两个步骤,最终得到了较为合理的结果。
I
关键词: 水下光学成像;Monte Carlo 方法;MTF;PSF;图像复原;
II
Research of underwater optical imaging based on the
Monte Carlo method
Abstract
In the 21st century, the economy and science of the world has developed rapidly.
The ocean and ocean economic impact on the world economy is a new area. The
proportion of Marine science and technology is ing more and more important.
Promoting the development of science and technology as a new important index of
measuring prehensive strength. The coastline of China is more than
18000 kilometers. Marine economy has started to be incorporated into the national
economic development plan, at present our country the development of ocean has
towards the stage prehensive development and utilization. How to reasonable
use of Marine resources has e a new topic.
Marine resources development cannot leave the underwater imaging technology,
with optical imaging applications in water, the scholars of underwater optical research
also more and more deeply,