Перенос изображения через взволнованную водную поверхность: физическое моделирование - Автореферат

Происходящий в наше время процесс освоения Мирового океана определил в последние годы бурное развитие средств наблюдения за подводными объектами. Это, прежде всего, изучение Мирового океана как источника естественных материальных ресурсов, необходимых для жизни человека, поиск и разработка месторождений нефти, газа, железных руд и других полезных ископаемых, богатейшие запасы которых накопленных в море; обнаружение загрязнений толщи моря; рыбный промысел, изучение и добыча биологической продукции моря, в частности, морских водорослей, кораллов. Системы наблюдения используются также при строительстве подводных сооружений, для поиска затонувших кораблей, мин, торпед и подводных лодок, при аварийно-спасательных работах и в целом ряде других работ и научных исследований Мирового океана. Когда время, за которое формируется изображение (время накопления сигнала), невелико (гораздо меньше периода поверхностного волнения), а именно так обстоит дело в реальных средствах наблюдения, установленных на авиа-носителях, структура таких мгновенных изображений может сильно отличаться от структуры наблюдаемого объекта. Наиболее полное и последовательное изложение теории видения морского дна через взволнованную поверхность при естественном освещении, устанавливающей зависимости характеристик изображения от параметров системы видения, состояния поверхности и первичных гидрооптических характеристик (ПГХ) и представляющей рекомендации по оптимальной траектории полета авиа-носителя по отношению к положению Солнца и направлению ветра, содержится в монографии [1].Установка оборудована двумя осветителями - для освещения снизу диффузным светом тест-объектов, размещенных под днищевым иллюминатором, и для освещения поверхности воды параллельным пучком света сверху. Синхронное измерение уровня в нескольких фиксированных точках, позволяет вычислить не только спектр возвышений волнения, но и спектр, а также функцию распределения уклонов. В параграфе 2.1. исследовалась зависимость параметров распределения уклонов от скорости воздушного потока для определения интервала скоростей воздушного потока, при которых дисперсия уклонов волнения линейно связана со скоростью ветра, так же как и в распределении Кокса-Манка. В параграфе 2.3 приведены алгоритмы и результаты расчета оценок вероятностных характеристик уклонов, полученных по данным контактных измерений возвышений синхронно в четырех точках и измерений уклонов оптическим методом. Были получены изображения синусоидальной миры при наблюдении через четыре варианта искажающей среды: 1 - водопроводная вода без волнения; 2 - водопроводная вода с волнением; 3 - водопроводная вода с добавлением рассеивающей среды (молока) без волнения; 4 - то же с волнением.

Краткое содержание диссертации

1. Усовершенствована лабораторно-модельная установка (ЛМУ) для изучения переноса излучения и изображения через взволнованную водную поверхность.

2. Разработана конструкция многострунного контактного волнографа и алгоритмы и программы для синхронной регистрации и обработки данных. Проведены несколько серий наблюдений возвышений взволнованной поверхности контактным волнографом и проведены расчеты их вероятностных характеристик.

3. Разработана методика регистрации уклонов ветровых волн оптическим методом. Проведены измерения уклонов поверхности в точке и вычислены оценки функции распределения уклонов волн и ее моменты.

4. Выполнена аппроксимация дисперсионного соотношения, рассчитанного по данным контактных измерений. Создана имитационная модель движущейся волны.

5. Экспериментально исследованы ЧКХ взволнованной поверхности, воды и системы (вода поверхность). Результаты экспериментов подтвердили теоретические соотношения между этими характеристиками и могут рассматриваться как один из критериев надежности моделирования.

6. Разработан метод восстановления искажений изображения основанный на синхронном получении с помощью цифровой камеры, совмещенных: бликовой картины поверхности и мгновенного искаженного изображения. Обработка бликовой картины позволяет определить уклоны поверхности в ограниченном числе точек, а по этим уклонам восстановить фрагменты изображения. Полное скорректированное изображение формируется накоплением частично скорректированных фрагментов.

7. На имитационной модели волнового процесса в бассейне исследованы методы восстановления изображения для случаев, когда известно распределение уклонов по всей поверхности и когда уклоны известны в бликовых точках и коррекция выполняется за счет накопления фрагментов изображения.

8. Проведены серии наблюдений искажений изображения разных тестовых объектов, различной длительности, с различными параметрами регистрации и для различных условий освещения. Выполнена коррекция наблюденных изображений по предложенному методу. Для каждой серии рассчитаны ЧКХ восстановленных изображений и проведено сравнение с ЧКХ поверхностного волнения, рассчитанному по накопленному изображению. Качество восстановленного изображения значительно превышает качество искаженного изображения и близко к изображению объекта, полученному через гладкую поверхность воды.

Список опубликованных работ по теме диссертации

Труды конференций

1. Osadchy V., Levin I., Savchenko V., Frantsuzov O. (2000). Laborotory-modelling installation for study of light and image transfer through wavy water surface, Proceedings of 5 Workshop on Physical Processes in Natural Waters, (pp. 68-71). Irkutsk: RAS.

2. Левин И.М., Осадчий В.Ю., Савченко В.В., Французов О.Н. (2000). Лабораторная установка для изучения переноса излучения и изображения через взволнованную водную поверхность, Международная конф. «Прикладная оптика 2000». 1, pp. 195-196.

3. Savtchenko V., Frantsuzov O., Sergel O. (2001). Dispersion relation for short gravity and capillary waves. Proceedings of the International Conference "Current Problems in Optics of Natural Waters" (ONW"2001), I. Levin and G. Gilbert, Editors, Proceedings of D.S. Rozhdestvensky Optical Society, St. Petersburg, Russia, pp.201-204.

4. Osadchy V., Levin I., Savtchenko V., Frantsuzov O. (2001),. Contrast and image transfer through wave-roughened water surface: a laboratory study. Proceedings of the International Conference "Current Problems in Optics of Natural Waters" (ONW"2001), Iosif Levin and Gary Gilbert, Editors, Proceedings of D.S. Rozhdestvensky Optical Society, St. Petersburg, Russia, pp. 188-193.

5. Осадчий В.Ю., Левин И.М., Савченко В.В., Французов О.Н. (2002). Лабораторное исследование переноса излучения и изображения поверхностью воды, покрытой высокочастотным ветровым волнением, Труды международного симпозиума стран СНГ “Атмосферная радиация” (МСАР-02). (стр. 140-141). СПБ.

6. Левин И.М., Осадчий В.Ю., Радомысльская Т.М., Савченко В.В., Французов О.Н. (2002). Теоретическое и экспериментальное исследование проблемы дистанционного зондирования и видения дна, взволнованной поверхности и поверхностных загрязнений. Материалы Юбилейной Всероссийской научной конференции «Фундаментальные исследования взаимодействия суши, океана и атмосферы». (стр. 33-34). Москва: МГУ

7. Levin I., Frantsuzov O., Osadchy V., Radomyslskaia T., Savtchenko V. (2003). The instrument for in situ measurement of attenuation coefficient in coastal waters. Proceedings of the II International Conference "Current Problems in Optics of Natural Waters" (ONW"2003), Iosif Levin and Gary Gilbert, Editors, Proceedings of D.S. Rozhdestvensky Optical Society,St. Petersburg, Russia, pp. 284-288

8. Левин И.М, Французов О.Н., Осадчий В.Ю.Р., Радомысльская Т.М., Савченко В.В., Зеленский В.В., Колобков В.С. (2004). Погружаемый прибор для измерения показателя ослабления в прибрежных водах. Сборник трудов VI международной конференции «Прикладная оптика». Санкт-Петербург, стр. 462-463.

9. Savtchenko V., Osadchy V, Frantsuzov O. (2005). Retrieval of the image distorted by the rough sea surface. Proceedings of the International Conference "Current Problems in Optics of Natural Waters" (ONW"2005), Iosif Levin and Gary Gilbert, Editors, Proceedings of D.S. Rozhdestvensky Optical Society, St. Petersburg, Russia, pp.369-371.

10. Осадчий В.Ю., Левин И.М., Савченко В.В. (2006).Экспериментальные лабораторные исследования флуктуаций светового поля, трансформированного взволнованной водной поверхностью. Международный симпозиум стран СНГ "Атмосферная радиация" (МСАР-2006), С-Пб, с. 126-127.

11. Осадчий В.Ю., Левин И.М., Французов О.Н., Савченко В.В. (2006). Лабораторная установка для исследования переноса изображения через взволнованную водную поверхность, Труды 7-ой международной конференции «Прикладная Оптика - 2006».том 3, СПБ. стр. 304-308

12. Савченко В.В. (2008). Оценка передаточной функции взволнованной поверхности по данным эксперимента на лабораторно-модельной установке. Труды VIII Международ. конференции «Прикладная оптика-2008», Санкт-Петербург, т.1, стр. 102-106.

13. Osadchy V. Ju., Savchenko V. V., Levin I. M., Frantsuzov O.N., Rybalka N.N. (2007). Correction of image distorted by wavy water surface: laboratory experiment, Proceedings of the IV International Conference "Current Problems in Optics of Natural Waters" (ONW"2007), N. Novgorod, pp. 91-93.

14. Савченко В.В., Осадчий В.Ю., Левин И.М. (2008). Эксперимент по компенсации искажений изображения подводного объекта, вызванных поверхностным волнением. Труды 9 Международной конференции "Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики", Санкт-Петербург, c. 363-366.

15. Савченко В.В. (2008). Оценка передаточной функции взволнованной поверхности по данным эксперимента на лабораторно-модельной установке. Труды VIII Международ. конференции «Прикладная оптика-2008», Санкт-Петербург, т.1, стр. 102-106.

Статьи в рецензируемых научных сборниках: 16. V. Osadchy, V. Savtchenko, O. Frantsuzov, N. Rybalka, Image transfer through a rough water surface: laboratory experiments. In: Current Research on Remote Sensing, laser Probing, and Imagery in Natural Waters, edited by I.M.Levin. G.D. Gilbert, V.I. Haltrin, and C. Trees. Proceeding of SPIE Vol. 6615, 2007, 66150M (8 pages).

Статьи в изданиях, входящих в Перечень ВАК

17. Осадчий В.Ю., Левин И.М., Савченко В.В., Французов О.Н. (2004). Лабораторно-модельная установка для исследования переноса излучения и изображения через взволнованную водную поверхность. Океанология , 44 (1), 154-159.

18. Савченко В.В., Осадчий В.Ю., Левин И.М. (2008). Коррекция изображений подводных объектов, искаженных поверхностным волнением. Океанология, 48 (5), 28-31.

19. Levin I., Savchenko V., Osadchy V. (2008) Correction of an image distorted by a wavy water surface: laboratory experiment. Applied Optics, 47 (35), 6650-6655.

Цитированная литература

1. Dolin L., Gilbert G., Levin I., Luchinin A. (2006). Theory of imaging through wavy sea surface (monograph). N.Novgorod: Institute of Applied Physics.

2. Вебер В.Л. (2005). Наблюдение подводных объектов через бликовые участки морской поверхности. Известия вузов, Радиофизика , 48 (1), 38-52.

3. Долин Л.С., Лучинин А.Г., Турлаев Д.Г. (2004). Алгоритм восстановления изображений подводных объектов, искаженных поверхностным волнением. Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана , 40 (6), 842-850.

Размещено на .ru