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。

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0 前言

1 绪论

1.1 水下光学成像技术

1.2 光在水中传播研究现状

1.3 调制传递函数

1.4 本文主要研究内容

２ 水下光学成像理论基础

2.1 水体的固有光学特性

2.2 光在水中传输的散射理论

2.3 光在水中的辐射传输

2.4 水下光学成像原理

2.5 水下图像对比度和信噪比

2.6 本章小结

３ 蒙特卡罗方法介绍

3.1 蒙特卡罗方法概述

3.2 Monte Carlo方法的根本思想

3.3 Monte Carlo方法的步骤和特点

3.4 Monte Carlo方法模拟光子在海水中的传输

3.5 本章小结

４ Monte Carlo方法光的传播模拟

4.1 Monte Carlo模拟流程

4.2 模拟的计算过程

4.3 模拟实验

4.4 本章小结

５ PSF、MTF计算与模拟

5.1 PSF、MTF数值计算方法介绍

5.2 PSF、MTF模拟实验

5.3 本章小结

６ MTF图像复原

6.1 图像质量退化原理

6.2 基于 MTF理论的图像复原

6.3 图像复原实例

6.4 本章小结

７ 总结与展望

参考文献

致谢

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