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大作业分数:

指导教师：

大作业

课程名称： 水下目标探测与识别技术 院 （系）： 船舶工程学院 班 级： 姓 名： 学 号：

年 月 日

《水下目标探测与识别技术》大作业

得分 一、简答题（共50分）

1、影响水下声学成像的因素有哪些？影响水下光线传输的因素有哪些？（此题6分）

（书写答案用宋体四号字）

2、合成孔径声纳的工作原理是什么？试证明：合成孔径系统的方位向分辨率与目标距离和成像频率无关。（此题5分）

SAS利用小孔径声纳阵列，通过对各个方位的回波信号进行相应的处理，合成得到等效的虚拟大孔径，从而获得目标区域的高分辨成像。利用小孔径基阵的移动来获得移动方向（方位方向）上大的合成孔径，从而得到方位方向上的高分辨率。实用过程中的合成孔径长度由波束宽度决定，如

，其中，D为基阵孔径。即可以得到条带式合成

孔径系统的分辨率为和成像频率无关

，成孔径系统的方位向分辨率与目标距离

3、水下平行双目视觉系统测距的原理是什么？选择长基线可能带来那些问题？（此题5分）

答：双目测距主要是利用了目标点在左右两幅视图上成像的横向坐标之间存在的差异，双目摄像机呈光轴平行地放置，间距即基线长为b，己知两个摄像机的焦距均为f。

目标物在两个摄像机的CCD平面上成的像点出现在不同位置上，即对应着不同的像素，这个像素差就称为视差d。用D表示单个像素的尺

寸，运用几何光学原理可推导出求距离r的公式

长基线会引起下面两个问题:

。

引起双目系统联合视域缩小。随着基线的增加，区域离双目摄像机会

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《水下目标探测与识别技术》大作业

越来越远，使这个距离内的目标不可见。换用大视角镜头可以克服这个难题，但同时大视角镜头又会引发严重畸变等其他问题。 增加立体匹配的难度。两个摄像机分别从不同角度观察同一目标，所以观察到的目标有轻微不同，当基线加长，两摄像机观察到的目标的差异增大，两幅图像的相关性下降，导致立体匹配更加困难。 4、基于距离选通的水下偏振光成像系统的原理是什么？（此题8分） 脉冲激光器发出的光通过起偏器，再经扩速镜后，变为线偏振光，照射到水槽中物体的表面。CCD前放置一个光开关，设定延时时间，用同步控制装置控制光开关的开启和关闭，开启时间是激光器脉宽的1~2倍。与目标处于同一位置的水粒子散射光即使通过光开关，因粒子的散射光和目标的反射光的退偏度不同，通过调整检偏器的角度，可把水粒子散射光滤除。 因此，进入探测器的光大部分都是带有目标信息的反射光。

5、以深海热液喷口为例，描述水下机器人探测深海热液喷口的工作模式。（此题5分）

答：第一层：在非浮升羽状流层进行探测，250米的高度处，规划的路径是割草机式网状搜索，目标是探测最可能的喷口区域。 该机器人携带有多个传感器，如：温盐深传感器（CTD）、光学和声学传感器、流速传感器以及电化学传感器等。

其通过采集到的信息如：温度异常，光学反向散射变化、电化学氧化还原反应、和垂向流体速度异常进等进行研究。

第二层: 在第一层的可疑区域下潜，在约30米的高度处探测浮升羽状流，并且绘制声学地图和地磁地图；

第三层: 经过前两层的分析，继续下潜到第三层，约5米的高度处进行仔细的观测，拍照，并最终确定深海热液喷口源头。 6、简述几种基于边缘检测的分割方法（Roberts、Sobel等）。Canny判断边缘提取算子性能优劣的三个准则是什么？基于最大类间方差法的图像分割如何实现？（此题9分）

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《水下目标探测与识别技术》大作业

答：Roberts算子：

Sobel算子：

Prewitt算子：

Canny判断优劣准则 （1）信噪比准则

当检测图像边缘时尽量使输出的信噪比最大，同时做到不误检又不漏检。

边缘提取的质量高低与信噪比数值成正比； （2）定位精度准则

尽可能的使边缘检测定位准确，也就是说处理后的边缘点距离实际边缘点越近，那么输出的图像的边缘位置定位精度就越高； （3）单边缘响应准则

结果是输出的边缘是由单像素宽度组成，那么就要求通过运算求得的边缘点与图像实际的边缘点能够唯一对应起来。

基于最大类间方差法的图像分割实现方式：该方法是在判决分析的基础推导出来的，是一种自动的无参数无监督的闽值分割方法。它是基于一维灰度直方图，且计算简单的一种阐值分割方法，应用于图像直方图有双峰但无明显波谷或双峰和波谷都不明显的情况，最佳阈值对于类间方差最大的灰度值，以得到较好的分割效果。

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设一幅图像的灰度范围为[0，L-1]（1

C1对应的概率和均值为

C2对应的概率和均值为：整幅图像的均值为：类间方差为：

使最大的T值为最大类间方差法的最大阈值。

7、水下目标自动识别的难点有哪些？简述几种常用的几何特征参量？（此题6分）

（1）各种噪声污染。因为水声信道存在的多普勒频移，多途径，传播过程有损失，信道起伏，伴有混响等许多干扰，还有传播媒介自身的随机性以及变化的散射反射面参数，同时不能忽视海底环境噪声的存在，因此水声图像通常成像质量较差，中间含有大量的噪声。 （2）设备分辨率低。通常水声测量设备的分辨率相比于其他成像设备分辨率较低，造成的后果就是在目标单一时，通常只能获得该目标的大体轮廓而不能得到很好描述目标特点的几何特征，在目标众多时，一些相似度较高的目标得到的成像也大体相似，很难轻易区分出相互间的轮廓特征等差异。

（3）不完整的目标边缘。由于物体都具有反射声波的性质，以及噪声干扰的影响，所以常常造成目标物体的边缘成像不全、模糊，如果图像的残缺比较大或者受到噪声干扰比较严重时候，后续的识别处理工作将很难运行下去。

8、适用于图像识别领域的特征有哪些？简述实现水下目标跟踪的三个模块及其作用。（此题6分）

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(1)通过数学变换获得的系数特征：对目标图像运用各式各样的数学变换，例如离散余弦变换、小波变换、傅立叶函数变换等，数学变换后，系数可以提取出来作为该目标图像的特征。

(2) 图像的表面特征：包括图像的边界、形状样子、纹理粗细、区域和整体轮廓等，这些特征比较容易从图像中提取出来，因为都具有鲜明的物理意义。

(3)矩阵特征：由于数字图像采用的是数据量的表达方式，因此可以用矩阵来代表图像，变为矩阵后可以把许多数学中的代数变换已经矩阵知识中的各自矩阵分解用于矩阵。例如K-L 变换及时用协方差矩阵的本征矢量空间作为空间基底的一种代数方法的特征提取。由于矩阵的奇异值分解拥有几何不变性这样的特质，所有也可以作为图形特征。

（4）图像的统计学特征：包括图像矩特征，有关灰度的直方图特征，矩特征还分为旋转矩、复数矩、正交矩、Hu矩的快速算法。几种算法都在现在的图像特征选取中有很多应用。 三个模块及作用：

（1）目标检测模块（2）目标匹配模板（3）目标运动估计模块 目标检测模块判断图像序列中运动目标是否存在，描述目标的形状特征（如运动目标的位置，目标外接矩形的大小）：

目标匹配模板寻找运动目标在图像序列各帧中的对应关系，确定目标的运动轨迹；

目标运动估计模块利用Kalman滤波器预测检测运动目标在下一帧中可能处于的位置，确定目标搜索范围。

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《水下目标探测与识别技术》大作业

二、实践题（共50分）

作：1）将图像转化为灰度图，显示其灰度直方图；

2）进行灰度尺度规整，规整至512像素×512像素，并显示图像； 3）分别利用灰度均衡化和对比度增强两种方法进行图像预处理，给出增强后的图像及所对应的直方图。（此题18分） 1）

得分 1、自选一幅水下图像，利用MATLAB的图像处理工具包实现以下操

2）

3）

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《水下目标探测与识别技术》大作业

2、自选一幅水下图像，利用MATLAB的图像处理工具包实现以下操作：1）至少添加两种噪声，给出加入噪声后的图像，并附上噪声种类和参数；

2）自选滤波增强算法进行图像滤噪预处理；

3）计算去噪之后图像的均方误差（MSE）及峰值信噪比（PSNR）（此题18分）

1）高斯噪声方差0.01，椒盐噪声密度0.05

2）

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《水下目标探测与识别技术》大作业

3、自选一幅水下图像，利用MATLAB的图像处理工具包实现以下操作：

1）运用不少于两种边缘检测方法获得水下图像的边缘轮廓，给出检测结果，并附上所选的边缘检测方法种类；

2）运用最大类间方差方法实现水下图像的阈值分割方法，获得二值图像，并显示图像。（此题14分） 1）carry算子

sobel算子

2）

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