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水下浮游生物图像实时采集系统研究 摘要 海洋浮游生物在整个海洋生态结构组成中起着重要的作用，其生物多样性和 生物量对整个海洋生态系统的结构和功能产生重大影响。浮游生物种群结构变化 对整个海洋食物链中的生态结构以及传递到深海的有机物质通量都产生重要作 用。浮游生物在时空分布的退化，是导致其他海洋生物种群数量下降的一个重要 因素。因此，对于浮游生物的生物量、种群结构、群落多样性、地理分布及生理 变化的研究，在生态环境保护与海洋资源可持续利用中是非常重要的一环。 浮游生物生活在三维立体海水中，对它们的繁殖、生长周期和消亡过程变化 的观测需要高空间分辨率和大时间尺度的水下监测技术。传统的浮游动物生物量 调查方法采用人工生物拖网采集，然后依靠手工分析、统计，需要花费大量的时 间，并且所考察的空间分辨率达几米或几十米，难以满足当今的浮游生物研究需 要。水下光学成像监测技术可以提供高分辨率的浮游生物水平和垂直范围内的分 布和丰度信息，这无疑提高了水下观测的效率和准确性。 本文根据我国水下浮游生物在现场实时可视化监测技术方面存在较大 差距的现状，设计了一种海洋浮游生物图像采集系统样机。利用普通变焦镜 头和2 倍增倍镜加5 0 舢近摄接圈的组合镜头，设计了一个放大倍率为0 7 5 9 ， 成像距离为5 0 2 m m ，视场范围为1 2 5 姗9 5 姗，景深为5 7 c m 的水下成像系统。 本文针对海洋水下观测仪器的应用需求，对系统的软硬件模块进行了选型与 集成，构建了基于p c 1 0 4 一p l u s 总线结构、图像分辨率为1 3 9 0 像素1 0 3 7 像素、 采集速率为1 5 帧秒、最大功耗为2 4 9 6 w 的嵌入式图像实时采集系统，并对数 字图像采集系统性能进行了评估。 针对海水的光学特性对水下成像的影响，本文还进行了不同角度的发光二极 管光源照明试验，为获取高对比度的浮游生物图像提供了依据。 利用所构建的浮游生物图像采集系统，对所研制的样机进行了实验室水槽模 拟试验，通过试验验证了系统在水下应用的可行性。 本文所设计的水下浮游生物图像采集系统样机，为后续的数字图像分析与浮 游生物种类识别与研究建立了基础。 关键词：海洋浮游生物；p c 1 0 4 一p i u s 结构；光学成像；图像采集；暗视场照明； s t u d yo fm a r in epia n k t o ni m a g ec a p t u r es y s t e mjnr e al tim e a b s t r a c t m a r i n ep l a n k t 9 np l a y s a ni m p o r t a n tr o l ei nt h ew h o i em 撕n ee c o s y s t e m t h e b i o l o g i c a ld i v e r s i t ya n db i o m a s so fp l a l l h o nh a v eas i g n i f i c a n ti m p a c to nt h ee n t i r e m 疵ee c o s y s t e ms t m c t u r ea 1 1 d f u n c t i o n t h es t 】m c t u r a l c h a n g e s i 1 1 p l a i 止t o n p o p u l a t i o n sp l a yas i g i l i f i c a n tr o l ei i l 吐l ee n t i r em a r i n ef o o dc h a j no ft h ee c o l o g i c a l s t m c t u r ea r l dt h en u xo fo 曙a i l i cm a t t e rd e l i v e r e dt ot h ed e e p - s e a t h ed e 舒a d a t i o no f t e m p o r a la n ds p a t i a ld i 嘶b u t i o no fp l 砌渤ni sam a i nf a c t o rt ot h ed e c l 毗o f o t h e r m a r i l l el i f e s om ec h a n g e so fp l a l l k o nb i o m a s s ，p o p u l a t i o ns 仃u c t u r e ，c o m m 吼i 够 d i v e r s i 吼g e o g r a p m cd i s t r i b u t i o na i l dp h y s i o l o g yh a v ev i t a li l l f l u e n c eo ne c o l o g i c a l a i l de n v i r o m e n t a lp r o t e c t i o na i l dt 1 1 ec o n t i n 瑚【b l ed e v e l o p m e n to fm a r i i l ee c o n o m i c s u n d e r w a t e rm o n i t o r i n gt e c h n i q u e s 晰ml l i 曲s p a t i a lr e s o l u t i o na n dt i m es c a l ea r e n e e d e dt oo b s e r v et h ec h a l l g e si nt h ep r o c e s so fp l a i l k t o nr 印r o d u c t i o n ，笋o w c l la 1 1 d d e m i s ec y c l e t i 丽i t i o n a 】m e t l l o d sf o rp l a m ( c o nb i o m 2 l s ss u r v e ya r eu s i n gt h eb i o 一仃a w l 、) ，i t hm a l l u ma 1 1 a l y s i s ，s t a t i s t i c si n1 a b sw l l i c hc o s t sa1 0 to ft i m e 叻es p a t i 出r e s o l u t i o n o faf e wm e t e r so rt e n so fm e t e r so ft 1 1 et r a d i t i o n a lm e t h o d sc a | 】tm e e tt h e r e q u i r e m e n t so ft o d a y sp 1 戤1 l ( t o nr e s e a r c h u n d e r w a t e ro p t i c a li m a 西n gt e c l l l l o l o g y c a np r o v i d et h ei 幽r n l a t i o n 、涮 1 i 1 1t h es c o p eo f h o 打z o n 训a i l dv e n i c a ld i s 鼢u t i o n a i l da b u l l d a n c eo fp l a n k t o nw i t l l1 1 j 曲- r e s 0 1 u t i o n ，d l i c hl n l d o u b t e d l yi n l p r 0 v e st h e e 珩c i e n c ya n da c c a c yo fu 1 1 d e r w a t e ro b s e a t i o n a st h e r e saw i d eg a p 埘t hd e v e l o p e dc o u n t 巧o nm em o l l i t o r i n gp l a i l k o ni ns i t u a 1 1 dr e a l t i m e ，ap r o t o t y p eo fp l a n l ( t o ni m a g ec 印t u r es y s t e mh a sb e e nd e s i g i l e d a n c o m b i n a t i o no fe x t e n d e ra i l de x t e n s i o nt u b eh 2 l sb e e nm a d et of o ma ni m a g es y s t e m w i t h m a g n i f i c a t i o n o f 0 7 5 9 ， o b j e c t d i s t a n c eo f5 0 2 m m ，f i e i do fv i e wo f 12 5 m m 9 5 m m ，d e p t l lo ff i e l do f5 7 c m ，t h es i z eo fp ia i ：l 王( t o n 也a tc a nb em o l l i t o r e d b e 铆e e n3 0 3 “ma i l d15 4 9 删m i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e m so fs m a ns i z e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，b j 曲 r e s o l u t i o nf o rp l a r 墩t o nm 0 1 1 i t o r i n gi ns i t ua 1 1 dr e a lt i m e ，a ne m b e d d e di m a g ec 印t l l r e s y s t e mb a s e do np c 10 4 - p l u sh a sb e e nd e s i g n e d h a r d w a r ea n ds o f h a r ef o rt h e s y s t e mh a v eb e e nc h o s e na n dn e 铲a t e d t h ei m a g er e s o l u t i o nc a p t u r e d i s13 9 0 p i x e l 10 3 7 p i x e l t h ec a p t u r es p e e di s 156 锄e sp e rs e c o n da n dt h em a x i m a lp o w e r c o l l s 岫p t i o ni s2 4 9 6w a 位 l i g h ti 1 1 啪i n a t i o no fd i 疏r e ma n 酉e sh a sb e e ne x p e 血n e n t e di no r d e rt or e d u c e m ei n n u e n c ec a u s e db yt h eo p t i cc h a r a c t e r so ft 1 1 es e aw a t e r t h er e s u l t sh a v e p r o v i d e da b a s i so no b t a i r 血唱k g h c o n 舡a s ti m a g e so fp l a r 龃o n s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t so fp l a 矗i ( t o ni m a g ec 印t u r ei naw a l e rv e s s e l i nl a b sh a v e b e e nd o n et o t e s tt 1 1 es y s t e md e s i 印e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt l l es y s t e m d e s i g l l e di sc 印a b l et og e tc l e a ri 1 1 1 a g e so fp 1 锄n o n t h ep r o t 啊p eo fm a r i n ep l a n 虹o ni m a g ec a p t u r es y s t e md e s i 弘e di nm et h e s i s m 妞：sm e o r e t i ca n dp r a c t i c a lf o u i l 跏o nf o rr e s e a r c ho np l 幽nq u a m i 吼 d i s t r i b u t i o na i l di d e l l t i f i c a t i o n k e yw o r d s ：m a r i n ep l a n k t o n ；p c ，1 0 4 一p i u ss t r i l c t i i r e ；o p t i c a l i m a g i n g ；i m a g e c a p t l l r e ；d a r kf i e i di i l u m i n a t i o n 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 篷；垫遗直墓焦盂薹挂剔童盟数! 奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：l 习晕1 虱 签字日期：沙f y 年口f 月p o 曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：1 日事1 豸 签字日期：训年口5 月d 3 日 导师签字：彳彩步 签字目期：卅年歹月哆日 水下浮游生物图像实时采集系统研究 1 绪论 1 1 研究背景 在当前陆地资源逐渐匮乏，世界各国瞄准发展海洋经济的大背景下，海洋环 境和生态资源正受到各种人类活动和自然因素的严重影响。譬如，海洋环境污染、 渔业过度捕捞、生物栖息地被破坏、外来物种入侵、全球变暖、海平面上升、厄 尔尼诺现象、大气中的臭氧洞扩大等全球性重大环境变化，都在影响着海洋生态 系统的结构。与此同时，海洋生态系统所发生的各种变化，对人类开发利用海洋 资源、发展海洋经济如渔业捕捞、海水养殖及滨海旅游等产业经济也产生影响， 进而制约沿海生态安全和海洋经济的可持续发展n 3 。 海洋生态系统是一个复杂多变的系统，海洋生物对人类具有巨大的经济和公 益价值。在海洋生态系统的结构和功能中，海洋浮游生物占有极其重要的位置。 海洋浮游生物是一个庞大而复杂的生态类群，主要由属初级生产力的浮游植物和 属次级生产力的浮游动物组成。浮游生物的生物量、种群结构、群落多样性、地 理分布及生理变化对海洋食物链结构变化、海洋物质循环的生物泵作用、生物地 球化学循环影响、整个海洋生态系统结构和功能变化、甚至全球气候变化都起着 重要的作用。随着对浮游生物在海洋生态系统变化、海洋生物地球化学和海洋环 境研究中所起作用的深入认识，海洋浮游生物研究在当今海洋科学研究中已日益 引起各国科学家的重视，近年来形成了一些新的全球性研究计划，如海洋生物地 球化学和海洋生态系统整合( i n t e g r a t e dm a r i n eb i o g e o c h e m i s 时a i l de c o s y s t e m r e s e a r c km b e r ) 、全球有害藻类的生态学与海洋学( t h eg l o b a le c o l o g ya n d o c e a n o 酉a p h yo fh a r m f u la l g a lb l o o m s ，g e o h a b ) 、全球海洋生态系统动力学 ( g l o b a lo c e a i le c o s y s t e md y n 锄i c s ，g l o b e c ) 等。 海洋浮游生物研究是一门以观测为基础的学科，其研究水平和学术思想的提 高离不开连续、系统、高时空分辨率的观测数据与资料积累，因此，开展浮游生 物现场探测和实验室观测的新技术、新方法的研究，是开拓浮游生物研究新领域、 获取源头信息、取得原创性成果的重要一环。 传统的浮游生物测量方法采用简单的浮游生物拖网或采集现场水样进行浮 游生物丰度或浮游生物量( 湿重或干重) 检测，这些方法存在许多问题，难以满 足当今的浮游生物研究需要，具体体现在： 拖网反映的是长距离的水平或垂直方向所采集的浮游生物总和，其空间分 辨率在几米甚至几十米，无法体现浮游生物的空间种群分布结构和丰度变化细 节： 拖网很容易损坏一些形体脆弱的浮游生物，譬如水母幼体等，造成在实验 水下浮措生物图像宴对采集系统研究 室内显徽镜下无法识别； 拖网无法反映浮游生物在水下的运动取向、行为特征、以及群体结构之间 的相互关系： 采集的样品需在现场对样品进行固定保存，在实验室制作观测载片，然后 在显微镜下进行辨刹计数，需要消耗大量的人员、时间和财力资源。 光谱检测和现场流式细胞仪技术可以快速进行微藻的分类与计数测量，但是 这些探测方法只局限于能产生特征光谱的浮游藻的监测，不适于菲发光体的浮游 动物检测，并且不能反映浮游生物在水下的运动趋势、行为特征等信息( 如运动 速度、移动轨迹、运动姿态等) 。 水下声学和光学成像监测新技术和新方法的发展，为水下浮游生物监测提供 了新的手段。 声学监测方法利用声纳信号的发射与接收来实现水下浮游生物的实时监铡。 如图卜1 所示，水下声学监测系统首先由主控计算机发送电信号，通过发射转换 器掩电信号转换为声波信号，声波在水中传输，遇到被铡物后，声波被反射回来 并由声纳接收依靠记录的反射声波的强度或频率变化实现检测目标的定性或定 量分析。 图卜l 声学监测示意图 利用声学进行浮游生物探测的优点是声波在水中传播能量损耗小、传播距离 远 测量范围大，可以对浮游生物的丰度、种类数量进行太空间范围的监涮。但 是在海洋浮游生物观测应用中还存在一些不足，譬如，声学方法分辨牢低，通常 为几十厘米，无法进行浮游动物种属的判别：其次难以反映浮游生物的运动姿 态等行为特征等。 水下浮游生物可视化监测技术方法如图卜2 所示，通过光源对目标进行照明t 利用c c d 或c 燃光敏芯片与传统光学镜头结合将目标成像在面阵光电器件上，凭 借快门对光通量进行控制。利用图像采集装置将图像信息存储在存储嚣上，然后 2 水下坪辨生物圈像宴时采集系统研究 利用相关的数字图像处理方法对浮游生物进行分析识别。 图卜2 水下浮游生物可视化监测技术示意图 水下光学成像技术的引入和发展，克服了上述声学探测技术的缺点和不足， 其主要特点有： 直接光谱成像、能提供声学方法所无法获得的高分辨率；非 接触性成像，不会损害浮游生物幼体： 可以连续记录浮游生物的实时图像信息， 便于对其运动姿态等行为特征进行研究；结合数字图像分折方法可以对水体中 “悬浮颗粒一及浮游生物的种群进行自动识别区分，提高浮游生物调查资料的自 动化处理能力。东下光学成像技术的这些特点对于海洋浮游生物时空分布的实 时、自动、快速监测与识别具有重大的实际应用意义。近年来。随着计算机技术、 微电子技术、光电子技术、信息技术等相关学科的迅速发展t 基于光学成像监测 技术及图像自动识别方法在浮游生物研究中开拓了一种全新的浮游生物观测与 分析技术手段，在2 0 0 6 年举行的国际海洋研究会中( s c i e n t i f i cc o 衄i t t e eo n o c e a n i cr e s e a r c h s c 0 r ) ，s c 。r 的海洋生物观涮新技术委员会成立了“海洋浮 游生物可视化自动识别”专项计划研究小组，将光学非接触成像监测技术与自动 识别方法研究列为今后海洋浮游生物探测的重要发展专题- 1 2 水下浮游生物的可视化观测技术 当今信息的快速获取与传输已成为时代发展的一个典型特征，视觉是人类最 重要的信息感知方式，而图像是视觉的基础，随着光电技术和计算机技术的迅速 发展，数字成像及计算机处理匿像的功能越来越强大，基于直观的图形、图像信 息受到了普遍的重视。因此数字图像的获取与处理技术已逐渐成为水下探测的主 体内容之一。 数字成像技术首先需要获取目标的光学成像并通过光电传譬嚣将光学信号 转换为数字电信号，进而形成数字影像。根据获取目标所采取的技术手段，可以 将成像系统分为主动照明成像系统与非主动照明成像系统。所谓的非主动成像系 统是指不需要利用人工光源对被摄物体进行照明，而是依靠被摄物体本身所发的 水下浮游生街图像实舯采集系统研究 光或周围环境光照进行成像的系统；主动照明成像系统需要人工光源对被摄物体 实施照明来进行成像，水下浮游生物可视化监测技术一般采用主动照明成像。 1 2l 水下浮游生物图像实时监测系统的国外研究现状“ 法国巴黎第六大学的g o r s k y 等人于1 9 9 2 年研制的吖p 系统( u n d e r 珊t e r v i d e op r o f i l e r ) ，该系统由h i - 8 摄像机( 最大分辨率为5 1 2 像素x 5 1 2 像素) 、 控制和数据存储单元、电池和照明单元等构成( 图卜3 ) 。照明单元采用的是宽 度为1 5 c m 的条形光源，形成了0 2 8 l 的成像体积范围，该系统校准实验中最小可 以监测的物体尺寸可以达到1 0 0 u m 。局限于当时的成像芯片技术，该系统采用的 相机分辨率较低。 图卜3u 、p 系统 美国伍兹霍尔海洋研究所的c a b e l ld a v i s 等人于1 9 9 2 年研制了水下浮游生 物视频记录系统v p r ( v i d e op 1 卸k t o nr e c o r d e r ) ”( 图卜4a ) 。该系统运 用氙灯光源进行成像照明，利用前向散射光来对几乎透明的浮游生物成像。该系 统同时装备了可以对不同尺寸浮游动物进行成像的相机，能够监测尺寸在 仉2 皿2 0 呷之间的浮游动物( 如水蟪虫、水母等) 。后来，a v i s 等人对v p r 进行了改进，设计制造了v p r “1 ( 圈l _ 4b ) 。该系统配置了高分辨率相机， 工作距离为5 0 c m ，视场为7 珊2 0 衄，系统景深一般可以达到3 c m 8 c m ，可阻 对l m l 3 l m l 体积范围内的浮游生物进行成像。系统照明采用的是2 佣的闶光灯， 通过1ps 的闪光脉冲来进行暗视场照明成像，通过对采集浮游动物图像分析可 以对其数量和种类进行计算和识别。在美国0 l o b b cg o o l g e sb a n kr 晒o l l a l p 删瑚项目中该系统于佐治亚湾地区采集了大量有价值的中型浮游动物图像资 料。州。但是由于该系统照明系统采用的是氙灯照明，功率消耗较大。 水下浮游生物图像宴对采集秉缱研究 也v p r 篇 b v p r 圈卜4v i s u a lp l 锄k t o nr e c o r d e r 系统 由s t r i c k l e r 和h 啪g 于2 0 0 0 年设计的3 dz 0 0 p l a n k t o n0 b s e r v a t a r y 可以采集 浮游动物的三维信息“”。该系统采用了多部相机来对l l 体积范围内的从浮游植 物到鱼类大小的生物进行图像采集，而且可以在实验室内提供浮游动物的行为特 征等有趣信息。 美国路易斯安娜州立大学的d r 陆kb e n f i e l d “州“等人于2 0 0 1 年研制了浮 游动物图像采集系统z o o v i s ( z o o p l a n k t v i s u a l i z a t i o ns y s t 伽) ( 图卜5 ) 。该 系统能够在分辨率高达5 0 pm 的情况下，获得1 2 c m 的视场范围。光照系统为1 2 c m 宽，3 衄高的条形光源，仅对系统景深范围内目标物进行成像照明。 图卜5z 0 0 v i s 系统 由s 锄s o n ，s 等人设计的s i p p e r 渊( s h a d o w e di 啮g ep a r t i c l ep r o f i l e ra 1 1 d e v a l u a t i o nr e c o r d e r ) ，采用丁高速线扫描相机对尺寸从2 0 0 微米到几厘米的海 洋浮游生物进行连续成像。最新改进的s i p p e r 3 ( 图l 一6 ) 的分辨率可以达到小于 1 0 0 p m ，9 6 衄的景深，9 6 珊的观测税场。 水下浮讲生物圈像实时采橐系境研究 掌 图卜6s i p p e r 3 系统 1 2 2 水下浮游生物图像实时监测系统的国内研究现状 由于各种原因，国内在海洋生态环境现场监测技术“”以及浮游生物图像自动 识别方面的研究起步较晚，基础比较薄弱。国家海洋技术中心的徐雷和于连生 ( 2 0 0 3 ) 报道了一种在实验室条件下使用的，利用计算机图像分析技术对显微镜 影像中的夜光藻和杂质进行简单分辨并计数的方法，根据轮廓面积和直径两种特 征进行夜光藻和杂质颗粒的简单区分“”。在开放基金的资助下，中国海洋研究所 和中国科技大学利用z e i s s 数字显微图像采集系统对获取的两种蚤类进行了识别 研究( 杨榕等，2 0 0 6 ) “”。在“十五”国家“8 6 3 ”计划资助下，天津大学课题 组依据圆度、矩形度、扁度和不变矩等形状特征采用树状判别方法对以近于圆形 和椭圆性的夜光藻、扁藻和圆筛藻三种藻类进行识别( 王明时等，2 0 0 4 ) ”。在 国家自然科学基金赍助下，厦门大学高亚辉课题小组借助于显微镜扫描系统采集 海洋硅藻显微图像，开展了对采集的图像进行自动分析和识别研究( 高亚辉等， 2 0 0 6 ) 。这些研究都是在实验室内利用显徽镜成像技术对浮游生物进行的识别 研究，需要首先进行浮游生物样本的采集，不能实现浮游生物的现场监测。 厦门大学焦念志课题小组建立了一种赤潮生物图像实时采集系统，该系统主 要由流式系统和高速o c d 图像采集系统构成，通过蠕动泵来控制海水样品流速，采 用微控制器控制成像曝光时间达到对高速赤潮生物图像的清晰实时采集( 戴君 伟等，2 0 0 6 ) o “。该系统需要使用蠕动泵，进行海水取样，该过程有可能对浮游 生物带来一定损坏：而且该系统所采集的图像仅赤潮藻类等浮游植物的图像未 能对浮游动物进行成像。 国家海洋技术中心的于连生等人报道了一种水下全自动数字显微成像仪1 ， 可以对水中浮游生物进行图像拍摄。该仪器一天可以自动拍摄8 次每次采集两 幅图像，采集图像速率和数量有限，仅可以对高浓度的浮游生物进行现场拍摄， 不能进行水下浮游生物图像的现场实时监测。 1 2 3 课题的提出及目标 综上所述，国内所报道的工作局限于实验室内的数码显微镜系统或图像采集 系统进行分析，在水下浮游生物的可视化监测技术方面研究工作较少，国外所研 究和设计的海洋浮游生物图像采集系统的照明系统大多采用大功率照明器件( 如 水下浮游生物图像实时采集系统研究 氙灯) ，系统功耗较大。 我国拥有3 0 0 万平方公里的管辖海域，浮游生物种类多、数量大，是海洋 生物的主要成员，其研究对渔业生产和海洋科学基础理论都有重要意义。 由于我国陆地资源严重不足，人口压力巨大，海洋已经成为我国经济可持 续发展的重要资源。虽然我国海洋生态环境监测有了较大发展，但是与美 国、法国等国家相比，差距还很大。本课题的指导思想是针对在浮游生物 的现场实时图像采集方面的研究我国还处在起步阶段，结合目前我国制定 的合理使用海域和海洋经济可持续发展的战略目标，进行小型化、低功耗、 高分辨率的海洋浮游生物图像实时采集系统的研究。 本课题将针对海洋浮游生物现场实时观测的应用需求，开展低功耗、小体积、 高分辨率的水下可视化监测系统的研制，探索新的浮游生物成像方法和模块化系 统集成技术，建立海洋浮游生物实时监测系统原型，为我国水下浮游生物图像的 实时采集，数量统计、分布状况等海上生态环境调查提供技术支撑，提高我国在 国际海洋生态环境领域中的竞争力。 1 3 本文结构 本论文安排如下： 第一章为绪论，在分析本课题相关背景的基础上，结合国内外相关技术的发 展现状，提出了本论文的研究意义、研究目标、研究内容，并给出论文的框架。 第二章进行成像系统的光学设计，对系统光源进行选择，对光学成像参数进 行估算，并通过对常规变焦光学镜头与增倍镜和近摄接圈进行组合设计，以满足 对浮游生物进行成像的要求。 第三章介绍水下浮游生物图像采集系统硬件的构建，针对系统体积小、功耗 低、分辨率高的要求，进行硬件模块的选择，并进行系统集成。 第四章为图像采集系统的软件配置，介绍所选的操作系统与图像采集应用软 件，并对应用程序进行相机参数和采集参数设定。 第五章主要内容为针对海水的光学特性，进行水下光源照明角度的对比试 验，以确定光源照明角度；并进行视场、景深试验，以确定系统的成像体积范围 等参数；并对系统进行实验室模拟试验，以检验系统采集图像效果。 第六章总结与展望，给出本文主要研究结论与成果，并对有待于解决的问题 和今后的研究方向进行讨论。 水下浮游生物图像实时采集系统研究 2 水下浮游生物图像采集系统光学设计 2 1 引言 要对水下浮游生物图像进行实时采集，首先要对浮游生物进行光学成像， 因此需要进行浮游生物成像系统的光学设计。由于我们设计的水下浮游生物成像 系统为主动照明成像系统，所以成像系统的光学设计主要包括照明光源的选择以 及依据成像系统的一些主要参数如成像焦距、成像距离、最小成像目标尺寸大小 等进行成像系统光路设计。 本章的主要内容为：首先，依据水下成像常用两种人工照明光源的特点比较， 进行成像系统光源的选择；然后，介绍了光学成像系统的主要参数，如成像镜头 尺寸、镜头焦距、视场、光圈、景深等：最后，针对浮游生物的体型大多比较微 小，使用一般的光学镜头难以在较近的距离得到具有较大放大倍率、清晰的图像， 而使用一些专业微距镜头，价格昂贵，成本太高的特点，通过对光学成像系统的 一些主要参数的理论估算和实验，进行常规光学镜头接增倍镜和近摄接圈的组合 镜头设计，来满足对水下浮游生物成像的要求。 2 2 系统光源选择 光源是图像采集系统的一个重要组成部分，使用光源可以突出拍摄目标的特 征，使其不同部分之间有足够的对比，从而获得清晰度和对比度满足要求的图像。 在设计光源时首先要区分各种光源之间的不同，水下成像常用的光源有l e d ( l i 曲te m i t t i n gd i o d e ) 发光二极管和氙灯光源。 发光二极管瞳3 】 矧是一种冷光组件，它们利用固体半导体芯片作为发光材料， 当两端加上正向电压时，半导体中的载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光 子发射产生可见光。发光二极管是由一族化合物，如g a a s ( 砷化镓) 、g a p ( 磷 化镓) 、g a a s p ( 磷砷化镓) 等半导体制成的娩朝口引。 氙灯心7 1 是充满氙气的柱状灯管，其阳极、阴极直接接触气体。触发电极分布 在灯管外表面，通过玻璃外层传送一个较高的电压脉冲来将灯管内惰性气体离子 化，使其阻抗降至l 欧姆以下，并容许产生高亮度光源的电流在阴极和阳极之 间流动。随着电流脉冲衰减，灯管电压下降，最终再次恢复到高阻状态，等待另 一次触发。 通过l e d 和氙灯的一些特点的比较( 表2 1 ) ，我们选择了高亮度发光二极管 ( l i 曲te m i t t i n gd i o d e ) 作为光源。 承下浮谫生物圈像实时采集系统研究 特点l e d氙灯 结构无玻璃外壳，抗震性好玻璃外壳，抗震性差 体积较小较大 驱动电压低压( 1 8 2 4 伏特)高压( 3 0 0 一1 0 0 0 伏特) 功耗较低较高 价格低 高 我们所使用的l e d 光源是美国s t o c k e r y a i e 的s p e c b r i g h t “l b ds p o t “曲t 捌， 型号s f 卜6 3 0 一i h f 1 0 0 ( 图2 一1 ) ，发光峰值波长6 3 0 唧，光谱带宽1 6 珊，发射光的 发散角度为1 2 。发散角度小。额定工作电流2 0 呲，最大工作电流4 0 0 m a ，工作 温度2 5 ，功耗1 6 0 霄，平均无故障工作时间可达1 0 0 ，0 0 0 小时。我们所选用的l e d 是红色发光二极管，选择这种颜色的主要原因是由于水下浮游生物对红光不敏 感，即浮游生物对红光的趋光性较弱。 t 图2 一ll e d 点光源 在5 0 衄正作距离时的照度为1 8 0 ，0 0 0 1 u x ；在2 0 呲作距离时的照度为 3 5 ，0 0 0 l u x ，所照亮范围直径为4 0 m 。由图2 2 可以看到随着工作距离的增大，l e d 光源所能够照亮的范围越大。但是，随着工作距离的增大，光辐射量越小( 图2 3 ) ， 也就是说工作距离越远，到达该距离时光线越昏暗。所以我们要综合考虑光的照 明范围与光的辐射强度来确定光源的位置，而且需要进行后实验来确定光源照射 的角度。 水下浮游生物图像实时采集系统研究 图2 2 工作距离与照明半径关系 图2 3 工作距离与光辐射量的关系 2 3 光学成像系统主要参数 我们需要了解光学成像系统的一些主要参数，以便于依据这些参数来进行成 像系统的设计。光学成像系统的主要参数包括镜头的成像尺寸、镜头焦距、成像 视场、光圈、景深等，这些参数决定了成像系统的成像距离、成像目标尺寸、成 像体积范围等。以下我们对这些参数进行了简单的介绍。 2 3 1 镜头成像尺寸 镜头成像的尺寸规格，指的是该镜头在像面上成像的大小。面阵c c d 成像镜 头的尺寸大小一般有五种，分别为1 、2 3 、1 2 、1 3 、1 4 英寸。成像镜头尺寸 与对应的c c d 传感器芯片尺寸如表2 2 ，一般来说，镜头要与c c d 传感芯片的尺 寸大小相一致。大规格的镜头可以与小规格的c c d 芯片配合使用，但是小规格的 镜头不能用于尺寸大的c c d 相机，因为小的成像镜头其视场角也小，不能完全覆 盖c c d 传感器的全部有效像素，使所成的图像像质较差，甚至出现黑角乜引。 水下浮游生物图像实时采集系统研究 表2 2 镜头规格与对应c c d 芯片尺寸 c c d 镜头规格( i n c h ) 1 41 31 22 31 对应 高v ( m m )2 4 3 64 86 69 6 c c d 芯宽hf m m ) 3 24 86 4 8 81 2 8 片尺寸 对角线长f 抽m )4 06 08 01 1 01 6 2 3 2 镜头焦距 焦距是c c d 光学镜头的首要参数，定义为主点到焦点的距离，有物方焦距f 和像方焦距f 。对于一个特定距离的目标，我们可能希望得到全景图像，也可 能只要求看到局部图像，注重目标的细节，就要取决于镜头的焦距。长焦距镜头 视场范围小，能够获得目标细节；短焦距镜头则可以对较大视场范围内的目标进 行成像，能够获得较开阔视野。 2 3 3 镜头视场 视场即镜头所能成像的目标范围大小。在镜头参数中，视场一般以视场角标 注，即镜头视野的张角，水平方向的称为水平视场角，垂直方向的称为垂直视场 角。视场角的大小跟镜头焦距、c c d 传感器芯片的水平尺寸和垂直尺寸有关，可 用下面公式表示： q h = 2 辔1 ( 庇2 厂) ( 式2 一1 ) q ：= 2 增- 1 ( v 2 厂) ( 式2 2 ) 其中q 。为水平视场角，q 。为垂直视场角，h 为c c d 芯片水平尺寸，v 为c c d 芯片 垂直尺寸，f 为镜头焦距。由式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) ，可以看出：焦距越长，视 场角越小；焦距越短，视场角越大。 2 3 4 镜头光圈 光圈，英文名称为a p e r t u r e ，是一个用来控制光线透过镜头，进入机身内感 光面光量的装置。光圈通常是在镜头内。我们平时所说的光圈值f 2 8 、f 8 、f 1 6 等是光圈“系数”，是相对光圈，并非光圈的物理孔径。表达光圈大小我们是用 f 值，光圈f 值= 镜头的焦距镜头口径的直径，从其计算公式我们可以看到要 达到相同的光圈f 值，长焦距镜头的口径要比短焦距镜头的口径大。光圈f 值愈 小，在同一单位时间内的进光量越多，而且上一级的进光量是下一级的一倍，例 如光圈从f 8 调整到f 5 6 ，进光量便多一倍，我们也说光圈开大了一级。由于多 数非专业数码相机镜头的焦距短、物理口径很小，所以f 8 时光圈的物理孔径已 经很小了，继续缩小就会发生衍射之类的光学现象，影响成像。所以一般非专业 水下浮游生物图像实时采集系统研究 数码相机的最小光圈都在f 8 至f l l 之间。 2 3 5 景深 景深是指在相机镜头沿着能够取得清晰图像的成像器轴线所测定的物体距 离范围。 在焦点前后，光线开始聚集和扩散，点的影像变成模糊的，形成一个扩大的 圆，这个圆就叫做弥散圆。如果弥散圆的直径小于人眼的鉴别能力，在一定范围 内实际影像产生的模糊是不能辨认的。这个不能辨认的弥散圆就称为容许弥散圆 ( p e r m i s s i b l ec i r c l e o fc o n f u s i o n ) 。焦点前后各有一个容许弥散圆，这两个 弥散圆之间的距离就叫景深，即：在被摄主体( 对焦点) 前后，其影像仍然有一段 清晰范围的，就是景深。从焦点到近处容许弥散圆的距离叫前景深( l 。) ，而从 焦点到远处容许弥散圆的距离叫后景深( l 。) ( 图2 4 ) 。 图2 4 景深定义示意图 景深的大小由镜头焦距f ，拍摄距离l ，镜头光圈数f 及容许弥散圆的直径 大小6 来确定。有如下计算公式： 厶= 器 ( 越3 ) 厶= 器 ( 船4 ) 工= 厶+ 厶= 篇 ( 式2 5 ) 由景深计算公式可以看出，景深与镜头使用的光圈f 数、镜头焦距、拍摄距 离以及对像质的要求( 表现为对容许弥散圆的大小) 有关。这些主要因素对景深的 影响如下： 水下浮游生物图像实时采集系统研究 ( 1 ) 镜头光圈： 光圈越大，f 数越小，景深越小；光圈越小，f 数越大，景深越大； ( 2 ) 镜头焦距 镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大； ( 3 ) 拍摄距离 距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。 2 4 系统光路设计 通过上节对成像系统主要光学参数的介绍，我们本节将根据浮游生物成像系 统自身的特点进行光路设计，并对相关参数进行设定。 2 4 1 光学镜头选择 根据上一节中有关镜头参数的介绍，首先所选镜头的成像尺寸应该与我们所 购买的c c d 传感器芯片尺寸一致，由于我们目前所能购买到的c c d 成像传感器的 最大尺寸为2 3 英寸，所以所选镜头的成像尺寸也应该是2 3 英寸。 然后我们要大致估算下所需镜头的焦距婚们。 由于c c d 芯片靶面长度为8 8 唧，宽度为6 6m 珂，靶面对角线为1 1m m 。假 设最小目标测量不少于2 0 个像素，我们所使用相机每个像素点大小为6 4 5 岬 6 4 5 岬，则最小目标的成像尺寸为1 2 9 岬( 6 4 5 岬2 0 ) ，即像高h 。；。( 图2 5 ) 最小为1 2 9 岫，最大像高h 。为c c d 靶面宽度6 6 咖。 hr l 、 f 1 划j h 除 y透镜 ； 1 i i - l l ， 。图2 5 透镜成像原理图 由透镜成像公式( 2 6 ) ( 2 7 ) 进行估算可得，在物距l 为1 0 0 0 m m 时，对物 高h 为8 0 0 岬的目标成像，要得到1 2 9 岬的像h ，则需要的镜头焦距为1 3 8 8 m m 圭+ 古= 专 c 船6 ，一+ = 0 工【。z o ) 三厂 去= 景 c 船7 ， 工办 水下浮游生物图像实时采集系统研究 于是我们采用了宾得公司的c 3 1 2 0 42 3 英寸手动变焦镜头和2 倍的增倍镜 进行组合的方式来达到所需焦距。增倍镜是连接镜头和相机机身的一种镜头，其 作用是增大镜头的焦距长度jc 3 1 2 0 4 镜头的变焦范围为1 2 5 姗一7 5 姗，使用2 倍增倍镜后，变焦范围变成了2 5 咖1 5 0 m ，能够满足对最小尺寸为8 0 0 岬的浮 游生物进行成像的要求。利用普通镜头接增倍镜的做法，可以得到长焦镜头的效 果，增大放大倍率，但其成本要比单独买一个长焦镜头要便宜，节约成本，所以 我们采用了此种组合方式。 2 4 2 镜头焦距设定 由于该镜头的最小成像距离( 物距) 为1 0 0 0 舳，由透镜成像公式( 2 6 ) ( 2 7 ) ， 在同一物距下，对不同焦距下的最小可监测目标尺寸( 即h 扪) 进行了计算( 表 2 3 ) 。 表2 3 相同物距，不同焦距下，最小监测目标尺寸 镜头焦距( 册)实际焦距( 咖)最小可监测目标( 咖) 7 51 5 00 7 3 1 5 01 0 01 1 6 1 3 06 02 0 2 1 1 53 04 1 7 1 1 2 52 55 0 3 1 所以能够监测的最小目标尺寸和镜头焦距的关系如图2 6 所示。从图中可以 看出：在同一成像距离下，焦距越大，所能够监测的目标尺寸越