第0章 緒論

0.1 研究背景及意義

隨著世界經(jīng)濟(jì)與科技的蓬勃發(fā)展，人類需求的物質(zhì)資源也在不斷增多，有限的陸地資源將無(wú)法滿足人類的需求，因此人類將目光投向一望無(wú)際的海洋。海洋約占地球表面的71%，蘊(yùn)藏著豐富的生物、礦產(chǎn)、化學(xué)和動(dòng)力等資源。我國(guó)是一個(gè)海洋大國(guó)，擁有豐富的海洋資源。然而我國(guó)仍未達(dá)到海洋強(qiáng)國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)，已開發(fā)的海洋資源僅僅是滄海一粟。因此，高效且合理地推進(jìn)海洋資源的開發(fā)利用，讓海洋服務(wù)于人類，對(duì)我國(guó)科技、經(jīng)濟(jì)和軍事的發(fā)展具有十分重要的意義。為了充分了解海洋，提高海洋資源的開發(fā)和利用程度，獲取海洋信息是不可或缺的一步。

第一，水下圖像作為海洋信息的重要載體之一，在獲取海洋信息時(shí)，扮演著重要的角色。然而，由于光在水中傳播時(shí)受到水的衰減影響，并且不同波長(zhǎng)的光所受到的衰減程度不同，使得最終呈現(xiàn)的水下圖像往往顏色失真比較嚴(yán)重。其中，紅色光受到的衰減最為嚴(yán)重，最遠(yuǎn)只能傳播2～3m；藍(lán)色光和綠色光受到的衰減較小，在水中的傳播距離較遠(yuǎn)，因此水下圖像在整體上往往呈現(xiàn)偏藍(lán)色或偏綠色。另外，水中的懸浮粒子對(duì)光的散射作用，導(dǎo)致獲取的水下圖像疊加了相機(jī)視野內(nèi)以及相機(jī)視野外的景物散射光，造成圖像的清晰度和對(duì)比度下降。除了受外界環(huán)境的影響，還可能由于網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、成像設(shè)備的限制導(dǎo)致水下圖像經(jīng)過壓縮而分辨率過低，細(xì)節(jié)不清晰，這類問題同樣會(huì)降低水下圖像的質(zhì)量（簡(jiǎn)稱降質(zhì)）。低質(zhì)量的水下圖像大大降低了人類能從中獲取的信息量，嚴(yán)重影響了水下勘探、水下考古、水下生物研究等工作，給一些水下計(jì)算機(jī)視覺任務(wù)（如目標(biāo)檢測(cè)、識(shí)別等）帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。因此，如何有效地提高水下圖像的質(zhì)量成為當(dāng)前的熱點(diǎn)話題。有效地提高水下圖像的質(zhì)量，能夠?yàn)楹罄m(xù)的水下作業(yè)提供巨大的幫助，加速推進(jìn)海洋資源的開發(fā)進(jìn)程。

第二，海洋生物是海洋生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，研究人員通過人工潛水或者水下機(jī)器人拍攝等方法對(duì)海洋生物進(jìn)行追蹤、數(shù)量統(tǒng)計(jì)，通過研究海洋生物的分布情況、生活習(xí)性，采取有針對(duì)性的措施來(lái)維持海洋生態(tài)環(huán)境的健康可持續(xù)發(fā)展。但是，水下的復(fù)雜環(huán)境嚴(yán)重降低了拍攝到的視頻或圖像質(zhì)量，僅憑研究人員肉眼難以準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，也極易在數(shù)量統(tǒng)計(jì)中產(chǎn)生偏差。目前急需一種代替肉眼來(lái)檢測(cè)識(shí)別海洋生物的方法。傳統(tǒng)的目標(biāo)檢測(cè)算法存在識(shí)別效果差、準(zhǔn)確率低、識(shí)別速度慢等缺點(diǎn)，難以進(jìn)行有效的海洋生物檢測(cè)。近年來(lái)，深度學(xué)習(xí)在目標(biāo)檢測(cè)領(lǐng)域取得了巨大突破，在許多場(chǎng)景下，基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)都能取得不錯(cuò)的成效。但是，一般的目標(biāo)檢測(cè)算法在海洋場(chǎng)景中的表現(xiàn)并不理想，海洋環(huán)境及海洋生物的復(fù)雜性會(huì)嚴(yán)重干擾對(duì)海洋生物的檢測(cè)效果。因此，如何有效提高水下目標(biāo)的檢測(cè)精度，進(jìn)而加深對(duì)海洋場(chǎng)景的理解，也成為當(dāng)前的熱點(diǎn)話題。

第三，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，水利水電建設(shè)得到了長(zhǎng)足發(fā)展。大壩作為水利水電工程中極為重要的基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉、水力發(fā)電、防災(zāi)抗洪等具有深遠(yuǎn)的意義。大壩裂縫是威脅大壩正常運(yùn)行的重大隱患，會(huì)影響大壩的強(qiáng)度和壽命，甚至引發(fā)滲漏、潰決等問題。大壩裂縫不僅存在于大壩的表面，還會(huì)向其內(nèi)部延伸，是觸發(fā)險(xiǎn)情、惡化災(zāi)情和誘發(fā)慘劇的主要原因之一。及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)與識(shí)別大壩裂縫、診斷險(xiǎn)情、加固修復(fù)大壩、保障大壩系統(tǒng)的正常工作具有重大意義。傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方法因其速度慢、精度低、易受檢測(cè)人員主觀因素干擾等原因，已逐漸被基于水下機(jī)器人的視覺檢測(cè)方法所取代。目前，基于水下機(jī)器人的視覺檢測(cè)方法已成為水下大壩裂縫圖像檢測(cè)領(lǐng)域最為重要的無(wú)損檢測(cè)方法之一，其典型的使用流程為：首先使用水下機(jī)器人采集圖像，然后對(duì)水下大壩裂縫圖像進(jìn)行處理分析，以獲取水下大壩裂縫圖像的類型、位置和尺寸，從而為大壩健康狀況診斷和加固修復(fù)提供指導(dǎo)意見。