為什么大海是藍色的？這個古老而又神秘的問題一直以來都讓人好奇不已。在《涉水視覺》（Water-related Vision）一文中，作者從光與水的物質相互作用及跨介質傳播機理出發，介紹了涉水成像和圖像解析等領域最新的研究進展，展示了一系列在涉水視覺觀測和系統研制方面取得的科研成果，為海洋科學、海洋牧場以及海洋安全等領域的科研與技術升級注入全新的活力。站在涉水視覺發展的浪尖，透過云雨霧雪，穿過江河湖海，一個全新的涉水探索時代展現在我們面前。在這篇文章中，我們來揭開河水碧綠、大海蔚藍之謎的面紗。

智能領域的數據主體依然是視覺、聽覺、文字等模態。其中，視覺是核心賽道，也是目前智能應用的主戰場。當前，視覺研究主要關注于空氣和真空中，而占地表面積、天氣現象甚至生命組織很大比例的各類水體中的視覺卻未成體系。

水是生命之源，江河湖海之中、云霧雨雪之時也都是智能領域的重要藍海，有著極多的應用場景。視覺的基礎是光學，光在水體及跨介質中的傳播機理是涉水成像的本質，也是涉水視覺研究的根基。堅持踐行 “涉水光學” 和 “涉水視覺”，李學龍教授在《電子學報》撰寫了 42 頁五萬字的長文 “涉水視覺”，展示了人工智能賦能的水下視覺。在未來，我們能否通過機器視覺和光學成像結合的技術手段，透過雨霧、穿越湖海，走進這片智能 “藍海”？

李學龍. 涉水視覺. 電子學報, 2023 https://doi.org/10.12263/DZXB

涉水視覺是基于光與水的物質相互作用及跨介質傳播機理，通過構建專用光學硬件與視覺算法的技術體系，解決涉水環境下視覺影像信號智能處理與分析，及先進智能涉水視覺裝備研制相關的工程問題，探索機器視覺在涉水環境中應用的科學。作為臨地安防（Vicinagearth Security，vicinagearth = vicinage earth）體系中水下安防的重要支撐，涉水視覺對于我國領水的防衛、保護、生產、安全、救援具有重要的意義。

海洋中含有十三億五千多萬立方千米的水，約占地球上總水量的 97%，其中蘊含了大量的重要資源未被探索與開發，是地球上最重要的涉水環境。除了常見的江河湖海等典型的水體，陸地上的云雪雨霧等天氣條件也會創造復雜的涉水環境，甚至于其它星球上也可能會存在如地外海洋一類的涉水環境。

海水顏色認知的主要歷程（圖片來自于網絡）

因此，對涉水環境進行探索與研究是一項十分重要的課題。光作為探測涉水環境的重要手段，解析光探測結果的涉水視覺對于海洋生態、碳平衡、氣候變化、海洋熱力學、惡劣環境探測等問題具有重要研究意義。

涉水視覺技術的發展影響了我們對涉水環境的認識與涉水資源的開發。而常見的涉水環境中包含諸如懸浮顆粒物、可溶有機物、浮游動植物等各種復雜的元素，且其中的光線傳播路徑常常涉及多種介質。因此，光在涉水環境中傳播機理要比在空氣中更為復雜，研究光與水及其所含物質相互作用及光的跨介質傳播機理是涉水視覺的基礎。

光與水的物質相互作用及跨介質傳播機理

本文從「為什么大海是藍色的？」這一具有普適意義的問題出發，系統介紹了水對光的吸收、散射、衰減作用機理，對涉水視覺任務造成的影響，以及現有的涉水圖像處理與解析方法。基于水體光學特性及成像退化機理，本文介紹了團隊在探索涉水成像和圖像解析等涉水視覺關鍵技術及裝備方面的成果，先后研制了全海深超高清相機海瞳、全海深 3D 相機、全海深高清攝像機等，形成了從色彩、強度、偏振、光譜等全方位、體系化的水下觀測解析裝備研制能力，填補了全海深光學視覺技術的空白。

涉水視覺研究面臨的困難

視覺影像信號智能處理與分析領域面臨多重挑戰，包括復雜環境、物體檢測和識別困難、數據獲取與標注復雜、大數據和高分辨率、水下視覺問題、實時性需求、數據隱私與安全、跨域泛化。

首先，涉水環境通常受到多種復雜因素的影響，包括波浪、潮汐、光照變化和水質變化等。這些因素導致涉水影像的質量在時空上變化巨大，進一步使得物體檢測、跟蹤和識別任務更加復雜。物體的形狀、顏色和紋理可能會因水域介質的光學特性而受到干擾，增加了物體檢測和識別的難度。為了進行監督學習，必須對這些數據進行準確的標注，包括物體和環境屬性的精確標記，但是要求標注者具備高度專業知識和經驗。

其次，現代高分辨率攝像技術生成了大量的涉水影像數據，其數據頻率較高，這增加了數據處理和管理的挑戰。處理這些大數據集需要高性能計算資源和有效的數據管理策略，以確保及時的數據分析和存儲。水下環境中的影像和視頻通常受到光線在水中的散射和吸收的影響，導致圖像模糊和顏色失真。這增加了水下圖像和視頻分析的復雜性，需要開發專門的算法來克服這些問題，以提高圖像質量和物體識別性能。

再次，在某些關鍵應用場景中，如洪水預測和海上救援，系統必須能夠實時處理涉水影像數據。這需要高效的算法和硬件加速，以確保系統具備即時響應和實時決策制定的能力。此外，考慮到一些影像可能包含敏感信息，如個人身份或敏感地理位置，數據的隱私和安全性成為不可忽視的問題。因此，必須采取措施來保護數據的隱私和安全性，同時遵守法規和倫理要求，這也增加了數據處理和存儲的復雜性。

最后，不同涉水環境中收集的數據可能存在差異，例如，海洋環境與內陸水域的差異。因此，模型需要具備跨域泛化的能力，以在不同場景中表現出良好的泛化性能。這需要大規模、多樣化的數據集和強大的遷移學習技術的支持。

因此，為了應對上述挑戰，需要開展跨學科研究和技術創新，將機器視覺與機器學習、光學、海洋學等多個領域的知識結合起來，推動涉水視覺相關應用的發展。

涉水視覺研究進展

機器視覺是智能時代的 “眼睛”，其基于傳感器捕獲的圖像為智能設備執行其功能提供操作指導，涉及到光學照明、光學成像、信號處理、圖像處理、圖像增強、多模態認知計算及圖像智能解析算法等多種技術。

隨著計算機視覺技術的不斷發展，越來越多新的視覺算法及技術被提出，在目標偵查、智慧城市、資源勘探等多個領域都已經有很成熟的工程化應用。但是當前常見的機器視覺和智能系統研究主要圍繞空氣和真空介質中的視覺任務展開，對涉水前端成像機理和過程研究不夠深入，對涉水圖像和視頻的智能化處理與分析研究未成體系。

涉水視覺技術仍然停留在利用傳統處理方法進行識別，僅通過對顏色、外形等特征對目標進行辨識。

當前端采集設備應用于涉水環境時，由于水對光的反射、折射、吸收、散射等作用，對成像結果的能見度、分辨率、對比度等影響很大，尤其是在復雜的水環境下，造成目標圖像出現偏色、褪色、畸變、對比度低、亮度分布不均勻等情況，很難對目標圖像進行準確辨識，無法直接用于處理及分析。

隨著近些年智能信號處理技術的跨越式進步，現今的視覺技術，利用光電成像系統采集圖像信息，經過智能技術的處理，對目標特性進行識別、分析及判斷，與深度學習、計算成像、3D 視覺、嵌入式視覺系統等技術緊密結合，然而前端成像設備和后端分析算法間的關系常常被忽略，在涉水視覺領域因前端光線傳播機理復雜而影響更甚。

（a）單介質涉水圖像色彩偏移及（b）色彩矯正后的圖像

（a）單介質涉水圖像模糊及（b）去模糊后的圖像

理想的完備涉水視覺系統是通過光學的裝置和非接觸的傳感器，在光傳播路徑的局部或整體的一切水體中，自動地接收并處理一個真實物體的圖像，通過前后端的感算結合高效準確地獲得所需信息。

涉水視覺是基于光與水的物質相互作用及跨介質傳播機理，通過構建專用光學硬件與視覺算法的技術體系，解決涉水環境下視覺影像信號智能處理與分析，及先進智能涉水視覺裝備研制相關的工程問題，探索機器視覺技術在涉水環境中應用的科學。其作為臨地安防體系中水下安防的重要支撐，對于我國領水的防衛、保護、生產、安全、救援具有重要的意義。

（1）全海深超高清相機 ——“奮斗者” 號萬米載人潛器電視直播核心裝備。2020 年 10 月，所研制的全海深超高清相機作為萬米深潛直播的核心裝備，實現了國際上首次萬米直播。

全海深超高清相機

（2）“海瞳” 相機 —— 我國首套自主研制的全海深高清相機。2017 年 3 月，研制的 “海瞳” 相機隨天涯號著陸器多次下潛到萬米深度，最大潛深 10909 米，記錄的相關視頻影像資料為馬里亞納海溝深淵的海洋生物，物理海洋等多學科研究提供了重要的原始數據。獲得了諸多珍貴海洋觀測資料，填補了多項海洋科研領域空白。首次記錄下了位于 8152 米深處的獅子魚，是當時國際上觀測到魚類生存的最大深度。

（3）小型全海深高清攝像機。2020 年 4 月至 6 月期間，研制的小型全海深高清攝像機，搭載 “海斗一號” 無人潛水器上，作為唯一搭載的光學成像設備，進行了我國首次作業型無人潛水器的萬米海試，最大下潛深度 10907 米，刷新了我國潛水器最大下潛深度紀錄。

“海瞳” 相機

臨地安防（Vicinagearth Security）

臨地安防技術體系屬于前沿交叉學科與技術領域，面對低空立體交通、災害救援、港口水下監控、海洋牧場等一系列應用場景，涵蓋低空安防、水下安防及跨域安防，是臨地空間中防衛、防護、生產、安全、救援等需求的多元化、跨域化、立體化、協同化、智能化技術體系。該技術體系不獨立于現有的眾多其他學科領域 / 技術體系，包含相干光探測、穩定探測、多模態認知計算、群體智能決策、涉水光學以及跨域遙感等六大研究 / 技術方向的同時，更廣泛地面向空天地海井網，涉及航空航天、深空深海、機械電子、信息 / 量子通訊、新材料、能源動力等眾多學科與技術領域的交叉融合，對國防安全、社會穩定、經濟發展具有重要意義。

與傳統臨近空間或近地空間不同，臨地（Vicinage earth, Vicinagearth）空間是指從海平面以下 1000 米（陽光穿透水深極限，南海平均水深）到海平面以上 10000 米（民航航線高度）的水域、地面及空域。其中，海平面以下 100 米（大陸架平均水深）到地面以上 1000 米（低空空域開放高度）是其核心區），基本覆蓋人類主要生產生活，以及現代戰爭低空超低空及水下作戰空間。其中，Vicinage 源于古法語 / 拉丁語的 visnage/vicinus，同 neighbor。

作者介紹

李學龍，西北工業大學校學術委員會副主任、光電與智能研究院（iOPEN）教授，關注臨地安防、圖像處理、成像。E-mail: li@nwpu.edu.cn