技术领域
[0001] 本发明属于水下光源技术领域，涉及一种自适应宽光谱水下光源系统。
相关背景技术
[0002] 在水下摄影和探索中，照明是一个核心技术问题，特别是在变化多端的水下环境中，当前的水下照明系统主要采用固定强度和色温的灯光，这在多变的水下条件下往往不能提供最佳的照明效果，例如，高浊度的水会显著散射和吸收光线，减少可见距离并影响图像质量。
[0003] 此外，现有技术揭示了使用预设光谱输出的水下LED照明系统，这些系统虽然能够在一定程度上提供可调光强，但缺乏对环境变化的自适应能力，如自动调整光源以适应水深变化以及浊度的变化。
[0004] 现有水下照明技术的主要问题在于其灵活性和适应性不足，在不同的水质条件下，固定的光谱输出无法适应由于水的物理和化学性质变化导致的光线传播差异，这包括但不限于：1、亮度和对比度不足：在深水或高浊度水域，传统照明系统未能提供足够的亮度或对比度，使得摄影或视频捕捉质量下降；
2、色彩失真：缺乏有效的色彩校正机制，导致在不同水温和浊度条件下色彩偏差加大；
3、能效低下：在不需要最大亮度输出的条件下，无法减少功率消耗，造成能源浪费。
具体实施方式
[0013] 下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，以下描述中阐述更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施例所做出的任何替代改进或变换均处于本发明的保护范围内，而不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
[0014] 本发明提供一种自适应宽光谱水下光源系统，如图1所示，该系统包括FPGA单元、传感器单元、照明矩阵和摄像头。
[0015] 其中，FPGA单元是一块树莓派控制板，作为该系统的核心，它不仅作为处理单元，同时也负责协调各个组件的数据交流和命令执行，负责执行图像处理算法，接收和处理来自各传感器的数据，以及控制LED照明的输出。FPGA单元通过其丰富的I/O接口连接多种设备，包括一个高分辨率的OV5640摄像头、多种环境传感器组成的传感器单元和一个由多色LED组成的照明矩阵。
[0016] OV5640摄像头通过CSI接口直接连接到FPGA单元，提供高分辨率的视频和静态图像捕获功能，该摄像头用于实时监控水下环境，并捕获图像数据供后续处理。如图2所示，照明矩阵包含白色LED101、红色LED102、蓝色LED103、绿色LED104，每组LED通过PWM控制实现亮度调节，连接到FPGA单元的多个GPIO引脚，每种颜色的LED可以根据从摄像头和传感器获得的数据独立调节，以补偿水下色彩失真和提高图像的可见性。传感器单元包含水深传感器（MS5837‑30BA）、温度传感器（DS18B20）和浊度传感器（TSW‑30），光电探测器，分别通过I²C、1‑Wire和ADC接口连接于FPGA单元，收集水下环境的关键信息。
[0017] 本发明中，FPGA单元内置的光源调节算法，原理如图3所示，具体实现过程如下：1、色差计算
设标准色卡的CIELAB值为 、 、 ，实时图像的CIELAB值为 、 、 ，则
色差 定义为：
；
其中， 、 表示明度； 和 、 和 是色度坐标。此公式计算标准色卡与
实时图像之间的色差，反映颜色匹配的准确性。利用该公式可以计算红光、蓝光、绿光的色差。
[0018] 2、权重调整（1）浊度权重调整：设水体浊度为 ，其对红光输出的权重调整定义为：
；
其中， 为浊度影响红光输出的常数。此公式反映了浊度对红光输出的补偿，浊度越高，红光输出增加以克服衰减。
[0019] （2）环境光强度权重调整：设环境光强度为，其对绿光或蓝光输出的权重调整定义为：；
其中， 为环境光强度对绿光或蓝光输出的抑制作用，环境光越强，输出亮度越低。
[0020] 3、PID控制（1）PID控制器的输出 定义为：
；
其中， 为色差 的时间积分； 为色差 的导数； 是比例增
益， 是积分增益， 是微分增益；为时刻。
[0021] （2）当前色差的平滑处理：；
其中， 为平滑因子，通常取值为 。
[0022] （3）更新历史色差：。
[0023] （4）根据比例、积分和微分三项调整输出，将权重值融入PID控制公式中，控制光源亮度以减少色差，得到新的控制输出：；
；
；
其中， 、 、 分别为红光、绿光和蓝光的PID控制输出； 、
、 分别为红光、绿光和蓝光平滑更新后的色差。
[0024] （5）计算最终 输出每个颜色通道的新的控制输出结合限制PWM信号的变化，确保平滑调整计算为：
；
；
；
；
；
；
其中， 、 、 分别为红光、绿光、蓝光的PWM信号； 、
、 分别为红光、绿光、蓝光的单位时间内PWM信号变化值； 为单位时间内PWM信号变化的最大值。
[0025] 根据环境光强度调整白色LED的 信号：。
[0026] 本发明提供了一个自适应水下照明系统，该系统结合了先进的图像处理技术和环境监测技术，通过一个集成的控制单元实时调节照明，以优化水下摄影的图像质量，该系统特别适用于在多变的水下环境中进行高质量摄影，例如科研探测、专业摄影或水下环境监测。
