大海为什么看起来是蓝绿色的？90%的人都不知道
2023-05-24
我们知道，水明明是无色的，但是水下拍摄的图像往往都是背景为蓝色或者绿色的，这是为什么呢? 其实这是因为海水对太阳光线进行吸收、反射和散射造成的。太阳光是复合了七种颜色的光，是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的光组成的而水反射了蓝色的光，所以看到的海水是蓝色。
我们知道，水明明是无色的，但是水下拍摄的图像往往都是背景为蓝色或者绿色的，这是为什么呢?
其实这是因为海水对太阳光线进行吸收、反射和散射造成的。太阳光是复合了七种颜色的光，是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的光组成的而水反射了蓝色的光，所以看到的海水是蓝色。
当太阳的光线照射到海水后，其中波长比较长的红光、橙光和黄光会被海水吸收，更深处的海水会吸收绿光。剩下波长较短的蓝光和紫光，他们在遇到水分子后会向四面散开来，或着反射回来。同时因为人眼对海水反射的紫光不敏感，所以不觉得海水是紫色。人眼看到的就是这部分被散射或被反射出来的光。海水越深，被散射和反射的蓝光就越多，所以，大海看上去是蓝色的。
我们在陆地上看到景物，这个过程中光线经过的介质是空气。但是当在进行水下拍摄时，光线传输的介质变成了水。景物经过水下介质到达人眼或者其他传感器时，物体基本失去了“彩色”这一属性，大部分图像的背景都呈现蓝绿色，仿佛都蒙上了厚厚的蓝绿色“滤镜”。
一、
什么是散射
散射是被投射波照射的物体表面曲率较大甚至不光滑时，其二次辐射波在角域上按一定的规律作扩散分布的现象。它是分子或原子相互接近时，由于双方具有很强的相互斥力，迫使它们在接触前就偏离了原来的运动方向而分开，这通常称为"散射"。散射是指由传播介质的不均匀性引起的光线向四周射去的现象。如一束光通过稀释后的牛奶后为白色，而从侧面和上面看，却是浅蓝色的。
光线通过有尘土的空气或胶质溶液等媒质时，部分光线向多方面改变方向的现象。叫做光的散射.超短波发射到电离层时也发生散射。 太阳辐射通过大气时遇到空气分子、尘粒、云滴等质点时，都要发生散射。但散射并不象吸收那样把辐射能转变为热能，而只是改变辐射方向，使太阳辐射以质点为中心向四面八方传播开来。经过散射之后，有一部分太阳辐射就到不了地面。 如果太阳辐射遇到的是直径比波长小的空气分子，则辐射的波长愈短，被散射愈厉害。其散射能力与波长的对比关系是：对于一定大小的分子来说，散射能力和波长的四次方成反比，这种散射是有选择性的。例如波长为0.7微米时的散射能力为1，波长为0.3微米时的散射能力就为30。
因此，太阳辐射通过大气时，由于空气分子散射的结果，波长较短的光被散射得较多。雨后天晴，天空呈青蓝色就是因为辐射中青蓝色波长较短，容易被大气散射的缘故。如果太阳辐射遇到直径比波长大的质点，虽然也被散射，但这种散射是没有选择性的，即辐射的各种波长都同样被散射。若空气中存在较多的尘埃或雾粒，一定范围的长短波都被同样的散射，使天空呈灰白色的。
二、
什么是光的反射
光的反射是一种光学现象。指光在传播到不同物质时，在分界面上改变传播方向又返回原来物质中的现象。光遇到水面、玻璃以及其他许多物体的表面都会发生反射。当光在两种物质分界面上改变传播方向又返回原来物质中的现象，叫做光的反射。
光的反射与折射的区别
光的反射光的反射:光在两种物质分界面上改变传播方向又返回原来物质中的现象， 叫做光的反射。理解光的反射定律归纳1在反射现象中，反射光线，入射光线和法线都在同一个平面内 2反射光线，入射光线分居法线两侧 3反射角等于入射角 可归纳为:“三线共面，两线分居，两角相等”光的反射光的折射光由一种介质进入另一种介质或在同一种不均匀介质中传播时,方向发生偏折的现象叫做光的折射。
三、
有没有办法解决水下图像的失真问题呢?
从光学的角度来讲，人眼可接收到的可视光谱范围约为380~780nm，红光波长较长，约在700nm左右，波长比红光还长一点的，我们称为红外线;同样，紫光波长约400nm，比紫光波长还短一点的我们称之为紫外线。
光线在水中的衰减特性与空气中的衰减特性是完全不一样的。在水下环境中，不同波长的光线在水下传播具有不同的衰减率。其中，在可见光范围内，波长较长的红光的穿透能力最弱，到水下3-4米就最先消失了;蓝光具有较短的波长，在水中的传输距离更远;大部分波段的光在水下传播时都会受到强烈的吸收衰减，只有波长在480±30nm波段的蓝绿光在水中的吸收衰减系数最小，穿透能力最强，故常称该波段为“水下窗口”。
光在水中传播呈指数衰减，导致拍摄的图像对比度低并且具有模糊的表面，这往往就是造成水下成像的颜色失真的“幕后黑手”。在这样的环境中，工作效率是极低的。
随着海洋开发的需要和不断进步的计算机信息处理技术，通过对成像过程的调控和对退化图像的后续处理，得到清晰完美的水下场景图像已经成为可能。
图像复原算法主要指通过对水下图像的退化过程进行建模，通过估计模型参数，反演退化过程获得清晰的水下图像。经典的水下成像系统的计算机模型是 McGlamery 于 1979 年提出。
水下成像系统所接收到的图像由三部分组成：直接衰减分量、前向散射分量与后向散射分量。其中，直接衰减分量是指在水中未经介质散射，而直接由物体反射回来的光线;前向散射分量是指物体反射的光线经散射衰减后，在较小角度内仍然被传感器采集到的部分;后向散射分量是指除了景物反射的光线以外，环境中的背景光以及由周围物体经散射后的衰减光进入传感器的部分。依靠图像的先验信息和模型参数就可以复原出真实的水下场景。
水下图像要复原的内容主要包括两个部分：补偿+增强。首先，根据不同波长光线的衰减特性，对退化较严重的通道进行补偿，修正图像色度;其次，在色度调整的基础上增强图像，提升图像的对比度，使图像拥有更加醒目的视觉效果，更加明显的图像细节。
如今，越来越多的水下机器人已投入使用，图像处理信息的能力是水下机器人对环境动态感知、快速定位与跟踪视觉目标的关键。搭载图像复原技术的水下机器人可以直接应用于水下观测，在海洋工程的上有广泛的应用前景。
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