CN104777624B - 一种偏振成像设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振成像设备，包括偏振片、相机成像模块以及旋转角度测量装置，所述偏振片设置在所述相机成像模块前，外部光线经过所述偏振片入射到所述相机成像模块内，所述偏振成像设备用于在一次旋转过程中连续拍照或进行视频拍摄，并使用在其中多个旋转角度下所拍取的多幅图像进行偏振成像。在此还公开了使用该偏振成像设备进行偏振成像的方法。本发明可通过简单的便携式设备实现快速偏振成像，成本极低、使用方便。

Description

一种偏振成像设备及方法

技术领域

本发明涉及一种偏振成像设备及方法。

背景技术

光是一种电磁波，光波中的电振动矢量和磁振动矢量都与传播速度垂直，因此光波是横波，它具有偏振性。偏振光与目标发生相互作用后的散射光中会包含由目标自身特性所决定的偏振信息，而这样的偏振信息与我们平时所探测到的光谱、光强以及相位等信息时有所不同的。通过这些偏振信息我们就可以准确清晰的得到被测目标的相关信息。

根据反射和透射光的偏振特性可以获取被测物体的表面粗糙程度、内部结构、以及组成材料的折射率和吸收等信息，还可以区分浅层和深层结构散射的光子，进而增强成像的对比度，等等。这种依靠获取物体光波偏振态的成像技术就是偏振成像技术。

偏振成像技术是一种新型的成像技术，因其与平时所采用的光强度成像技术相比提供更多信息，具有一定的优势，而得到了极其迅速的发展。国外对偏振成像技术的研究已经开展了许多年，在目标探测识别方面有很好的成就。现在偏振成像也广泛的应用于军事、天文、以及民用摄像等领域。

偏振相机一般采用很多不同取向的微型偏振薄膜覆盖CCD的每个像素，类似于彩色相机的微型滤光片膜，由于可以实现单帧同时性检偏，所以将线偏振相机集成到显微镜中具有很大的发展潜力。4D Technology公司的PolarCam^TM线偏振相机。可应用于成像增强、眩光消除、雾霾消除、双折射绘图、工业检测如液晶品控、偏振显微镜、应力测量等多个领域中。

现有的偏振相机有以下不足：

1)成本和价格很高，工艺要求高，其制造需要专有技术和仪器；

2)复杂而尚未成熟的加工工艺导致偏振片消光比差，成像噪点多，其本身存在不可避免的系统误差；

3)由于成本和成像质量的局限性，不利于大面积推广；

4)对于雾霾消除、炫光消除、图像增强等功能，并无配套的针对性算法，且不便接入网络，上传或下载数据。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提供一种新的偏振成像设备和方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种偏振成像设备，包括偏振片、相机成像模块以及旋转角度测量装置，所述偏振片设置在所述相机成像模块前，外部光线经过所述偏振片入射到所述相机成像模块内，所述偏振成像设备用于在一次旋转过程中连续拍照或进行视频拍摄，并使用在其中多个旋转角度下所拍取的多幅图像进行偏振成像；

其中所述偏振成像设备按照以下公式确定进入所述相机成像模块内偏振光束的偏振态：

I＝A·S_in

上式中，I是对于相机中任意一个像素测量，在n个旋转角度下拍照得到的光强信号所组成的光强向量：

I＝(i₁ i₂ i₃ … i_n)^T，n不小于3，

S_in是待测偏振光束的斯托克斯向量的前三个量：

S_in＝(s₀ s₁ s₂)^T，

A是由n个旋转角度所确定的单像素对应的仪器矩阵，其中，

p_x和p_y分别为偏振片通光极大方向和极小方向的出射光与入射光电场强度比，θ_p为偏振片极大通光方向的方位角，右下标中的数字变化代表不同旋转角度下的实际方位角，与上述的n对应。

待测偏振光束的斯托克斯向量S_in为：

S_in＝A^-1·I，A^-1为仪器矩阵A的逆或伪逆。

进一步地：

一次旋转过程的总角度为0到180度(这里的0度可为以设备的任意起始角度作为参考的角度)，所取各图像对应的间隔旋转角度为0到180度的子集。

对于一次旋转过程，利用仪器矩阵A的条件数进行判别，仪器矩阵A的条件数k(A)：

k(A)＝||A||·||A^-1||，其中A的第二类范数为

其中，判断一次旋转过程是否覆盖了足够量的满足了条件数要求的区域，若一次旋转过程覆盖的所述区域低于阈值，则舍弃本次旋转过程所获得的图像数据，优选提示重新转动；其中所述满足条件数要求是指条件数低于预定的条件数阈值。

一次旋转过程中，基于取得的第一张图像的图像中心设定可接受的波动范围，如果该图像中心波动出这个波动范围以外的图像的数量相对于图像总数的比例大于预定比例阈值，则舍弃本次旋转过程所获得的图像数据，优选提示重新转动。

一次旋转过程中，判断旋转速度是否高于阈值速度，若高于设定阈值，则舍弃本次旋转过程所获得的图像数据，优选提示重新转动。

对于一次旋转过程中所取得的多幅图像，至少按照以下条件对图像进行筛选：

以取得的第一张图像的图像中心为圆心，以一个阈值半径的圆作为该图像中心的可接受的波动范围，对于图像中心波动出这个圆以外的图像给予筛除。

对于一次旋转过程中所取得的多幅图像，至少按照以下条件对图像进行筛选：

如果拍照或视频提取出的一帧图像的图像清晰度低于某个阈值，该图像给予筛除。

对于一次旋转过程中所取得的多幅图像，至少按照以下条件对图像进行筛选：

拍照或视频取出各帧图像，利用仪器矩阵A的条件数进行判别，仪器矩阵A的条件数k(A)：

k(A)＝||A||·||A^-1||，其中A的第二类范数为

如果图像的条件数高于某个值，该图像给予筛除。

所述偏振片前还可设置有滤光片。

所述旋转角度测量装置可为陀螺仪等测量装置。

一种偏振成像方法，采用所述的偏振成像设备进行偏振成像。

本发明的主要载体可以是手机等带镜头的便携成像设备。本发明可在保留传统载体的前提下，在硬件设备部分提出简单的可拆卸模组，整体实现对待测物体的快速、便捷的偏振成像。本发明有利于日常中便携的快速进行偏振成像，并为后续的偏振图像分析提供一定支持。本发明进行偏振成像成本极低、十分便携，可付诸以手机等用户粘性极强的成像设备作为载体，利于偏振成像的普及与推广。本发明优选可进行图像接受、图像筛选，还可以利用载体所带陀螺仪，进行自校准，自对准。本发明通过付诸手机等用户粘性极强的智能化设备作为载体，便于接入互联网，更容易对算法进行更新升级，更加智能化。

相对于传统偏振相机，本发明的具体优势有：

1)本发明以附加组件配软件算法以及新的操作形式的组合，大大降低成本；且硬件构成简单，不需要复杂的工艺；对各类成像设备完全兼容，尤其是手机这类载体。

2)本发明的硬件设备十分小巧，方便安装拆卸，也便于携带，损坏了易于替换。

3)本发明十分便携，且可替换性高，成本低廉，故非常利于推广，若付之于最常用的载体就是手机，用户粘性可以很高。

4)本发明可以用载体自带陀螺仪等工具辅助进行校准，一次校准即可使用，并且有图像自对准功能。

5)本发明可在保留偏振相机诸多优势的前提下，兼容滤出不同波段的滤波片，可针对不同拍摄物体或环境进行可拆卸式替换，十分简便。且对特定的滤波片进行针对性算法的提供，如在雾霾去除，如图像增强，如目标识别等应用中都可以对成像质量有所提升；且软件算法数据库便于从云端或服务器端更新，便于接入互联网智能化，更新升级十分简单。

附图说明

图1a和图1b为本发明偏振成像设备一种实施例的结构示意图；

图2a和图2b为本发明偏振成像设备另一种实施例的结构示意图；

图3为使用本发明偏振成像设备进行偏振成像的拍摄过程示意图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1a和图1b，本发明的偏振成像设备1可以是以一个包含相机的智能手机作为成像的载体，该偏振成像设备1包括一个偏振片3、相机成像模块2、旋转角度测量装置(未图示)以及将偏振片3固定在相机成像模块2前的结构(未图示)。优选地，参阅图2a和图2b，在偏振片3前增加滤光片4，其可以滤除特定波长，进行偏振成像增强。参阅图3，根据本发明的偏振成像设备1进行偏振成像，通过进行一定弧度的旋转，旋转过程中进行相机连拍或视频拍摄。可在检测到偏振成像设备1静止一定时间时结束拍摄。优选地，旋转拍摄的要求为：1、旋转0到180度，拍摄间隔的弧度不低于阈值弧度；2、旋转速度不高于阈值速度；3、旋转方式中镜头圆心保持不移动，或上、下、左、右移动低于阈值。优选地，以偏振片通光方向置于水平，以及竖直载体起转这两点作为本方案起始条件。在划定圆内图像正中心出现的概率在一定概率以上。读取参考方位角，并进行图像校准与对准。优选的，利用条件数进行图像筛选，以及去除模糊图像，以及去除偏离圆心太远的图像。对选取的图像数据进行计算。最后，可通过伪彩色显示偏振图像。以下对本发明的实施例作具体详述。

实施例一：

对载体进行一定弧度的旋转，照片连拍或拍视屏。物体发出的光，经过偏振片3，或经过滤光片4与偏振片3的组合，入射到相机成像模块2内。滤光片4可以滤出特定波段，进行偏振成像增强，且其不影响光的偏振特性。本实施例给出单波长的情况。窄波段和宽波段即为诸多单波长的集合。

根据相机成像模块2获得的光强信号，按照以下公式确定待测偏振光束的偏振态：

I＝A·S_in

上式中，I是相机上任意一个像素测量，在n个旋转角度下拍照得到的光强信号所组成的光强向量：

I＝(i₁ i₂ i₃ … i_n)^T，n不小于3，

S_in是待测偏振光束的斯托克斯向量的前三个量：

S_in＝(s₀ s₁ s₂)^T，

A是由n个旋转角度所确定的单像素对应的仪器矩阵，其中，

p_x和p_y分别为偏振片通光极大方向和极小方向的出射光与入射光电场强度比，θ_p为偏振片极大通光方向的方位角(可以水平面做参考)，右下标中的数字变化代表不同旋转角度下的实际方位角，与上述的n对应。

待测偏振光束的斯托克斯向量S_in为：

S_in＝A^-1·I，A^-1为A矩阵的逆或伪逆。

优选地，按照以下三个条件至少一者，围绕相机圆心旋转。

1)转动的角度为0到180度，优选地，以偏振片通光方向置于水平，以及竖直载体起转这两点作为本方案起始条件。利用仪器矩阵A的条件数进行判别：判断条件数低于预定值(偏振片通光方向的条件数)的转动区域的覆盖范围是否不低于阈值，

仪器矩阵A的条件数k(A)：

k(A)＝||A||·||A^-1||，其中A的第二类范数为

若低于阈值，报警提示重新转动。

2)镜头圆心上下左右移动大于一定值的概率不高于设定阈值，若高于阈值，报警提示重新转动。

3)旋转速度不高于阈值速度，若高于设定阈值，报警提示重新转动。

筛选出合适的多个图像后，提取数据，按照前述公式计算得到物体的偏振图像。

优选地，按照以下三个条件至少一者对图像进行筛选：

1)以第一张图像中心为圆心的一个限定半径(阈值)的圆作为圆心运动的范围，在旋转载体进行偏振成像时，对于图像中心波动出这个圆以外的图像给予筛除。

2)如果抓拍或视频提取出的一帧图片的图像清晰度低于某个阈值，给予筛除。

3)条件数判据。即拍照或视频取出各帧图像，以第一张照片的偏振片方向较水平方向的夹角为基础，另任取两幅图像(此处优选穷尽所有图像)，如果另两幅图像决定的条件数高于某个值，则给予筛除选取的两幅图像。

对于仪器矩阵A的条件数k(A)：

k(A)＝||A||·||A^-1||，其中A的第二类范数为

其中，所选取的图像计算出的条件数，即A矩阵的条件数k(A)不高于预设的上限阈值。

通过计算，以伪彩色显示的符合要求的偏振图像。

其中角度的获得与校准，一般可以采用以下两个方法之一：

1)通过载体自带的陀螺仪或其余类似功能设备确定初始角度，且在后续每一帧图像都记录其角度，用以辅助图像与图像间进行对点确定转动角度的算法时，进行对比参考或用于消除误差。获得的角度作为一个参数添加到偏振计算中。

2)完全通过陀螺仪或其余类似功能设备确定角度，对陀螺仪的要求较高。获得的角度作为一个参数添加到偏振计算中。

实施例二：

在方案一中，其余的都不变。至把滤光片固定(即固定一种波段的滤光片)或完全去除，即不增加波段选择的功能，相对应的，软件部分不需要增加很多额外的算法，此做法可以使系统更加简单，但是失去了特定情境下的偏振成像让成像增强的优势。

实施例三：

利用双目相机，即两个摄像头的相机，只需要使两个镜头前的偏振片的通光方向具有一定夹角，可选任意夹角，优选的，选择90度作为夹角，90度时，其载体转动角度可以为最小。若越接近0度，载体转动幅度越接近单目相机的转动幅度。若需要特殊波段成像两个镜头前都加上相同的滤光片，即可实现本发明的功能。优点是硬件的旋转操作角度可以更小，误差也会相对较小，以较小的代价实现本发明。缺点是成本提升，且载体普及度不高。

采用四个摄像头的相机不需要任何硬件旋转操作，以普通的拍照就可以拍出偏振图片，更接近于上文说的偏振相机，但是四个摄像头成本极高，载体需要定制，一般也不会使用。三个摄像头的相机类似双目相机，还是需要微小的转动。只是人力操作成本相对更低，但载体依旧需要定制，成本变高。

优势和效果：

1)本发明以附加组件配软件算法的形式，成本低廉，且硬件构成及其简单，不需要复杂的工艺，对各类成像载体设备兼容性好，尤其是手机。

2)本发明的硬件设备十分小巧，方便安装拆卸，也便于携带，损坏了易于替换。

3)本发明十分便携且可替换性高，加上第一点中成本低廉的优势，故非常利于推广，若付之于最常用的载体手机，用户粘性可以很高。

4)本发明以载体自带陀螺仪辅助进行校准，一次校准即可使用，并且有图像自对准功能。

5)本发明在保留偏振相机诸多优势的前提下，兼容滤出不同波段的滤波片，可针对不同拍摄物体或环境进行可拆卸式替换，十分简便。且对特定的环境、要求进行针对性算法的提供，如雾霾去除，如图像增强，如目标识别等；且软件算法数据库便于从云端或服务器端更新，便于接入互联网智能化，更新升级十分简单。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种偏振成像设备，其特征在于,所述偏振成像设备是一个便携成像设备，包括一个偏振片、相机成像模块以及旋转角度测量装置，所述偏振片设置在所述相机成像模块前，外部光线经过所述偏振片入射到所述相机成像模块内，所述偏振成像设备用于在一次旋转过程中连续拍照或进行视频拍摄，并使用在其中多个旋转角度下所拍取的多幅图像进行偏振成像；

其中所述偏振成像设备按照以下公式确定进入所述相机成像模块内偏振光束的偏振态：

I＝A·S_in

上式中，I是对于相机中任意一个像素测量，在n个旋转角度下拍照得到的光强信号所组成的光强向量：

I＝(i₁ i₂ i₃ … i_n)^T，n不小于3，

S_in是待测偏振光束的斯托克斯向量的前三个量：

S_in＝(s₀ s₁ s₂)^T，

A是由n个旋转角度所确定的单像素对应的仪器矩阵，其中，

$A(n,:)=(p_x^2+p_y^2,cos2{\mathrm{\θ}}_{p_n}\·(p_x^2-p_y^2),sin2{\mathrm{\θ}}_{p_n}\·(p_x^2-p_y^2)),$

p_x和p_y分别为偏振片通光极大方向和极小方向的出射光与入射光电场强度比，θ_p为偏振片极大通光方向的方位角，右下标中的数字变化代表不同旋转角度下的实际方位角，与上述的n对应，

待测偏振光束的斯托克斯向量S_in为：

S_in＝A^-1·I，A^-1为仪器矩阵A的逆或伪逆；

对于一次旋转过程，利用仪器矩阵A的条件数进行判别，仪器矩阵A的条件数k(A)：

k(A)＝||A||·||A^-1||，其中A的第二类范数为

其中，判断一次旋转过程是否覆盖了足够量的满足了条件数要求的区域，若一次旋转过程覆盖的所述区域低于阈值，则舍弃本次旋转过程所获得的所有图像数据；其中所述满足条件数要求是指条件数低于预定的条件数阈值；

一次旋转过程中，基于取得的第一张图像的图像中心设定可接受的波动范围，如果该图像中心波动出这个波动范围以外的图像的数量相对于图像总数的比例大于预定比例阈值，则舍弃本次旋转过程所获得的图像数据；且对于一次旋转过程中所取得的多幅图像，至少按照以下条件对图像进行筛选：以取得的第一张图像的图像中心为圆心，以一个阈值半径的圆作为该图像中心的可接受的波动范围，对于图像中心波动出这个圆以外的图像给予筛除；

一次旋转过程中，判断旋转速度是否高于阈值速度，若高于设定阈值，则舍弃本次旋转过程所获得的图像数据；对于一次旋转过程中所取得的多幅图像，至少按照以下条件对图像进行筛选：如果拍照或视频提取出的一幅图像的图像清晰度低于某个阈值，该图像给予筛除。

2.如权利要求1所述的偏振成像设备，其特征在于,一次旋转过程的总角度为0到180度，所取各图像对应的间隔旋转角度为0到180度的子集。

3.如权利要求1或2所述的偏振成像设备，其特征在于,对于一次旋转过程中所取得的多幅图像，至少按照以下条件对图像进行筛选：

拍照或视频取出各幅图像，利用仪器矩阵A的条件数进行判别，仪器矩阵A的条件数k(A)：

k(A)＝||A||·||A^-1||，其中A的第二类范数为

如果图像的条件数高于某个值，该图像给予筛除。

4.如权利要求1或2所述的偏振成像设备，其特征在于,所述偏振片前设置有滤光片。

5.如权利要求1或2所述的偏振成像设备，其特征在于,所述便携成像设备为手机。

6.一种偏振成像方法，其特征在于,采用如权利要求1-5任一项所述的偏振成像设备进行偏振成像。