CN107817050A - 基于彩色相机的多光谱彩色偏振成像对比度优化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于彩色相机的多光谱彩色偏振成像对比度优化的方法，步骤(1)、在可见光波段宽光谱照明的环境下，利用偏振成像系统和彩色相机对目标场景进行宽光谱彩色偏振成像；步骤(2)、通过连续调节偏振调制状态，对目标场景的进行遍历扫描成像，并记录所拍摄场景在各个PSA状态下的彩色偏振图像；步骤(3)、根据对比度判据，搜寻对比度最优化的PSA的偏振调制状态；步骤(4)、根据最优化的PSA状态，利用彩色相机对场景进行宽光谱彩色偏振成像，并获得对比度最优化图像。本发明将偏振图像的对比度优化拓展至三维彩色空间，增强了对比度优化的效果；弥补了传统灰度对比度优化面对同一场景中的多个物体时区分识别效果较差的缺点。

Description

基于彩色相机的多光谱彩色偏振成像对比度优化的方法

技术领域

本发明涉及偏振成像探测技术领域，特别是涉及一种多光谱彩色偏振成像对比度优化的方法。

背景技术

偏振信息是一种光波特有的基本物理信息，可以表征一些其它光波信息所无法体现的光学特性，因此在光学测量和成像领域具有丰富的应用成果和广泛的应用前景。

Stokes矢量是一种描述光波偏振状态的四维矢量，可以表征最基本的光学偏振信息，因此Stokes矢量测量及其应用技术成为了偏振测量及成像领域的一大主要内容。

被动式偏振成像系统已经广泛应用于Stokes偏振成像领域，该系统具有结构简单，易于实现自动化控制，测量精度较高等优点。目前该系统主要应用与单波长灰度偏振成像对比度优化研究。虽然可以实现不同区域的灰度对比度优化，然而由于其仅对单波长成像进行研究，没能利用宽光谱成像的丰富偏振信息，并且其输出为灰度图像，并未利用色彩上的区别能力，因此对于偏振特性相差不大的不同物体区分度不高，并且难以应用于宽光谱场景。

发明内容

基于现有技术，本发明公开了一种基于彩色相机的多光谱彩色偏振成像对比度优化的方法，利用基于彩色相机的被动式偏振成像系统，通过自动控制扫描对目标场景的彩色偏振成像状态进行遍历，从而获得该场景不同区域在任意偏振调制状态下的彩色图像RGB平均值；以不同区域的颜色差异最大作为最优化判据，获得该场景彩色对比度最优化时的PSA状态，由此利用彩色相机采集得到彩色对比度最优化的偏振图像，该图像中具有不同偏振特性的区域将表现出明显的颜色差异，即达到了对比度优化的目的。

本发明的一种基于彩色相机的多光谱彩色偏振成像对比度优化的方法，该方法包括以下步骤：

1.一种基于彩色相机的多光谱彩色偏振成像对比度优化的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤(1)、在可见光波段宽光谱照明的场景条件下，利用由液晶延迟器构成的被动式偏振系统对场景光进行调制，并利用彩色CCD相机对偏振调制场景进行宽光谱彩色成像；

步骤(2)、通过连续调节偏振调制状态，分别得到对两个偏振区域的四组测量结果；对被测目标场景的进行遍历扫描成像，并记录所拍摄场景在各个偏振分析器PSA状态下的彩色偏振图像；得到测量结果的为Stokes矢量S＝[S₀,S₁,S₂,S₃]^T；其中，S₀、S₁、S₂、S₃分别为四组测量结果的Stokes矢量；将两个偏振区域a、b对应的Stokes参量分别表示为S_a、S_b；

步骤(3)、对于所拍摄的被测目标场景中具有不同偏振特性的两个偏振区域，以颜色差异作为对比度判据；根据该对比度判据，搜寻获得对比度最优化的偏振调制状态；即：找到最优化的特征矢量T_opt，使在该偏振调制状态下两个偏振区域a、b对应的RGB空间坐标点的几何距离最大；此时T_opt应满足下述条件：

其中，R_a、R_b、G_a、G_b、B_a、B_b分别表示两个偏振区域a、b对应的RGB空间坐标点的的RGB色彩分量；V₁、V₂分别表示与偏振调制状态调节相关的调节电压值；

步骤(4)、根据步骤(3)所得到最优化的偏振调制状态，利用彩色相机对场景进行宽光谱彩色偏振成像，并获得对比度最优化图像。

与现有技术相比，本发明具有如下积极效果：

1、将偏振图像的对比度优化由灰度空间拓展至三维彩色空间，增强了对比度优化的效果。

2、弥补了传统灰度对比度优化面对同一场景中的多个物体时区分识别效果较差的缺点，可以利用色彩差异将不同区域的区分效果增强。

附图说明

图1为基于液晶延迟器的多光谱彩色偏振成像系统结构示意图；

图2为实施例场景的原始灰度图像；

图3为实施例场景的最优化状态下的彩色图像；

图4为实施例场景彩色对比度随液晶延迟器的电压分布图。

附图标记：1、LED光源，2、反射板(上有偏振场景)，31、32、液晶延迟器，4、偏振片，5、彩色CCD相机。

具体实施方式

本发明的基于彩色相机的多光谱彩色偏振成像对比度优化的方法，将基于被动式偏振成像系统的偏振灰度图像对比度优化技术拓展至彩色领域，实现了在可见光波段宽光谱照明条件下真实彩色偏振图像的对比度优化，具有传统方法无法比拟的优势。

下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步的详细描述。

本发明实施例描述如下：

被测场景包括具有不同偏振特性的两个区域，并采用基于液晶延迟器和彩色CCD相机的偏振成像系统进行对比度优化。

如图1所示，为本发明实施例采用的基于液晶延迟器的偏振成像系统结构示意图。在该系统中，LED光源1发出的光入射到反射板2上，经反射板2反射后形成随波长变化的Stokes矢量，再经过由两个液晶延迟器31、32和偏振片4组成的偏振态分析器(PSA)后进入彩色CCD相机5；通过调节加载在两个液晶延迟器31、32的电压，获得测量矩阵W中的各个偏振状态；其中所选用的光强探测器件是StingrayF-033C型彩色CCD相机。

以上述实施例的基于液晶延迟器的Stokes偏振成像系统为例，本发明的基于彩色相机的多光谱彩色偏振成像对比度优化的方法中的PSA成像及扫描原理如下：

本发明以包含两个具有不同偏振特性区域的场景为例，介绍Stokes偏振成像的基本原理和彩色偏振图像对比度优化的理论方法。

在测量单一入射光照射的前提下，考虑由两个具有不同偏振特性的物体组成的被测场景，单一波长下的Stokes矢量测量方法表示为：

S＝W^-1I (1)

其中，I＝[i₁,i₂,i₃,i₄]^T为一四阶列向量，每一个分量表示在一确定PSA状态下的调制光强；W为4x4的测量矩阵，该矩阵由四次测量过程中PSA每一次的状态所决定。每一行都可以认为是一组Stokes矢量；S＝[S₀,S₁,S₂,S₃]^T表示待测的Stokes矢量。

上述方法中的光强i是由CCD相机对目标场景进行拍摄后取其图像中某物体部分灰度平均值得到的。在上述前提下，可测得两个偏振区域对应的Stokes参量为S_a、S_b。

在入射光以单波长形式入射的条件下，基于液晶延迟器的偏振分析器(PSA)对偏振光的调制功能是由其加载在两个液晶延迟器的电压决定的，在给定两个液晶延迟器电压V₁和V₂并已知物体Stokes参量的条件下，物体反射光经PSA调制所得到的出射光强可由下式表示为：

其中，测量矢量T为矩阵W的第一行行矩阵，即为PSA的特征矢量。公式(2)同时提供了单波长下基于液晶延迟器的偏振成像系统的基本成像原理。

当入射光以宽光谱形式入射时，测量矢量T与Stokes参量S均随波长变化，此时波长为λ的出射光强表示为：

i(λ)＝T(V₁,V₂,λ)^TS(λ) (3)

当出射光通过彩色CCD相机时，由于彩色CCD的RGB通道具有不同的量子转换效率，其探测得到的RGB光强大小表示为：

其中Q_k(λ)为彩色CCD在RGB通道下量子转换效率随波长变化的函数。

考虑同一场景中具有不同偏振特性的两个物体分别对应偏振区域a、b，在给定液晶延迟器电压V₁和V₂的条件下，其色彩空间RGB坐标值为：

P_i(R_i,G_i,B_i)＝(i_R ⁱ(V₁,V₂),i_G ⁱ(V₁,V₂),i_B ⁱ(V₁,V₂)).i∈a,b (5)

设不同区域彩色空间颜色差异可用其RGB空间坐标点的几何距离衡量；为使得图像彩色对比度最大，需找到最优化的特征矢量T_opt，使在该状态下ab两区域RGB空间坐标点的几何距离最大。此时T_opt应满足下述条件：

由此，可以实现多光谱偏振成像的对比度优化并获得最优化彩色图像。在该图像中，具有不同偏振特性物体的颜色将有明显差别，可以直观的对其进行区分。

在可见光波段宽光谱照明的环境下，通过调节偏振分析器的偏振状态，利用优化搜寻得到彩色对比度最优化的偏振分析器PSA偏振调制状态，从而实现了场景彩色偏振图像对比度优化，所得到彩色偏振图像的不同区域将表现出较大的色彩差异，从而有利于对其进行区分和识别。

如图2所示，为实施例场景的原始灰度图像。

如图3所示，为实施例场景的最优化状态下的彩色图像。在最优化状态下的彩色图像中，物体a和物体b的平均RGB坐标分别为P_a＝(0.055,0.239,0.655)和P_b＝(0.243,0.388,0.345)。从图3可以看出，物体a和物体b具有不同的颜色，色彩对比度较高。

如图4所示，为实施例场景彩色对比度随液晶延迟器的电压分布图。即经遍历扫描得到的场景彩色对比度与液晶延迟器电压组合的分布图。其最优化电压组合为：V₁＝3.35V，V₂＝5.2V。

Claims (1)

1.一种基于彩色相机的多光谱彩色偏振成像对比度优化的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤(1)、在可见光波段宽光谱照明的场景条件下，利用由液晶延迟器构成的被动式偏振系统对场景光进行调制，并利用彩色CCD相机对偏振调制场景进行宽光谱彩色成像；

步骤(2)、通过连续调节偏振调制状态，分别得到对两个偏振区域的四组测量结果；对被测目标场景的进行遍历扫描成像，并记录所拍摄场景在各个偏振分析器PSA状态下的彩色偏振图像；得到测量结果的为Stokes矢量S＝[S₀,S₁,S₂,S₃]^T；其中，S₀、S₁、S₂、S₃分别为四组测量结果的Stokes矢量；将两个偏振区域a、b对应的Stokes参量分别表示为S_a、S_b；

步骤(3)、对于所拍摄的被测目标场景中具有不同偏振特性的两个偏振区域，以颜色差异作为对比度判据；根据该对比度判据，搜寻获得对比度最优化的偏振调制状态；即：找到最优化的特征矢量T_opt，使在该偏振调制状态下两个偏振区域a、b对应的RGB空间坐标点的几何距离最大；此时T_opt应满足下述条件：

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其中，R_a、R_b、G_a、G_b、B_a、B_b分别表示两个偏振区域a、b对应的RGB空间坐标点的RGB色彩分量；V₁、V₂分别表示与偏振调制状态调节相关的调节电压值；

步骤(4)、根据步骤(3)所得到最优化的偏振调制状态，利用彩色相机对场景进行宽光谱彩色偏振成像，并获得对比度最优化图像。