CN107895348B - 一种在散射环境中非均匀光场下的偏振图像复原方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在散射环境中非均匀光场下的偏振图像复原方法，利用采集的两次正交偏振状态下光强信息得到总光强I(x,y)和偏振差分值ΔI(x,y)；根据总光强I(x,y)和偏振差分值ΔI(x,y)，分析并提取出背景区域；计算得到在散射介质中延伸到无穷远处的后向散射值A_∞以及背景区域后向散射光的偏振度分布P_scat，通过三维曲面拟合得到后向散射偏振度在全空间的偏振度分布

得到复原图像L⁽ⁿ⁾；计算复原图像L⁽ⁿ⁾的EME值；在n次多项式拟合过程中采用最优化方法搜寻使图像清晰度最高的拟合偏振度函数，并将此偏振度作为后向散射的偏振度分布函数；将复原去雾图像L^(n‑1)作为最终的复原结果。本发明达到在不牺牲任何区域细节的条件下提高复原质量，并且操作简单、适用范围广、复原效果更加明显。

Description

一种在散射环境中非均匀光场下的偏振图像复原方法

技术领域

本发明本发明涉及图像复原方法，尤其涉及一种在散射环境中的偏振图像复原方法。

背景技术

偏振信息作为光波的基本物理信息之一，可以提供其它光波信息所不能提供的被测物信息。偏振成像技术便是基于此思想发展起来的新型光学探测技术。

尤其是在散射环境下，基于偏振成像技术的目标探测和识别具有其它成像方式无法比拟的独特优势和特殊应用。该领域具有奠基性的是美国的Yoav Y.Schechner小组的研究。该研究假设进入相机的光分为两部分，一部分是物体实际反射的光，另一部分是由水下或者空气中的粒子散射进入相机的光；认为来自物体的反射光偏振度为0，粒子散射光具有一定的偏振度且为全局常数，从而构建了散射环境下偏振成像简化模型。但是，在例如深水区等大多数实际情况的成像系统需要采用主动照明方式。然而这种情况的光场条件为非均匀的，因而导致在场景中粒子散射光的偏振度在全空间上的不均匀分布。如果采用该小组偏振成像简化模型对此情况下的图像复原，则会导致图像中一部分细节复原的很好，另一部分细节则会被牺牲掉。

综上，采取上述现有技术所得到的偏振图像复原效果不能满足需求。

发明内容

本发明的目的是提出一种在散射环境中非均匀光场下的偏振图像复原方法，考虑并利用光场非均匀性造成的后向散射光偏振度在空间分布的不均的影响，通过对背景区域后向散射光偏振度的三维拟合得到全局内后向散射光偏振度的分布，进而通过进一步计算得到复原后的去雾图像。

本发明的一种在散射环境中非均匀光场下的偏振图像复原方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、输入偏振分析器旋转得到的正交偏振状态下的两次光强I^||和I^⊥的光强图；

步骤2、将采集得到的两次正交偏振状态下光强信息进行归一化处理后对其做和差处理，得到总光强I(x,y)和偏振差分值ΔI(x,y)

I(x,y)＝I^||(x,y)+I^⊥(x,y)

＝[D^||(x,y)+B^||(x,y)]+[D^⊥(x,y)+B^⊥(x,y)].

ΔI(x,y)＝I^||(x,y)-I^⊥(x,y)

其中D(x,y)为物体反射光，B(x,y)为散射环境中粒子的后向散射光；

步骤3、根据得到的总光强I(x,y)和偏振差分值ΔI(x,y)，通过Canny边缘检测方法寻找拍摄物体的边缘，并由此将物体提取出来得到图像中的背景区域；

步骤4、选取背景区域，计算得到在散射介质中延伸到无穷远处的后向散射值A_∞以及背景区域后向散射光的偏振度分布P_scat；

步骤5、设定拟合次数n从n＝1开始；

步骤6、通过三维曲面拟合得到后向散射偏振度在全空间的偏振度

其中，n表示拟合多项式的阶数，p_ij表示多次曲面函数中的参数，通过已知背景区域后向散射光偏振度拟合得到；(x,y)表示图像中像素坐标；

步骤7、将在散射介质中延伸到无穷远处的后向散射值A_∞、背景区域后向散射的偏振度分布P_scat和偏振差分值ΔI(x,y)代入复原图像L得到拟合后的复原图像L⁽ⁿ⁾(x,y)，公式如下：

其中，t(x,y)表示透射率；

步骤8、计算拟合后的复原图像L⁽ⁿ⁾(x,y)的EME值，EME值作为图像清晰度的判据，EME值越大则图像越清晰；

步骤9、若满足EME⁽ⁿ⁾＜EME^(n-1)，在n次多项式拟合过程中采用最优化方法搜寻出使图像清晰度最高的拟合偏振度函数，并将此偏振度作为后向散射的偏振度分布函数；

步骤10、将复原去雾图像L^(n-1)作为最终的复原结果。

与现有技术相比，本发明达到了在不牺牲任何细节的条件下提高水下物体的成像质量，并且操作简单、适用范围广、复原效果更加明显。

附图说明

图1为水下成像系统装置示意图；

附图标记：1、激光光源(氦氖激光器)，2、扩束装置，3、起偏器，4、透明水箱，5、被探测目标物体，6、偏振分析器(PSA)，7、光强探测器件(CCD相机)；

图2为本发明的一种在散射环境中非均匀光场下的偏振图像复原方法流程示意图；

图3为含雾原始光强图；

图4为两次正交偏振状态下光强图，(a)水平偏振态光强图；(b)垂直偏振态光强图。红色方框表示背景区域，用于估计远场后向散射强度；

图5为背景区域后向散射光偏振度P_scat(x,y)三维图；

图6为对图3背景区域后向散射光偏振度P_scat(x,y)的多次曲面拟合图；

图7为该方法复原后的去雾图与Schechner方法的去雾图的对比。

具体实施方式

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。

如图2所示，为本发明提供一种在散射环境中非均匀光场下的偏振图像复原方法的具体算法流程。具体实现步骤为：

步骤1、依据CCD相机7前的偏振分析器6(PSA)的旋转得到正交偏振状态下的两次光强I^||和I^⊥的光强图；

步骤2、将采集得到的两次正交偏振状态下光强信息进行归一化处理后对其做和差处理，得到总光强I(x,y)和偏振差分值ΔI(x,y)；

步骤3、根据得到的总光强I(x,y)和偏振差分值ΔI(x,y)，通过边缘分析寻找并提取出图像中的背景区域；

步骤4、选取背景区域计算得到在散射介质中延伸到无穷远处的后向散射值A_∞以及背景区域后向散射光的偏振度分布P_scat；

步骤5、设定拟合次数n从n＝1开始；

步骤6、通过三维曲面拟合得到后向散射偏振度在全空间的偏振度分布

步骤7、将在散射介质中延伸到无穷远处的后向散射值A_∞、背景区域后向散射的偏振度分布P_scat和偏振差分值ΔI(x,y)代入复原图像L得到拟合后的复原图像L⁽ⁿ⁾(x,y)；

步骤8、计算拟合后的复原图像L⁽ⁿ⁾(x,y)的EME值，EME值作为图像清晰度的判据，EME值越大则图像越清晰；

步骤9、通过判断是否满足EME⁽ⁿ⁾＜EME^(n-1)，在n次多项式拟合过程中采用最优化方法搜寻出使图像清晰度最高的拟合偏振度函数，并将此偏振度作为后向散射的偏振度分布函数；

步骤10、根据得到的全空间的偏振度分布计算得到复原去雾图像L^(n-1)，并传统偏振去雾方法进行对比，验证本方法的可行性。

步骤4中，对后向散射光偏振度P_scat的估计，在非均匀光场下后向散射偏振度P_scat将不是全局常数，而是随空间位置发生变化。该方法对后向散射光偏振度P_scat的估计是通过三维曲面拟合比较精确的得到后向散射偏振度的空间分布，并由此计算得到的复原图像与传统去雾方法相比，图像更加清晰并且对任何细节复原度都非常高。

本发明上述流程中的理论依据如下：

在探测散射介质中目标时，探测器接受到的光可分为两部分：

一部分光为物体反射光，在散射介质中传输时这部分光由于散射粒子的吸收和散射作用发生衰减：

D(x,y)＝L(x,y)t(x,y) (1)

t(x,y)＝e^{-β(x,y)ρ(x,y)} (2)

其中，(x,y)表示图中像素的坐标；L(x,y)表示未经过散射粒子衰减的物体反射光；t(x,y)表示介质的透射率，参数β(x,y)为衰减系数，假设衰减系数为的常数，即β(x,y)＝β₀。

另一部分为粒子散射进入探测器的光，称为背景光或后向散射光。背景光的表达式为：

B(x,y)＝A_∞[1-t(x,y)] (3)

其中，A_∞表示对应于在散射介质中延伸到无穷远处的后向散射值。

由此得到探测器接受到的总光强为：

I(x,y)＝D(x,y)+B(x,y) (4)

根据以上的公式，可以得到实际物体反射光L(x,y)和透射率t(x,y)为：

利用正交偏振图像的差异性来实现对物体的探测，即通过将相机前的PSA分别调制到两个正交的状态，得到同一幅图像的相互正交的两种偏振状态I||和I⊥，则总光强可表示为：

不失一般性地，后向散射光的偏振度表示为：

ΔB(x,y)＝ΔI(x,y)-ΔD(x,y) (9)

其中，ΔI(x,y)和ΔD(x,y)表示探测器获得的光强的偏振差分值及物体反射光强的偏振差分值；对于低DOP物体，其反射光的偏振度可以忽略，即ΔD(x,y)≈0，所以由公式(6)、公式(8)和公式(9)，进一步得到透射率t(x,y)的表达式为：

根据公式(6)可知，当ρ(x,y)→∞时t(x,y)→0。在这种情况下得到：

B(x,y)＝A_∞[1-t(x,y)]→A_∞ (11)

为了得到公式(5)中复原去雾后的图像L(x,y)，需要估计出全局参量A_∞和P_scat，其中A_∞可以通过公式(11)得到，所以接下来对P_scat的估计显得尤为重要。

传统偏振复原方法中对P_scat的估计是利用计算背景区域的后向散射光的偏振度，假设P_scat为全局常数代入公式(10)和公式(5)计算得到复原图像L，其表达式为：

但是这种假设只适用于均匀光场下，然而在非均匀光场下，全空间粒子后向散射光偏振度P_scat将不是全局常数，而是随着空间位置变化的函数。此方法正是解决了这种非均匀性造成的问题，其中全空间后向散射偏振度分布函数的具体估计过程为：

通过公式(8)计算得到背景区域后向散射光的偏振度分布，利用已知背景区域后向散射偏振度的分布并通过多项式拟合可得到全空间中后向散射的偏振度分布

其中多项式曲面拟合函数为：

其中，n表示拟合多项式的阶数，p_ij为多次曲面函数中的参数，通过已知背景区域后向散射光偏振度拟合得到；(x,y)为图像中像素坐标。

将公式(13)拟合得到

代入公式(10)，得到的透射率t⁽ⁿ⁾(x,y)代入公式(5)，最终得到复原去雾后的图像L⁽ⁿ⁾(x,y)，表达式为：

在拟合过程中需要确定多项式的阶数n，其确定方法为：

在n阶曲面拟合过程中，以EME值作为图像清晰度的判据、n为未知参数，采用最优化方法搜寻出图像对比度最高的复原图像L⁽ⁿ⁾(x,y)对应的阶数n，得到相应拟合偏振度函数

及复原图像L⁽ⁿ⁾(x,y)，具体算法流程如图2所示。

如图1所示，为本发明方法涉及的一个基于散射介质中主动照明条件下的水下成像装置图实例，其中所选用的光强探测器件是黑白相机。光源前放置一个起偏器产生线偏振光，相机前放置一个偏振分析器(PSA)6，旋转此分析器可以得到同一幅图像相互正交的两种偏振状态I^||和I^⊥。用透明水箱4作为装水的水槽，在水槽中放入牛奶和清水使其浑浊作为产生散射环境，并将探测目标放入水中，红光光源组发出的光经过扩束装置组和起偏器后入射到水中物体上，经反射通过偏振分析器(PSA)6后进入相机。

基于背景光偏振度拟合的非均匀光场散射介质偏振图像复原方法具体步骤如下：

实际实验中，用塑料板作为目标物体放入水箱中，通过旋转相机前的PSA正交两种状态得到两种偏振状态I^||和I^⊥的光强图，如图4所示。

通过边缘搜索找到图像中的背景区域并计算得到背景区域的远场后向散射光强以及偏振度分布，偏振度分布如图5所示。由于光场的非均匀性导致的后向散射光偏振度在全空间分布的不均匀，需要估计后向散射光偏振度在全空间的分布，利用已知背景区域散射光偏振度通过多次曲面拟合得到偏振度在全空间的分布曲面，其分布如图6所示。根据理论算法得到复原后的去雾图和Schechner方法的去雾的对比图(如图7)，比较发现该方法得到的图像更加清晰，效果更加明显。

在研究中利用EME值作为图像清晰度的判据，EME值越大则图像越清晰，其表达式为：

其中图像在两个维度(k,l)被分为k₁×k₂块，

和

为第ω块中的最大光强和最小光强，q(等于0.0001)是一个非常小的常数用来避免公式(15)中分母为0，并不影响EME计算结果。由公式(16)计算出的EME值越高，则说明图像质量越好。

Claims (2)

1.一种在散射环境中非均匀光场下的偏振图像复原方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤(1)、输入偏振分析器旋转得到的正交偏振状态下的两次光强I^||和I^⊥的光强图；

步骤(2)、将采集得到的两次正交偏振状态下光强信息进行归一化处理后对其做和差处理，得到总光强I(x,y)和偏振差分值ΔI(x,y)

I(x,y)＝I^||(x,y)+I^⊥(x,y)

＝[D^||(x,y)+B^||(x,y)]+[D^⊥(x,y)+B^⊥(x,y)].

ΔI(x,y)＝I^||(x,y)-I^⊥(x,y)

其中D(x,y)为物体反射光，B(x,y)为散射环境中粒子的后向散射光；

步骤(3)、根据得到的总光强I(x,y)和偏振差分值ΔI(x,y)，通过Canny边缘检测方法寻找拍摄物体的边缘，并由此将物体提取出来得到图像中的背景区域；

步骤(4)、选取背景区域，计算得到在散射介质中延伸到无穷远处的后向散射值A_∞以及背景区域后向散射光的偏振度分布P_scat；

步骤(5)、设定拟合次数n从n＝1开始；

步骤(6)、通过三维曲面拟合得到后向散射偏振度在全空间的偏振度分布

其中，n表示拟合多项式的阶数，p_ij表示多次曲面函数中的参数，通过已知背景区域后向散射光偏振度拟合得到；(x,y)表示图像中像素坐标；

步骤(7)、将在散射介质中延伸到无穷远处的后向散射值A_∞、背景区域后向散射的偏振度分布P_scat和偏振差分值ΔI(x,y)代入复原图像L得到拟合后的复原图像L⁽ⁿ⁾(x,y)，公式如下：

其中，t(x,y)表示透射率；

步骤(8)、计算拟合后的复原图像L⁽ⁿ⁾(x,y)的EME值，EME值作为图像清晰度的判据，EME值越大则图像越清晰；

步骤(9)、若满足EME⁽ⁿ⁾＜EME^(n-1)，在n次多项式拟合过程中采用最优化方法搜寻出使图像清晰度最高的拟合偏振度函数，并将此偏振度作为后向散射的偏振度分布函数；

步骤(10)、将复原去雾图像L^(n-1)作为最终的复原结果。

2.如权利要求1所述的一种在散射环境中非均匀光场下的偏振图像复原方法，其特征在于，所述步骤(4)中，对后向散射光偏振度P_scat的估计，在非均匀光场下后向散射偏振度P_scat为非全局常数，随空间位置发生变化；对后向散射光偏振度P_scat的估计是通过三维曲面拟合比较精确的得到后向散射偏振度的空间分布。

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