CN107945141A - 一种在散射环境中基于圆偏振光的偏振图像复原方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在散射环境中基于圆偏振光的偏振图像复原方法，步骤(1)、将圆偏振光作为主动照明光；步骤(2)、获取四种状态下的光强图，计算得到光强图图像的总光强Stokes矢量，总光强Stokes矢量包括一部分物体反射光，其Stokes矢量另一部分粒子散射进入探测器的背景光，其Stokes矢量步骤(3)、计算得到后向散射光的光强A∞和偏振度Pscat；步骤(4)、通过圆偏振光与传统物理模型结合计算得到复原图像，最终复原图像L(x,y)。与现有技术相比，本发明首次将圆偏振光与传统的散射介质中偏振光学模型相结合的技术方案应用到散射介质环境下的偏振图像去雾领域，可弥补传统方法在强散射环境下效果差的不足，适用范围更加广泛；操作简单、效果明显。
Description
技术领域
本发明属于偏振成像探测技术领域，特别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YoavY.Schechner小组的研究，他们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；该小组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。
在实际情况中大多数的成像系统需要采用主动照明方式，例如深水区等强散射介质环境中。传统偏振成像复原方法中采用线偏振光作为主动照明光。线偏振光在散射介质中的保偏能力比较弱，在较强的散射介质中比较容易丧失其偏振特性和丢失偏振信息，所以不容易通过偏振复原的方法得到较为清晰的复原图像。
圆偏振光在散射介质中具有更好的保偏能力，即在散射介质中，圆偏振光不容易丧失其偏振特性和丢失偏振信息。若将圆偏振光作为主动照明光，结合传统的散射介质中偏振光学模型实现散射介质环境中的图像复原，特别是在较高浓度的散射介质环境下，进一步提高散射介质环境下的物体的偏振图像去雾复原质量，实现探测效果的提升，是本发明亟待解决的技术问题。
发明内容
基于上述的现有技术，本发明提出了一种在散射环境中基于圆偏振光的偏振图像复原方法，将圆偏振光结合传统的散射介质中偏振光学模型即可实现图像的复原，结合传统的散射介质中偏振光学模型实现散射介质环境中的图像复原，这样便可在散射介质中得到更为清晰的复原图像，而可以在散射环境中大大改善了图像的对比度。
1.本发明的一种在散射环境中基于圆偏振光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、将圆偏振光作为主动照明光；
步骤2、获取PSA中偏振片为0°45°90°以及四分之一波片为0°45°组合的四种状态下的光强图，计算得到光强图图像的总光强Stokes矢量，公式如下：
S0(x，y)＝S0′x，y，)+S″0(x，y)
上述公式中，总光强Stokes矢量包括一部分物体反射光，其Stokes矢量另一部分粒子散射进入探测器的背景光，其Stokes矢量其中S0(x,y)为探测器获取的总光强信息，S0′(x,y)为物体反射光的光强信息，S0″(x,y)为背景光的光强信息，S1′为水平和垂直两个方向线偏振光的光强差值，S2′为45°和135°两个方向线偏振光的光强差值，S3′为右旋圆偏振光与左旋圆偏振光的光强差值；S0″为背景光的总光强，S1″为水平和垂直两个方向背景光的光强差值，S2″为45°和135°两个方向背景光的光强差值，S3″为右旋圆背景光与左旋圆背景光的光强差值；
步骤3、对计算得到图像的Stokes矢量信息作归一化处理后，分别利用背景区域的Stokes矢量计算得到后向散射光的光强A∞和偏振度Pscat；具体包括以下计算：
全局参量A∞估算公式如下：
S0″(x,y)＝A∞[1-t(x,y)]→A∞
当t(x,y)→0时，得到估计的全局参量A∞；其中，S0″(x,y)表示后向散射光光强；t(x,y)表示散射介质的透射率，
偏振度Pscat估算公式如下：
当ρ(x,y)→∞时，得到估计的全局参量Pscat；其中，S1、S2、S3、S0分别表示四种状态下的散射光光强；
步骤4、根据后向散射光的光强A∞和偏振度Pscat，通过圆偏振光与传统物理模型结合计算得到复原图像，最终复原图像L(x,y)表达式为：
与现有技术相比，本发明能够达成以下积极效果：
1、本发明方法针对于各类散射介质环境下的图像去雾复原问题，特别是强散射介质，可弥补传统方法在强散射环境下效果差的不足，适用范围更加广泛；
2、操作简单、效果明显；
3、首次将圆偏振光与传统的散射介质中偏振光学模型相结合的技术方案应用到散射介质环境下的偏振图像去雾领域，利用圆偏振光在散射介质中的保偏能力，降低散射介质对物体反射光的光强度调制效应，获取更准确的物体反射光信息，从而大大提高了去雾图像的对比度和清晰度；
5、本发明方法操作简单、适用范围广、复原效果更加明显。
附图标记
图1为水下成像系统装置示意图；
图2为本发明的一种在散射环境中基于圆偏振光的偏振图像复原方法整体流程图；
图3为本发明实施例的位于散射介质中的原始光强图；
图4为本发明实施例的利用PSA系统获取的四组光强图；
图5为本发明实施例的复原后的去雾后图像：(5a)原始光强图；(5b)去雾复原图；
图6为本发明实施例的针对高浓度散射介质场景下的去雾后图像：(6a)原始光强图；(6b)去雾复原图；
附图标记：
1、激光光源(氦氖激光器)，2、扩束装置，3、起偏器(PSG)，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)。
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1所示，为本发明的一种在散射环境中基于圆偏振光的偏振图像复原方法，具体实现步骤如下：
步骤1、调整光源前的PSG系统产生圆偏振光，将圆偏振光作为主动照明光；
步骤2、调整相机前的偏振片和波片的角度分别获取PSA中偏振片为0°45°90°以及四分之一波片为0°45°组合的四种状态下的光强图，计算得到光强图的图像的Stokes矢量；
对计算得到图像的Stokes矢量信息作归一化处理后，分别利用背景区域的Stokes矢量计算得到后向散射光的光强值A∞和偏振度Pscat，具体包括以下计算：
全局参量A∞估算公式如下：
S0″(x,y)＝A∞[1-t(x,y)]→A∞
当t(x,y)→0时，得到估计的全局参量A∞；其中，S0″(x,y)表示后向散射光光强；t(x,y)表示散射介质的透射率，
偏振度Pscat估算公式如下：
当ρ(x,y)→∞时，得到估计的全局参量Pscat；其中，S0、S1、S2、S3分别表示四种状态下的散射光光强；
步骤4、根据后向散射光的光强A∞和偏振度Pscat，通过圆偏振光与传统物理模型结合计算得到复原图像，最终复原图像L(x,y)表达式为：
上述步骤中，采用圆偏振光作为主动照明光，利用圆偏振光的较强的保偏能力使图像在散射介质中不容易丧失其偏振特性和丢失偏振信息，通过PSA系统获得四种状态下的光强图并计算得到图像的Stokes矢量，能够获取更准确的物体反射光信息，并通过结合传统的散射介质中偏振光学模型实现散射介质环境中的图像复原，特别地，在较高浓度的散射介质环境下，该方法可进一步提高散射介质环境下的物体的偏振图像去雾复原质量，实现探测效果的提升。
本发明的理论依据：
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：
一部分为物体反射光，其Stokes矢量其中S0′为物体反射光的总光强，S1′为水平和垂直两个方向线偏振光的光强差值，S2′为45°和135°两个方向线偏振光的光强差值，S3′为右旋圆偏振光与左旋圆偏振光的光强差值。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后的Stokes矢量S'0(x,y)表示为：
S0′(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的光强值，t(x,y)表示介质的透射率，参数β(x,y)为衰减系数。
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，其Stokes矢量坐标(x,y)处像素的背景光的表达式为：
S0″(x,y)＝A∞[1-t(x,y)] (3)
其中，A∞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，其Stokes矢量
S0(x，y)＝S′0(x，y)+S″0(x，y) (4)
其中S0(x,y)为探测器获取的总光强信息，S0′(x,y)为物体反射光的光强信息，S0″(x,y)为背景光的光强信息。
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：
为了得到公式(5)中复原去雾后的图像L(x,y)，需要估计得到全局参量A∞和后向散射光S0″(x,y)，根据公式(6)可知，当探测器到被探测物体的距离ρ(x,y)→∞时t(x,y)→0，在这种情况下估计得到全局参量A∞，其表达式为：
S0″(x,y)＝A∞[1-t(x,y)]→A∞ (7)
对于低偏振度(DOP)物体，其反射光的偏振度是可以忽略的，即S1′＝S2′＝S3′＝0，然而散射光具有一定的偏振特性，所以通过偏振特性的差异估计后向散射光S0″(x,y)，将公式(4)表示为：
由公式(8)可知，对于探测物体为低偏振度(DOP)物体，其后向散射光的Stokes矢量的分量S1″＝S1,S2″＝S2,S3″＝S3；
将后向散射光的偏振度表示为：
得到后向散射光光强S0″(x,y)的公式为：
为了得到公式(5)中复原去雾后的图像，需要估计出全局参量A∞和Pscat。其中A∞通过公式(7)得到，Pscat可由背景区域散射光的Stokes计算得到：
根据以上公式可以得到最终复原图像L(x,y)表达式为：
基于圆偏振光的偏振图像去雾复原算法包括两个重要部分：利用圆偏振光在散射介质环境中的高保偏能力，采用圆偏振光作为入射光，使得在散射介质环境中可以得到更为清晰的偏振复原图像；将圆偏振光与传统的散射介质中偏振光学模型相结合实现散射介质环境中的图像复原。
如图2所示，为本发明方法涉及的一个基于散射介质中圆偏振光作为主动照明光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圆偏振光，相机前放置一个偏振分析器(PSA)，旋转此分析器可以得到四组光强图用来计算得到图像的Stokes矢量用透明水箱作为装水的水槽，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PSA后进入相机。
实际实验中，由于圆偏振光在散射介质环境中相比于线偏振光的保偏性更好，所以在实验中采用圆偏振光作为主动照明光。用写有文字的塑料板作为目标物体放入水箱中。如图4所示，利用PSA系统获取的四组光强图，即通过旋转相机前的PSA得到四组光强图。根据得到的四组光强图计算获得反射光的斯托克斯矢量，并利用图像中背景区域计算得到远场后向散射光强以及偏振度分布。将获得的Stokes矢量与传统的散射介质中偏振光学模型结合，最终得到复原后的去雾图和原始光强图对比图，如图5所示，为复原后的去雾后图像，可见该方法得到的图像更加清晰，效果更加明显。
本发明的优化方法通过实验进行了验证。
Claims (1)
1.一种在散射环境中基于圆偏振光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)、将圆偏振光作为主动照明光；
步骤(2)、获取PSA中偏振片为0°45°90°以及四分之一波片为0°45°组合的四种状态下的光强图，计算得到光强图图像的总光强Stokes矢量，公式如下：
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上述公式中，总光强Stokes矢量包括一部分物体反射光，其Stokes矢量另一部分粒子散射进入探测器的背景光，其Stokes矢量其中，S0(x,y)为探测器获取的总光强信息，S0′(x,y)为物体反射光的光强信息，S0″(x,y)为背景光的光强信息；S0′为物体反射光的总光强，S1′为水平和垂直两个方向线偏振光的光强差值，S2′为45°和135°两个方向线偏振光的光强差值，S3′为右旋圆偏振光与左旋圆偏振光的光强差值，S0″为背景光的总光强，S1″为水平和垂直两个方向背景光的光强差值，S2″为45°和135°两个方向背景光的光强差值，S3″为右旋圆背景光与左旋圆背景光的光强差值；
步骤(3)、对计算得到图像的Stokes矢量信息作归一化处理后，分别利用背景区域的Stokes矢量计算得到后向散射光的光强A∞和偏振度Pscat；具体包括以下计算：
全局参量A∞估算公式如下：
S0″(x,y)＝A∞[1-t(x,y)]→A∞
当t(x,y)→0时，得到估计的全局参量A∞；其中，S0″(x,y)表示后向散射光光强；t(x,y)表示散射介质的透射率，
偏振度Pscat估算公式如下：
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当被探测物体的距离ρ(x,y)→∞时，得到估计的全局参量Pscat；其中，S1、S2、S3、S0分别表示四种状态下的散射光光强；
步骤(4)、根据后向散射光的光强A∞和偏振度Pscat，通过圆偏振光与传统物理模型结合计算得到复原图像，最终复原图像L(x,y)表达式为：
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