CN108447025B - 一种基于单幅图像采集的偏振图像去雾方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单幅图像采集的偏振图像去雾方法，步骤(1)、将采集到的图像经正交偏振分解得到两幅正交偏振状态下的子图；步骤(2)、根据两种正交偏振状态I^P和I^⊥下的子图进行差分偏振复原。与现有技术相比，本发明在较高浓度的散射介质环境下，可有效提高散射介质环境下的图像去雾复原质量，实现探测效果的提升，操作简单、适用范围广、复原效果加明显；只需对单幅图进行正交偏振分解预处理，结合传统的物理模型即可实现图像的复原，在实际操作过程中对硬件的要求低，无需偏振片等偏振装置。

Description

一种基于单幅图像采集的偏振图像去雾方法

技术领域

本发明涉及偏振成像探测领域的图像去雾复原方法，尤其涉及一种基于单幅图像采集的偏振图像去雾技术。

背景技术

强散射环境下，基于偏振成像技术的图像去雾复原算法有着无法比拟的独特优势和特殊应用。该领域具有奠基性的是以色列的Schechner小组的研究：假设进入探测器的光由两部分构成，一部分是物体实际反射的光，另一部分是由散射介质粒子散射进入探测器的光；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，从而构建了散射介质下偏振成像简化模型。但是传统的偏振模型必须通过获取两个正交偏振状态下的图才能实现，对实际环境和硬件条件有很大的要求。这样极大限制了偏振图像去雾算法在实际中的应用。由于实际中更容易获取单幅光强图像，因此基于单幅图像的去雾技术有着更广泛的应用。

实际情况中，散射介质(浑浊液体，雾霾等)对物体具有一定的光强度和偏振度调制作用。由于现实场景中的大多物体是不具有起偏特性的，场景中的偏振特性大多来源于散射介质，如果用偏振度简单刻画这种偏振特性，背景处的偏振度略高于物体处，且在物体处的偏振度具有近似无差异性，即近似是一个全局常数。且随着散射介质浓度的升高，背景区域和目标物体区域的偏振度差别变小。

发明内容

本发明的目的在于克服传统偏振图像去雾复原技术中存在的不足，提供一种基于单幅图像采集的偏振图像去雾技术。基于散射介质环境下的偏振度分布规律，首次将偏振去雾算法应用到单幅图，通过对单幅含雾图像进行正交偏振分解得到两幅正交偏振状态下的子图，并与偏振去雾还原技术结合，可便捷地复原出散射介质中物体原始反射光强，实现含雾图像的去雾复原。

本发明的一种基于单幅图像采集的偏振图像去雾方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、将采集到的图像经正交偏振分解得到两幅正交偏振状态下的子图，即利用正交偏振图像的差异性来实现对图像中物体的探测和识别，通过偏振控制的调整来获取目标物体两种正交偏振状态I^||和I^⊥下的子图；

步骤2、根据两种正交偏振状态I^||和I^⊥下的子图进行差分偏振复原，具体算法如下：

将图像中场景的偏振度设定为常数P，两幅正交偏振状态下的子图的光强表达式分别如下：

得到总光强为：

I(x,y)＝I^||(x,y)+I^⊥(x,y)

按照以下公式进行调整，得到背景区域的偏振度P_scat：

P_scat＝εP

其中，ε为调整因子；

将背景光的光强表示为：

B(x,y)＝A_∞[1-t(x,y)]

其中，A_∞表示对应于在介质中延伸到无穷远处的后向散射值，在假设目标与探测器之间的距离ρ(x,y)→∞时t(x,y)→0，有B(x,y)＝A_∞[1-t(x,y)]→A_∞，从而获得对应于在介质中延伸到无穷远处的后向散射值A_∞的估计结果；

将透射率t(x,y)的表达式

对应于在介质中延伸到无穷远处的后向散射值A_∞以及总光强I(x,y)表达式I(x,y)＝I^||(x,y)+I^⊥(x,y)代入下式计算得到最终复原去雾后的图像L(x,y)：

与现有技术相比，本发明具有以下积极地技术效果：

在较高浓度的散射介质环境下，可有效提高散射介质环境下的图像去雾复原质量，实现探测效果的提升，操作简单、适用范围广、复原效果加明显；

只需对单幅图进行正交偏振分解预处理，结合传统的物理模型即可实现图像的复原，在实际操作过程中对硬件的要求低，无需偏振片等偏振装置。

附图说明

图1为本发明的一种基于单幅图像采集的偏振图像去雾方法整体流程示意图；

图2为本发明实施例针对实际雾霾天气下的场景(a)的去雾复原图像(b)；

图3为本发明实施例针对实际雾霾天气下的场景(c)的去雾复原图像(d)；

图4为本发明实施例针对图2和3中标记的细节的去雾效果的放大图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明加以详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的理论依据描述如下：

在探测散射环境下的目标时，探测器接受到的光为两部分：

一部分光为物体反射光；在散射介质中传输时，这部分光由于介质中粒子的吸收和散射作用发生衰减，反射光的光强表达式为：

D(x,y)＝L(x,y)t(x,y) (1)

其中，(x,y)表示图中像素的坐标；L(x,y)表示未经过散射介质中粒子衰减的物体反射光；t(x,y)表示介质的透射率，其表达式为：

t(x,y)＝e^-β(x,y)ρ(x,y) (2)

其中，β(x,y)表示衰减系数，该系数是由散射介质中粒子的吸收和散射效应引起的。在实验中，假设衰减系数为不随空间变化的常数，即β(x,y)＝β₀，ρ(x,y)表示目标与探测器之间的距离。

另一部分光为散射介质中散射粒子散射进入探测器的光，被称为背景光或者后向散射光，背景光的光强表达式为：

B(x,y)＝A_∞[1-t(x,y)] (3)

其中，A_∞表示对应于在介质中延伸到无穷远处的后向散射值。

由此得到探测器接收到的总光强表达式为：

I(x,y)＝D(x,y)+B(x,y) (4)

根据以上的公式推导，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和识别，即通过调整系统中的偏振控制单元，获取目标物体两种正交偏振状态I^||和I^⊥下的光强图。总光强可表示为：

后向散射光的偏振度可表示为：

其中，ΔI(x,y)和ΔD(x,y)分别表示探测器获得的总光强及物体反射光强的偏振差分值；ΔB(x,y)表示对于低DOP物体，其反射光的偏振度是可以忽略的，即ΔD(x,y)≈0，所以由公式(6)、公式(7)和公式(8)，进一步得到透射率t(x,y)的表达式为：

将公式(9)中透射率t(x,y)的表达式代入公式(5)，得到最终复原去雾后的图像L(x,y)。

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_∞ (10)

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_∞通过公式(10)得到，P_scat计算公式如下：

但是传统的偏振模型必须通过获取两个正交偏振状态下的光强图方能实现，对硬件条件有很大的要求。这样极大限制了偏振去雾算法在实际中的应用。

实际情况中，散射介质(浑浊液体，雾霾等)对物体具有一定的光强度和偏振度调制作用。由于现实场景中的大多物体是不具有起偏特性的，场景中的偏振特性大多来源于散射介质，如果用偏振度简单刻画这种偏振特性，背景处的偏振度略高于物体处，且在物体处的偏振度具有近似无差异性，即近似是一个常数。

本发明的基于单幅图像采集的偏振图像去雾方法包括两个重要部分，即：

步骤1、正交偏振分解得到两幅正交偏振状态下的子图，即利用正交偏振图像的差异性来实现对物体的探测和识别，通过偏振控制的调整来获取目标物体两种正交偏振状态I^||和I^⊥下的子图；

步骤2、根据正交偏振状态下的子图进行差分偏振复原，具体算法如下：

假设场景的偏振度是一个常数P，原始光强图I(X)分解为两幅正交偏振状态下的子图，光强表达式分别如下：

但由于背景处的偏振度略高于其他物体区域，因此在背景区域的P_scat可通过一个大于1的因子ε调整：

P_scat＝εP (13)

基于正交偏振子图，根据传统的偏振复原方法即可得到清晰的去雾复原图。

实施例：在实际雾霾天气下的场景，该方法有十分出色的效果，如图1和图2所示，原始光强图中矩形框部分几乎看不到任何信息，根据该算法得到去雾复原图中可以清晰的辨识图像内容，同时场景的色彩信息有很好的保持。

如图3所示，根据图1和2中标记的细节的去雾效果的放大图可以看出，该算法可以有效的恢复含雾图像的细节部分，且对于微弱的图像信息亦具有良好的复原效果。

Claims (1)

1.一种基于单幅图像采集的偏振图像去雾方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤(1)、将采集到的图像经正交偏振分解得到两幅正交偏振状态下的子图，即利用正交偏振图像的差异性来实现对图像中物体的探测和识别，通过偏振控制的调整来获取目标物体两种正交偏振状态I^||和I^⊥下的子图；

步骤(2)、根据两种正交偏振状态I^||和I^⊥下的子图进行差分偏振复原，具体算法如下：

将图像中场景的偏振度设定为常数P，两幅正交偏振状态下的子图的光强表达式分别如下：

得到总光强为：

I(x,y)＝I^||(x,y)+I^⊥(x,y)

按照以下公式进行调整，得到背景区域的偏振度P_scat：

P_scat＝εP

其中，ε为调整因子；

将背景光的光强表示为：

B(x,y)＝A_∞[1-t(x,y)]

其中，A_∞表示对应于在介质中延伸到无穷远处的后向散射值，在假设目标与探测器之间的距离ρ(x,y)→∞时t(x,y)→0，有B(x,y)＝A_∞[1-t(x,y)]→A_∞，从而获得对应于在介质中延伸到无穷远处的后向散射值A_∞的估计结果；

将透射率t(x,y)的表达式

对应于在介质中延伸到无穷远处的后向散射值A_∞以及总光强I(x,y)表达式I(x,y)＝I^||(x,y)+I^⊥(x,y)代入下式计算得到最终复原去雾后的图像L(x,y)：

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