CN109187364B - 一种高浓度水下偏振成像方法 - Google Patents

一种高浓度水下偏振成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高浓度水下偏振成像方法，包括：分别获取水下图像的背景散射光光强度和目标信息光光强度；根据背景散射光光强度和目标信息光光强度建立背景散射光光强度模型；根据背景散射光光强度和目标信息光光强度建立目标信息光光强度模型；根据水下图像的互信息、背景散射光光强度模型和目标信息光光强度模型得到水下偏振成像。本发明的水下偏振成像方法解决了传统水下偏振成像过程中采用多频段宽光谱光源照明所产生的颜色失真、噪声增加的问题；相比于传统的水下偏振成像过程中多频段宽光谱光源照明和蓝绿激光照明的成像效果，增强了其在高浓度水下浑浊介质的成像效果，扩展了水下偏振成像方法的应用范围。

Description

一种高浓度水下偏振成像方法
技术领域
本发明属于水下成像技术领域，具体涉及一种高浓度水下偏振成像方法。
背景技术
水下偏振成像是水下场景中一种利用场景偏振信息的成像方法，通过水下偏振成像技术，我们可以有效地去除场景的散射信息，实现水下混沌介质场景的清晰化成像。在水下混沌介质场景中，水中悬浮的微小颗粒、可溶性有机物等混沌介质以及气泡和湍流等非均匀因素，会对光波产生严重的散射作用，在此成像条件下，光波的能量大幅度衰减而导致图像中的细节信息大量丢失，严重影响成像质量，难以取得预期成像效果。
目前，水下的光电成像方法主要包括水下距离选通成像方法、结构光成像方法、关联成像方法和水下偏振成像方法等等。目前的水下偏振成像方法通常采用对水下场景进行正交偏振成像的方式，在低浓度场景中可以有效去除场景的散射影响。
但是，现有的水下偏振成像方法采用多光谱宽频带光源照明，会带来颜色失真、噪声增加的问题，同时现有的水下偏振成像方法在低浓度浑浊介质场景中作用效果明显，而在高浓度介质中成像时效果欠佳，极大地限制了水下偏振成像方法的应用范围。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种高浓度水下偏振成像方法。
本发明的一个实施例提供了一种高浓度水下偏振成像方法，包括：
获取水下图像的背景散射光光强度和目标信息光光强度；
根据所述背景散射光光强度和所述目标信息光光强度建立背景散射光光强度模型；
根据所述背景散射光光强度和所述目标信息光光强度建立目标信息光光强度模型；
根据所述水下图像的互信息、所述背景散射光光强度模型和所述目标信息光光强度模型得到水下偏振成像的图像。
在本发明的一个实施例中，所述背景散射光光强度包括第一背景散射光光强度和第二背景散射光光强度，所述目标信息光光强度包括第一目标信息光光强度和第二目标信息光光强度。
在本发明的一个实施例中，根据所述背景散射光光强度和所述目标信息光光强度建立背景散射光光强度模型，包括：
根据所述第一背景散射光光强度和所述第一目标信息光光强度得到第一光强图像光强度；
根据所述第二背景散射光光强度和所述第二目标信息光光强度得到第二光强图像光强度；
根据所述第一背景散射光光强度和所述第二背景散射光光强度得到第一背景散射光偏振度；
根据所述第一目标信息光光强度和所述第二目标信息光光强度得到目标信息光偏振度；
根据所述第一光强图像光强度、所述第二光强图像光强度、所述第一背景散射光偏振度和所述目标信息光偏振度建立背景散射光光强度模型。
在本发明的一个实施例中，所述背景散射光光强度模型为：
Figure BDA0001742429330000031
其中，B为背景散射光光强度，Pscat为第一背景散射光偏振度，Pobj为目标信息光偏振度，Imax为第一光强图像光强度，Imin为第二光强图像光强度。
在本发明的一个实施例中，根据所述背景散射光光强度和所述目标信息光光强度建立目标信息光光强度模型，包括：
根据所述第一光强图像光强度、所述第二光强图像光强度、所述第一背景散射光偏振度和所述目标信息光偏振度建立目标信息光光强度模型。
在本发明的一个实施例中，所述目标信息光光强度模型为：
Figure BDA0001742429330000032
其中，S为目标信息光光强度，Pscat为第一背景散射光偏振度，Pobj为目标信息光偏振度，Imax为第一光强图像光强度，Imin为第二光强图像光强度。
在本发明的一个实施例中，根据所述水下图像的互信息、所述背景散射光光强度模型和所述目标信息光光强度模型得到水下偏振成像图像，包括：
获取第二背景散射光偏振度；
根据所述第二背景散射光偏振度、所述目标信息光偏振度和所述背景散射光光强度模型得到第三背景散射光光强度；
根据所述第二背景散射光偏振度、所述目标信息光偏振度和所述目标信息光光强度模型得到第三目标信息光光强度；
根据所述第三背景散射光光强度和所述第三目标信息光光强度处理所述互信息以得到水下偏振成像。
在本发明的一个实施例中，获取第二背景散射光偏振度，包括：
在所述水下图像上获取空旷区域；
计算空旷区域内每个像素点对应的像素点偏振度；
计算所有所述像素点偏振度的平均值，得到所述第二背景散射光偏振度。
在本发明的一个实施例中，根据所述第二背景散射光偏振度、所述目标信息光偏振度和所述背景散射光光强度模型得到第三背景散射光光强度，包括：
对所述目标信息光偏振度从0到1按照预设步长进行取值以得到多个偏振度设定值；
利用所述偏振度设定值和所述第二背景散射光偏振度处理所述背景散射光光强度模型以得到第三背景散射光光强度。
在本发明的一个实施例中，根据所述第二背景散射光偏振度、所述目标信息光偏振度和所述目标信息光光强度模型得到第三目标信息光光强度，包括：
利用所述偏振度设定值和所述第二背景散射光偏振度处理所述目标信息光光强度模型以得到第三目标信息光光强度。
在本发明的一个实施例中，根据所述第三背景散射光光强度和所述第三目标信息光光强度处理所述互信息以得到水下偏振成像，包括：
根据所述第三背景散射光光强度所对应的灰度值和所述第三目标信息光光强度所对应的灰度值得到联合概率分布函数和边缘分布函数；
通过所述联合概率分布函数和所述边缘分布函数得到所述互信息；
选取所述互信息的最小值以得到水下偏振成像。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的水下偏振成像方法解决了传统水下偏振成像过程中采用多频段宽光谱光源照明所产生的颜色失真、噪声增加的问题；同时，相比于传统的水下偏振成像过程中多频段宽光谱光源照明和蓝绿激光照明的成像效果，增强了其在高浓度水下浑浊介质的成像效果，提升了成像的对比度，增加了水下浑浊介质场景目标的成像距离，扩展了水下偏振成像方法的应用范围。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种高浓度水下偏振成像方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种高浓度水下偏振成像方法的流程示意图。本发明实施例提供的一种高浓度水下偏振成像方法的方法，包括：
获取水下图像的背景散射光光强度和目标信息光光强度；
根据所述背景散射光光强度和所述目标信息光光强度建立背景散射光光强度模型；
根据所述背景散射光光强度和所述目标信息光光强度建立目标信息光光强度模型；
根据所述水下图像的互信息、所述背景散射光光强度模型和所述目标信息光光强度模型得到水下偏振成像。
其中，背景散射光光强度为经水中粒子散射并被探测器接收到的背景散射光的强度，目标信息光光强度经水下目标反射后最终到达探测器的目标信息光的强度。
本实施例的水下偏振成像方法解决了传统水下偏振成像过程中所产生的颜色失真、噪声增加的问题，增强了其在高浓度水下浑浊介质的成像效果，提升了成像的对比度，增加了水下浑浊介质场景目标的成像距离，扩展了水下偏振成像方法的应用范围。
实施例二
本发明实施例在上述实施例的基础上，对本发明实施例提供的一种高浓度水下偏振成像方法进行具体介绍，该方法具体包括：
步骤一、分别获取水下图像的背景散射光光强度和目标信息光光强度；
本实施例利用单波段红光源作为水下成像的光源，并利用探测器在高浓度水下获取水下图像。在高浓度水下偏振成像技术的成像过程中，由单波段红光源发出的光经场景散射和目标反射后，由探测器所接收到的总光强度由两部分组成，分别为经水中粒子散射并被探测器接收到的背景散射光和经目标反射后最终到达探测器的目标信息光，且存在如公式(1)的关系：
I＝B+S (1)
其中，I为总光强度，B为背景散射光光强度，S为目标信息光光强度；
具体地，背景散射光光强度包括第一背景散射光光强度和第二背景散射光光强度，目标信息光光强度包括第一目标信息光光强度和第二目标信息光光强度。
步骤二、根据背景散射光光强度和目标信息光光强度建立背景散射光光强度模型；
步骤2.1、根据第一背景散射光光强度和第一目标信息光光强度得到第一光强图像光强度；
具体地，目标信息光在水下图像中即表现为目标的清晰图像，也即获取水下清晰图像的关键在于将背景散射光从总的水下图像中分离，得到目标信息光。结合光波的偏振特性，可建立如公式(2)的关系：
Imax＝Bmax+Smax (2)
其中，Imax为第一光强图像光强度，Bmax为第一背景散射光光强度，第一背景散射光光强度为通过旋转偏振片探测器所获得的背景散射光光强度的最大值，Smax为第一目标信息光光强度，第一目标信息光光强度为通过旋转偏振片探测器所获得的目标信息光光强度的最大值。
步骤2.2、根据第二背景散射光光强度和第二目标信息光光强度得到第二光强图像光强度；
具体地，目标信息光在水下图像中即表现为目标的清晰图像，也即获取水下清晰图像的关键在于将背景散射光从总的水下图像中分离，得到目标信息光。结合光波的偏振特性，可建立如公式(3)的关系：
Imin＝Bmin+Smin (3)
其中，Imin为第二光强图像光强度，Bmin为第二背景散射光光强度，第二背景散射光光强度为通过旋转偏振片探测器所获得的背景散射光光强度的最小值，Smin为第二目标信息光光强度，第二目标信息光光强度为通过旋转偏振片探测器所获得的目标信息光光强度的最小值。
步骤2.3、根据第一背景散射光光强度和第二背景散射光光强度得到第一背景散射光偏振度；
根据偏振度与背景散射光的关系，可以按照下式计算背景散射光的第一背景散射光偏振度，第一背景散射光偏振度的计算公式如公式(4)所示：
Figure BDA0001742429330000081
其中，Pscat为第一背景散射光偏振度。
步骤2.4、根据第一目标信息光光强度和第二目标信息光光强度得到目标信息光偏振度；
根据偏振度与目标信息光的关系，可以按照下式计算目标信息光的目标信息光偏振度，目标信息光偏振度的计算公式如公式(5)所示：
Figure BDA0001742429330000082
其中，Pobj为目标信息光偏振度。
步骤2.5、根据第一光强图像光强度、第二光强图像光强度、第一背景散射光偏振度和目标信息光偏振度建立背景散射光光强度模型；
结合公式(1)-(5)建立背景散射光光强度模型，背景散射光光强度模型如公式(6)所示：
Figure BDA0001742429330000083
步骤三、根据背景散射光光强度和目标信息光光强度建立目标信息光光强度模型；
根据第一光强图像光强度、第二光强图像光强度、第一背景散射光偏振度和目标信息光偏振度建立目标信息光光强度模型，结合公式(1)-(5)建立目标信息光光强度模型，目标信息光光强度模型如公式(7)所示：
Figure BDA0001742429330000091
步骤四、根据水下图像的互信息、背景散射光光强度模型和目标信息光光强度模型得到水下偏振成像；
步骤4.1、获取第二背景散射光偏振度；
步骤4.1.1、利用矩形框在水下图像上获取空旷区域，其中，空旷区域为除目标以外的区域；
步骤4.1.2、利用第一背景散射光偏振度的计算公式计算空旷区域内每个像素点对应的像素点偏振度；
步骤4.1.3、求取空旷区域内所有像素点的像素点偏振度的平均值，像素点偏振度的平均值即为第二背景散射光偏振度。
步骤4.2、根据第二背景散射光偏振度、目标信息光偏振度和背景散射光光强度模型得到第三背景散射光光强度；
步骤4.2.1、目标信息光偏振度从0到1按照预设步长进行取值以得到多个偏振度设定值；
具体地，将目标信息光偏振度从0开始进行取值，之后按照预设步长再次进行取值，直至目标信息光偏振度的值为1之后，则停止对目标信息光偏振度，其中，每个按照预设步长所取得的值对应为一个偏振度设定值；
优选地，预设步长为0.01。
步骤4.2.2、利用多个偏振度设定值和第二背景散射光偏振度处理背景散射光光强度模型以得到第三背景散射光光强度；
具体地，将每一个偏振度设定值、第二背景散射光偏振度、第一光强图像光强度和第二光强图像光强度代入至背景散射光光强度模型中，其中所取得的每个值对应一个第三背景散射光光强度。
步骤4.3、根据第二背景散射光偏振度、目标信息光偏振度和目标信息光光强度模型得到第三目标信息光光强度；
具体地，将每个偏振度设定值、第二背景散射光偏振度、第一光强图像光强度和第二光强图像光强度代入至目标信息光光强度模型，所取得的每个值对应一个第三目标信息光光强度。
步骤4.4、根据第三背景散射光光强度和第三目标信息光光强度处理所述互信息以得到水下偏振成像；
步骤4.4.1、根据每个第三背景散射光光强度和第三目标信息光光强度得到联合概率分布函数和边缘分布函数；
第三背景散射光光强度对应像素点(x,y)处的灰度值为b，第三目标信息光光强度对应像素点(x,y)处的灰度值为s，第三背景散射光光强度和第三目标信息光光强度的联合灰度值方图用矩阵表示如公式(8)所示：
Figure BDA0001742429330000101
其中，h(b,s)表示第三背景散射光光强度的灰度值为b、第三目标信息光光强度的灰度值为s时的像素点的总个数，M为第三背景散射光光强度对应的最大灰度值，N为第三目标信息光光强度对应的最大灰度值，h(m,n)表示第三背景散射光光强度的灰度值为m、第三目标信息光光强度的灰度值为n时的像素点的总个数，其中m的取值为从0至M-1，n的取值为从0至N-1。
对第三背景散射光光强度和第三目标信息光光强度的联合灰度直方图进行归一化即可求得第三背景散射光光强度和第三目标信息光光强度的联合概率分布函数，联合概率分布函数如公式(9)所示：
Figure BDA0001742429330000111
其中，prob(b,s)为联合概率分布函数，表示第三背景散射光光强度对应像素点(x,y)处的灰度值为b、第三目标信息光光强度对应像素点(x,y)处的灰度值为s时的概率；
根据联合概率分布函数可以得到边缘分布函数，其中，边缘分布函数包括第一边缘分布函数和第二边缘分布函数，第一边缘分布函数的计算公式如公式(10)所示：
Figure BDA0001742429330000112
其中，prob(b)为第一边缘分布函数；
第二边缘分布函数的计算公式如公式(11)所示：
Figure BDA0001742429330000113
其中，prob(s)为第一边缘分布函数；
步骤4.4.2、根据联合概率分布函数和边缘分布函数得到互信息，互信息的计算公式如公式(12)所示；
Figure BDA0001742429330000114
其中，MI(B,S)为互信息，互信息是表征探测器获取偏振态正交的两幅偏振图像相关性的参数。
因为当互信息取最小值时，目标的细节信息将不在分离出的背景散射光中出现，此时目标信息光和背景散射光分离效果最好。因此取MI(B,S)的最小值，通过MI(B,S)的最小值获取对应的第三背景散射光光强度的灰度值和第三目标信息光光强度的灰度值，从而获取MI(B,S)的最小值对应的第三背景散射光光强度和第三目标信息光光强度，即能重建清晰的水下图像，完成水下偏振成像。
本实施例通过使用单波段红光源对水下混沌介质场景进行照明，解决了传统水下偏振成像过程中采用多频段宽光谱光源照明所产生的颜色失真、噪声增加的问题；同时，根据米氏散射，由于红光源波段较长，水下混沌介质中散射不明显，相比于传统水下成像过程中多频段宽光谱光源照明和蓝绿激光照明的成像效果，增强了其在高浓度水下浑浊介质的成像效果，提升了图像对比度，增加了水下浑浊介质场景目标的成像距离。
本实施例通过使用单波段红光源对水下混沌介质场景进行照明，解决了传统水下偏振成像过程中采用多频段宽光谱光源照明所产生的颜色失真、噪声增加的问题；同时，相比于传统水下成像过程中多频段宽光谱光源照明和蓝绿激光照明的成像效果，增强了其在高浓度水下浑浊介质的成像效果，提升了图像对比度，增加了水下浑浊介质场景目标的成像距离。
需要说明的是，第一光强图像光强度和第二光强图像光强度还可以利用Stokes(斯托克斯)矢量求得，因此通过Stokes(斯托克斯)矢量求得的第一光强图像光强度和第二光强图像光强度，应用于本实施例的水下偏振成像方法对于本领域技术人员是很容易想到的。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种高浓度水下偏振成像方法，其特征在于，包括：
获取水下图像的背景散射光光强度和目标信息光光强度，所述背景散射光光强度包括第一背景散射光光强度和第二背景散射光光强度，所述目标信息光光强度包括第一目标信息光光强度和第二目标信息光光强度；
根据所述背景散射光光强度和所述目标信息光光强度建立背景散射光光强度模型；
根据所述背景散射光光强度和所述目标信息光光强度建立目标信息光光强度模型，所述目标信息光光强度模型为：
Figure FDA0002406616150000011
其中，S为目标信息光光强度，Pscat为第一背景散射光偏振度，Pobj为目标信息光偏振度，Imax为第一光强图像光强度，Imin为第二光强图像光强度；
根据所述水下图像的互信息、所述背景散射光光强度模型和所述目标信息光光强度模型得到水下偏振成像的图像；
其中，根据所述背景散射光光强度和所述目标信息光光强度建立背景散射光光强度模型，包括：
根据所述第一背景散射光光强度和所述第一目标信息光光强度得到第一光强图像光强度；
根据所述第二背景散射光光强度和所述第二目标信息光光强度得到第二光强图像光强度；
根据所述第一背景散射光光强度和所述第二背景散射光光强度得到第一背景散射光偏振度；
根据所述第一目标信息光光强度和所述第二目标信息光光强度得到目标信息光偏振度；
根据所述第一光强图像光强度、所述第二光强图像光强度、所述第一背景散射光偏振度和所述目标信息光偏振度建立背景散射光光强度模型。
2.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述背景散射光光强度模型为：
Figure FDA0002406616150000021
其中，B为背景散射光光强度，Pscat为第一背景散射光偏振度，Pobj为目标信息光偏振度，Imax为第一光强图像光强度，Imin为第二光强图像光强度。
3.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，根据所述水下图像的互信息、所述背景散射光光强度模型和所述目标信息光光强度模型得到水下偏振成像图像，包括：
获取第二背景散射光偏振度；
根据所述第二背景散射光偏振度、所述目标信息光偏振度和所述背景散射光光强度模型得到第三背景散射光光强度；
根据所述第二背景散射光偏振度、所述目标信息光偏振度和所述目标信息光光强度模型得到第三目标信息光光强度；
根据所述第三背景散射光光强度和所述第三目标信息光光强度处理所述互信息以得到水下偏振成像。
4.根据权利要求3所述的成像方法，其特征在于，获取第二背景散射光偏振度，包括：
在所述水下图像上获取空旷区域；
计算所述空旷区域内每个像素点对应的像素点偏振度；
计算所述像素点偏振度的平均值，得到所述第二背景散射光偏振度。
5.根据权利要求3所述的成像方法，其特征在于，根据所述第二背景散射光偏振度、所述目标信息光偏振度和所述背景散射光光强度模型得到第三背景散射光光强度，包括：
对所述目标信息光偏振度从0到1按照预设步长进行取值以得到多个偏振度设定值；
利用所述偏振度设定值和所述第二背景散射光偏振度处理所述背景散射光光强度模型以得到第三背景散射光光强度。
6.根据权利要求3所述的成像方法，其特征在于，根据所述第三背景散射光光强度和所述第三目标信息光光强度处理所述互信息以得到水下偏振成像，包括：
根据所述第三背景散射光光强度所对应的灰度值和所述第三目标信息光光强度所对应的灰度值得到联合概率分布函数和边缘分布函数；
通过所述联合概率分布函数和所述边缘分布函数得到所述互信息；
选取所述互信息的最小值以得到水下偏振成像。
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