CN109884665A - 偏振成像入射角歧义解消除方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开的偏振成像入射角歧义解消除方法，属于偏振成像技术领域。本发明通过可见光偏振成像系统对目标的反射光成像，计算目标反射光偏振度；根据菲涅尔公式，由偏振度反演目标反射光的入射角，反演得到入射角有两个解；通过反射光光强的投影关系，求得反射光垂直方向强度；测量反射界面处入射的自然光强；根据垂直分量的反射率，通过垂直分量反射率和入射角的关系，反演出入射光的入射角，得到参考入射角；选取两个候选入射角中更靠近参考入射角的入射角作为真实入射角信息。本发明能够实现偏振成像入射角歧义解消除，避免对同一目标多次测量，提高测量效率，进而适应动态海面波纹测量需求，实现对动态海面波纹测量，具有测量装置简单的优点。

Description

偏振成像入射角歧义解消除方法及应用

技术领域

本发明属于偏振成像技术领域，尤其涉及由反射光的偏振度反演入射光的入射角时，入射角歧义解消除方法及应用。

背景技术：

近年来，偏振成像技术得到迅速的发展，利用光电偏振成像不仅可获取目标场景的辐射强度信息，而且可解算得到目标场景的偏振度、偏振角和辐射率等信息，增加在复杂背景下对目标的探测和识别能力，在目标探测和分类、水面波纹测量和空间遥感探测等领域展现出广泛的应用前景。海洋波纹检测等是目前偏振成像技术研究广泛关注的方向，其以太阳光或天空光作为无偏的辐射光源，通过偏振成像系统对水面成像求得反射光的斯托克斯矢量，进而得到反射光的偏振度和偏振角信息，并通过菲涅耳公式反演出入射光的入射角以及水面法向量，复原出海洋的波面分布。然而，依据菲涅尔公式，由偏振度求解入射角时存在双值歧义解问题，难以唯一确定入射角。

对于如何去除偏振成像求解入射角歧义解已成为人们研究重要内容。2002年Daisuke Miyazaki提出分别采集旋转前后被测物体的偏振图像，分析被测曲面反射光偏振度的一阶微分来消除歧义解的方法。1995年Mike Partridge和2002年Daisuke Miyazaki均研究了分别在可见波段和红外波段采集目标的偏振图像，由两条不同折射率的偏振度与入射角关系来获得唯一确定的入射角。2005年Gary A Atkinson和2012年Ali H Mahmoud研究了利用漫反射光来消除入射角的歧义解。2012年Christophe Stolz提出测量不同可见光波段的偏振度数据，分析偏振度对波长的微分来消除入射角的歧义值。这些方法及测量装置较复杂，对于基于海面波纹检测或水下目标探测等应用并不实用。

因此需要设计一种方法及测量装置较简单，实用于基于海面波纹检测或水下目标探测等应用的入射角歧义解消除方法。方法既要测量装置简单，又要避免对目标多次测量，以适应动态海面波纹测量需求。

发明内容

为解决现有入射角歧义解消除方法中方法及测量装置较复杂，不适用于基于海面波纹检测或水下目标探测等应用的问题。本发明公开的偏振成像入射角歧义解消除方法及应用的目的是：实现偏振成像入射角歧义解消除，得到真实的偏振成像入射角信息，避免对同一目标的多次测量，提高测量效率，此外，由于本发明单次测量即能够消除偏振成像入射角歧义解，尤其通过单次测量得到动态海面的真实的偏振成像入射角信息，进而能适应动态海面波纹测量需求，实现对动态海面波纹测量。本发明具有测量装置简单的优点。

通过本发明公开的偏振成像入射角歧义解消除方法测量得到的动态海面波纹信息，通过进一步分析能够应用于水下运动目标的探测。

本发明目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的偏振成像入射角歧义解消除方法，通过可见光偏振成像系统对目标的反射光成像，计算目标反射光偏振度Dolp；根据菲涅尔公式，由偏振度Dolp反演目标反射光的入射角θ_i，所述反演得到的入射角有两个解，其中一个入射角解为真实入射角信息，另一入射角解为歧义解；通过反射光光强的投影关系，求得反射光垂直方向强度I_r⊥；测量反射界面处入射的自然光强，入射光垂直分量强度I_i⊥为入射的自然光强I_iN的一半，垂直分量的反射率R_⊥为反射光垂直方向强度I_r⊥与入射光垂直分量强度I_i⊥之比；根据垂直分量的反射率R_⊥，通过垂直分量反射率R_⊥和入射角θ_i的关系，反演出入射光的入射角，得到参考入射角θ_ir。选取两个候选入射角θ_is和θ_im中更靠近参考入射角θ_ir的入射角作为真实入射角θ_i信息。

本发明公开的偏振成像入射角歧义解消除方法，包括如下步骤：

步骤1、通过可见光偏振成像系统对目标的反射光成像，计算目标反射光偏振度Dolp。

为了便于测量和降低噪声对可见光偏振成像系统测量精度的影响，作为优选，通过可见光偏振成像系统对反射光成像，选取检偏方向分别为0°、45°、90°、135°的四通道强度计算反射光偏振度，计算公式为：

其中，Dolp为线偏振度，I₀为检偏方向为0°的强度，I₄₅为检偏方向为45°的强度，I₉₀为检偏方向为90°的强度，I₁₃₅为检偏方向为135°的强度。

步骤2、根据菲涅尔公式，由偏振度Dolp反演目标反射光的入射角θ_i，所述反演得到的入射角有两个解，其中一个入射角解为真实入射角信息，另一入射角解为歧义解。

根据反射光的偏振度Dolp，通过偏振度和入射角的关系，反演出入射光的入射角θ_i，得到两个候选入射角θ_is和θ_im。偏振度Dolp和入射角θ_i的关系为：

步骤3、通过反射光光强的投影关系，求得反射光垂直方向强度I_r⊥。

作为优选，相机灰度级与其接收辐射强度的事先标定，定义0°检偏方向为偏振成像系统的参考方向。利用0°和90°的光强I₀、I₉₀，以及偏振成像系统的参考方向与反射面的夹角α_sys，由下式求得反射光垂直方向强度I_r⊥：

I_r⊥＝I₀sin²α_sys+I₉₀cos²α_sys

步骤4、测量反射界面处入射的自然光强I_iN，入射光垂直分量强度I_i⊥为入射的自然光强I_iN的一半，垂直分量的反射率R_⊥为反射光垂直方向强度I_r⊥与入射光垂直分量强度I_i⊥之比。

步骤4具体实现方法为：

测量反射界面处入射的自然光强I_iN，得到入射光垂直分量强度I_i⊥＝I_iN/2，再由下式获得垂直分量的反射率R_⊥：

R_⊥＝I_r⊥/I_i⊥

步骤5、根据步骤4得到的垂直分量的反射率R_⊥，通过垂直分量反射率R_⊥和入射角θ_i的关系，反演出入射光的入射角θ_i，得到参考入射角θ_ir。垂直分量反射率和入射角的关系为：

步骤6、选取两个候选入射角θ_is和θ_im中更靠近参考入射角θ_ir的入射角作为真实入射角信息。所述两个候选入射角θ_is和θ_im已由步骤2得到。所述的真实入射角信息即为消除歧义解唯一的入射角。

步骤6具体实现方法为：

步骤2已得到两个候选入射角θ_is和θ_im，通过下式判断条件得到更靠近参考入射角θ_ir的入射角作为真实入射角信息，所述的真实入射角信息即为消除歧义解唯一的入射角。

还包括步骤7：利用步骤6获得的消除歧义解唯一的入射角θ_i，计算动态海面每点微面元法向量n，重构动态海面波纹。

当所述偏振成像入射角歧义解消除方法应用于测量动态海面波纹时，通过步骤6得到动态海面的真实的偏振成像入射角信息θ_i，通过调整可见光偏振成像系统姿态，使反射光线方向平行于偏振成像系统光轴方向。在反射光沿光轴传播且反射光只存在s分量条件下，俯仰角θ等于入射角θ_i，通过如下公式关系得到动态海面波纹，实现对动态海面波纹测量。

n＝[cos(AoP±90°)sinθ_i,sin(AoP±90°)sinθ_i,cosθ_i]

其中，n为动态海面微面元法向量，AoP为反射光偏振角。

还包括步骤8：由于水下运动目标与水体的作用，使得其在水面会形成特定形状的波纹，其中水下运动目标所在位置形成的水面凸起称为“伯努利水丘”，而目标后面所形成的尾迹称为“开尔文尾迹”。对“伯努利水丘”和“开尔文尾迹”的探测成为水下运动目标探测的信息源。通过分析步骤7测量得到的动态海面波纹信息，实现对水下运动目标的探测，进一步，利用步骤7测量得到的动态海面波纹信息，判断动态海面波纹信息中是否存在“伯努利水丘”和“开尔文尾迹”，进而判断是否在该区域存在水下运动目标。进一步，若动态海面波纹信息中存在“伯努利水丘”或“开尔文尾迹”，还可通过分析“伯努利水丘”或“开尔文尾迹”大小、形状、高度等特征，获取水下运动目标的大小、深度、运动速度等信息。

有益效果：

1、本发明公开的偏振成像入射角歧义解消除方法，通过可见光偏振成像系统对目标的反射光成像，计算目标反射光偏振度Dolp；根据菲涅尔公式，由偏振度Dolp反演目标反射光的入射角，所述反演得到的入射角θ_i有两个解，其中一个入射角解为真实入射角信息，另一入射角解为歧义解；通过反射光光强的投影关系，求得反射光垂直方向强度I_r⊥；测量反射界面处入射的自然光强，入射光垂直分量强度I_i⊥为入射的自然光强I_iN的一半，垂直分量的反射率R_⊥为反射光垂直方向强度I_r⊥与入射光垂直分量强度I_i⊥之比；根据垂直分量的反射率R_⊥，通过垂直分量反射率R_⊥和入射角θ_i的关系，反演出入射光的入射角，得到参考入射角θ_ir。选取两个候选入射角θ_is和θ_im中更靠近参考入射角θ_ir的入射角作为真实入射角信息θ_i。在确保入射角测量精度及求解稳定性的同时，准确的去除偏振度计算入射角的歧义解。

2、本发明公开的偏振成像入射角歧义解消除方法，当所述偏振成像入射角歧义解消除方法用于测量动态海面波纹时，通过步骤6得到动态海面的真实的偏振成像入射角信息，通过所述入射角信息得到动态海面波纹，实现对动态海面波纹测量。

3、本发明公开的偏振成像入射角歧义解消除方法，能满足基于海面波纹检测或水下目标探测等应用的需求，对基于偏振成像的透明介质表面和海面波纹等成像检测具有理论意义和应用意义。

4、本发明公开的偏振成像入射角歧义解消除方法，通过分析测量得到的动态海面波纹信息，实现对水下运动目标的探测。

附图说明

图1是本发明公开的偏振成像入射角歧义解消除方法及应用的流程图。

图2是偏振度和入射角的关系；

图3是反射光振动方向、反射面与偏振成像参考方向的关系示意图；

图4是垂直分量反射率R_⊥与入射角的关系；

图5是相机灰度级与其接收照度的关系；

图6是具体实施例1采用本发明后去除歧义解效果图，其中6a为平板玻璃的偏振特性检测实验原理，6b为候选入射角，6c为去除歧义解条件，6d为去除歧义解后的入射角；

图7是具体实施例2采用本发明后去除歧义解效果图，其中7a为水面的偏振特性检测实验原理，7b为候选入射角，7c为去除歧义解条件，7d为去除歧义解后的入射角。

具体实施方式

为使本发明的技术方案更加清楚明白，下面结合实例对本发明做进一步的详细说明。

实例1：以平板玻璃偏振特性检测为例:

选取平板玻璃(折射率n＝1.5163，布儒斯特角θ_B＝56.625°)作为示例，搭建平板玻璃偏振特性成像检测系统(图6a)，通过调整平板玻璃支架得到不同的入射角(入射角等于玻璃板倾角θ)，采集了10°，20°…80°八组入射倾角，且每个倾角采集0°、45°、90°和135°四个检偏方向的图像。

本实施例公开的偏振成像入射角歧义解消除方法，具体实现步骤如下：

步骤1、通过可见光偏振成像系统对目标的反射光成像，计算目标反射光偏振度。

通过可见光偏振成像系统对反射光成像，选取检偏方向分别为0°、45°、90°、135°的四通道强度计算反射光偏振度，计算公式为：

其中，Dolp为线偏振度，I₀为检偏方向为0°的强度，I₄₅为检偏方向为45°的强度，I₉₀为检偏方向为90°的强度，I₁₃₅为检偏方向为135°的强度。

10°，20°…80°八组入射倾角测量的偏振度Dolp分别为0.0263、0.1479、0.3526、0.5598、0.8718、0.9749、0.6711、0.2879。

步骤2、根据菲涅尔公式，由偏振度Dolp反演目标反射光的入射角θ_i，所述反演得到的入射角有两个解，其中一个入射角解为真实入射角信息，另一入射角解为歧义解。

根据反射光的偏振度Dolp，通过偏振度和入射角的关系，反演出入射光的入射角θ_i，得到两个候选入射角θ_is和θ_im(如图6b)。偏振度Dolp和入射角θ_i的关系为：

步骤3、通过反射光光强的投影关系，求得反射光垂直方向强度I_r⊥。

相机灰度级与其接收辐射强度的事先标定(如图5)，定义0°检偏方向为偏振成像系统的参考方向(如图3)。利用0°和90°的光强I₀、I₉₀，以及偏振成像系统的参考方向与反射面的夹角α_sys，由下式求得反射光垂直方向强度I_r⊥：

I_r⊥＝I₀sin²α_sys+I₉₀cos²α_sys

步骤4、测量反射界面处入射的自然光强I_iN，入射光垂直分量强度I_i⊥为入射的自然光强I_iN的一半，垂直分量的反射率R_⊥为反射光垂直方向强度I_r⊥与入射光垂直分量强度I_i⊥之比。

测量反射界面处入射的自然光强I_iN，得到入射光垂直分量强度I_i⊥＝I_iN/2，再由下式获得垂直分量的反射率R_⊥：

R_⊥＝I_r⊥/I_i⊥

10°，20°…80°八组入射倾角测量的垂直分量的反射率R_⊥分别为0.0613、0.0659、0.0672、0.0971、0.0896、0.1820、0.3576、0.4728。

步骤5、根据步骤4得到的垂直分量的反射率R_⊥，通过垂直分量反射率R_⊥和入射角θ_i的关系，反演出入射光的入射角θ_i，得到参考入射角θ_ir。垂直分量反射率和入射角的关系为：

10°，20°…80°八组入射倾角测量的参考入射角θ_ir分别为30.497°、33.284°、34.009°、45.348°、43.117°、59.980°、72.765°、77.602°。

步骤6、选取两个候选入射角θ_is和θ_im中更靠近参考入射角θ_ir的入射角作为真实入射角信息。所述两个候选入射角θ_is和θ_im已由步骤2得到。所述的真实入射角信息即为消除歧义解唯一的入射角。

步骤2已得到两个候选入射角θ_is和θ_im，通过下式判断条件得到更靠近参考入射角θ_ir的入射角作为真实入射角信息(如图6c)，所述的真实入射角信息即为消除歧义解唯一的入射角(如图6d)。

还包括步骤7：利用步骤6获得的消除歧义解唯一的入射角θ_i，计算动态海面每点微面元法向量n，重构动态海面波纹。

当所述偏振成像入射角歧义解消除方法应用于测量动态海面波纹时，通过步骤6得到动态海面的真实的偏振成像入射角信息θ_i，通过调整可见光偏振成像系统姿态，使反射光线方向平行于偏振成像系统光轴方向。在反射光沿光轴传播且反射光只存在s分量条件下，俯仰角θ等于入射角θ_i，通过如下公式关系得到动态海面波纹，实现对动态海面波纹测量。

n＝[cos(AoP±90°)sinθ_i,sin(AoP±90°)sinθ_i,cosθ_i]

其中，n为动态海面微面元法向量，AoP为反射光偏振角。

还包括步骤8：由于水下运动目标与水体的作用，使得其在水面会形成特定形状的波纹，其中水下运动目标所在位置形成的水面凸起称为“伯努利水丘”，而目标后面所形成的尾迹称为“开尔文尾迹”。对“伯努利水丘”和“开尔文尾迹”的探测成为水下运动目标探测的信息源。通过分析步骤7测量得到的动态海面波纹信息，实现对水下运动目标的探测，进一步，利用步骤7测量得到的动态海面波纹信息，判断动态海面波纹信息中是否存在“伯努利水丘”和“开尔文尾迹”，进而判断是否在该区域存在水下运动目标。进一步，若动态海面波纹信息中存在“伯努利水丘”或“开尔文尾迹”，还可通过分析“伯努利水丘”或“开尔文尾迹”大小、形状、高度等特征，获取水下运动目标的大小、深度、运动速度等信息。

实例2：以水面偏振特性检测为例:

本实施例选取水面(折射率n＝1.33，布儒斯特角θ_B＝53.089°)作为示例，搭建了水面偏振特性成像检测系统(图7a)，通过调整偏振成像系统姿态得到不同的入射角，采集10°，20°…80°八组入射倾角，且每个倾角采集0°、45°、90°和135°四个检偏方向的图像。操作步骤完全同实施例1，此处不再重复。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.偏振成像入射角歧义解消除方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤1、通过可见光偏振成像系统对目标的反射光成像，计算目标反射光偏振度Dolp；

步骤2、根据菲涅尔公式，由偏振度Dolp反演目标反射光的入射角θ_i，所述反演得到的入射角有两个解，其中一个入射角解为真实入射角信息，另一入射角解为歧义解；

步骤3、通过反射光光强的投影关系，求得反射光垂直方向强度I_r⊥；

步骤4、测量反射界面处入射的自然光强I_iN，入射光垂直分量强度I_i⊥为入射的自然光强I_iN的一半，垂直分量的反射率R_⊥为反射光垂直方向强度I_r⊥与入射光垂直分量强度I_i⊥之比；

步骤5、根据步骤4得到的垂直分量的反射率R_⊥，通过垂直分量反射率R_⊥和入射角θ_i的关系，反演出入射光的入射角θ_i，得到参考入射角θ_ir；

步骤6、选取两个候选入射角θ_is和θ_im中更靠近参考入射角θ_ir的入射角作为真实入射角信息；所述两个候选入射角θ_is和θ_im已由步骤2得到；所述的真实入射角信息即为消除歧义解唯一的入射角。

2.如权利要求1所述的偏振成像入射角歧义解消除方法，其特征在于：还包括步骤7，利用步骤6获得的消除歧义解唯一的入射角θ_i，计算动态海面每点微面元法向量n，重构动态海面波纹；

当所述偏振成像入射角歧义解消除方法应用于测量动态海面波纹时，通过步骤6得到动态海面的真实的偏振成像入射角信息θ_i，通过调整可见光偏振成像系统姿态，使反射光线方向平行于偏振成像系统光轴方向；在反射光沿光轴传播且反射光只存在s分量条件下，俯仰角θ等于入射角θ_i，通过如下公式关系得到动态海面波纹，实现对动态海面波纹测量；

n＝[cos(AoP±90°)sinθ_i,sin(AoP±90°)sinθ_i,cosθ_i]

其中，n为动态海面微面元法向量，AoP为反射光偏振角。

3.如权利要求1或2所述的偏振成像入射角歧义解消除方法，其特征在于：步骤1中通过可见光偏振成像系统对反射光成像，选取检偏方向分别为0°、45°、90°、135°的四通道强度计算反射光偏振度，计算公式为：

其中，Dolp为线偏振度，I₀为检偏方向为0°的强度，I₄₅为检偏方向为45°的强度，I₉₀为检偏方向为90°的强度，I₁₃₅为检偏方向为135°的强度。

4.如权利要求3所述的偏振成像入射角歧义解消除方法，其特征在于：步骤2中根据反射光的偏振度Dolp，通过偏振度和入射角的关系，反演出入射光的入射角θ_i，得到两个候选入射角θ_is和θ_im；偏振度Dolp和入射角θ_i的关系为：

5.如权利要求4所述的偏振成像入射角歧义解消除方法，其特征在于：步骤3中，相机灰度级与其接收辐射强度的事先标定，定义0°检偏方向为偏振成像系统的参考方向；利用0°和90°的光强I₀、I₉₀，以及偏振成像系统的参考方向与反射面的夹角α_sys，由下式求得反射光垂直方向强度I_r⊥：

I_r⊥＝I₀sin²α_sys+I₉₀cos²α_sys

6.如权利要求5所述的偏振成像入射角歧义解消除方法，其特征在于：步骤4具体实现方法为，

测量反射界面处入射的自然光强I_iN，得到入射光垂直分量强度I_i⊥＝I_iN/2，再由下式获得垂直分量的反射率R_⊥：

R_⊥＝I_r⊥/I_i⊥

7.如权利要求6所述的偏振成像入射角歧义解消除方法，其特征在于：步骤5中垂直分量反射率和入射角的关系为：

8.如权利要求7所述的偏振成像入射角歧义解消除方法，其特征在于：步骤6具体实现方法为，

步骤2已得到两个候选入射角θ_is和θ_im，通过下式判断条件得到更靠近参考入射角θ_ir的入射角作为真实入射角信息，所述的真实入射角信息即为消除歧义解唯一的入射角；

9.如权利要求1或2所述的偏振成像入射角歧义解消除方法，其特征在于：还包括步骤8，由于水下运动目标与水体的作用，使得其在水面会形成特定形状的波纹，其中水下运动目标所在位置形成的水面凸起称为“伯努利水丘”，而目标后面所形成的尾迹称为“开尔文尾迹”；对“伯努利水丘”和“开尔文尾迹”的探测成为水下运动目标探测的信息源；通过分析步骤7测量得到的动态海面波纹信息，实现对水下运动目标的探测。

10.如权利要求9所述的偏振成像入射角歧义解消除方法，其特征在于：利用步骤7测量得到的动态海面波纹信息，判断动态海面波纹信息中是否存在“伯努利水丘”和“开尔文尾迹”，进而判断是否在该区域存在水下运动目标；若动态海面波纹信息中存在“伯努利水丘”或“开尔文尾迹”，还能够通过分析“伯努利水丘”或“开尔文尾迹”大小、形状、高度特征，获取水下运动目标的大小、深度、运动速度等信息。