CN111122452B - 基于穆勒矩阵的去散射成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于穆勒矩阵的去散射成像方法，步骤1、调制偏振产生器(PSG)和偏振分析器(PSA)，拍摄在偏振产生器(PSG)和偏振分析器(PSA)不同状态下的图像，计算出散射介质的穆勒矩阵矢量矩阵；步骤2、得到背向散射光偏振度DoP的表达式；步骤3、通过导数计算当背向散射光偏振度DoP取最大值时γ和θ的取值，从而得到PSG的偏振态；步骤4、结合PSG的偏振态最优参数调整偏振分析器(PSA)角度；步骤5、将PSA偏振态进行设置，相机接收到清晰图像。本发明的优点在于无需图像信息处理算法，从而可实现实时的去散射成像无需图像信息处理算法，相机直接接收到的图像即为清晰图像，从而可实现实时的去散射成像，图像清晰度显著提升，且图像不失真。

Description

基于穆勒矩阵的去散射成像方法

技术领域

本发明涉及偏振成像在散射介质成像领域中的应用，特别涉及一种去散射成像方法。

背景技术

光学成像技术在资源勘探、军事侦查以及水下救生等领域具有非常重要的应用。光学成像系统获得的图像质量容易受环境散射效应的影响，导致成像质量下降。一方面，环境对光的散射使得包含目标物信息的光线不能进行清晰成像，导致目标景物模糊；另一方面，背景散射光与成像光线叠加在一起形成噪声，降低了图像对比度。

环境对光的散射作用是一个比较复杂的过程，如何消除散射效应对水下成像的影响是一项富有挑战性的工作。国内外许多研究机构对散射现象进行了一系列的理论与实验研究，例如，如何使散射光线聚焦以提高成像质量；如何将散射光线与成像光线进行区分，提高图像对比度，如距离选通技术、分级多尺度融合技术以及鬼成像等。在成像领域，偏振技术是一种十分有效的成像探测手段。根据光在介质传播的散射理论，粒子对光的散射作用会改变光的偏振状态，而且目标反射光的退偏度大于粒子散射光的退偏度。当接收器前偏振片的偏振方向与光源的偏振方向相同时，对比度最小，图像最模糊；当偏振片的偏振方向与光源偏振方向垂直时，对比度最大，图像最清晰。在深海或者浑浊空气中，成像的质量和对比度严重下降。因此，根据目标和背景散射光偏振特性的差异，利用偏振技术可在一定程度上减少散射光能量，提高成像对比度。

发明内容

针对散射环境成像质量和对比度低的问题，本发明提出一种基于穆勒矩阵的去散射成像方法，利用背景处的穆勒矩阵推算出PSG的最优参数，结合最优参数对PSA与PSG的偏振态进行调制，实现对背向散射光的最大化抑制，获取散射介质中的去散射清晰成像。

本发明的一种

步骤1、调制偏振产生器PSG和偏振分析器PSA拍摄在偏振产生器PSG和偏振分析器PSA不同状态下的图像，计算出散射介质的穆勒矩阵矢量矩阵，表达式如下：

S＝(S₀,S₁,S₂,S₃)^T

其中，S₀表示光的强度，S₁表示0°与90°偏振方向光的强度差值，S₂表示45°与135°偏振方向光的强度差值，S₃表示右旋偏振光与左旋偏振光的强度差值；

步骤2、利用散射介质的穆勒矩阵，得到背向散射光偏振度DoP的表达式；

步骤3、通过导数计算当背向散射光偏振度DoP取最大值时γ和θ的取值，从而得到偏振产生器PSG的偏振态；

步骤4、结合偏振产生器PSG的偏振态最优参数调整偏振分析器PSA的角度：设一束光照射背景处后反射出来的光矢量斯托克斯矢量为S′＝(S′₀,S′₁,S′₂,S′₃)^T，S′分解为一个偏振光斯托克斯矢量S_p和自然光斯托克斯矢量S_u之和

S′＝S_p+S_u

其中

过滤S′中的偏振分量，达到抑制背向散射光的目的；

设偏振分析器PSA的本征斯托克斯矢量为T，令T与S_p正交，即

设调整后的偏振分析器PSA偏振片与水平方向夹角为γ′，波片快轴方向与水平方向夹角为θ′，相机获得的图像中，反射出来的光的矢量斯托克斯矢量表示为：

步骤5、将偏振分析器PSA的偏振态进行设置，直接用相机接收到清晰图像，整个系统显示为实时成像。

与现有技术相比，本发明的有益效果及优点在于：

1、该方法的优点在于无需图像信息处理算法，相机直接接收到的图像即为清晰图像，从而可实现实时的去散射成像无需图像信息处理算法，相机直接接收到的图像即为清晰图像，从而可实现实时的去散射成像；

2、本发明采用物理的方法实现去散射清晰成像，图像清晰度显著提升，且图像不失真。

附图说明

图1为本发明的一种基于穆勒矩阵的去散射成像方法整体流程图；

图2为本发明所使用的实验系统示意图；

图3为本发明实施例的未调制图像示意图；(3a)低浓度散射介质下的未调制的成像，(3b)中浓度散射介质下的未调制的成像，(3c)高浓度散射介质下的未调制的成像；

图4为本发明实施例的调制后图像示意图；(4a)低浓度散射介质下的调制后的成像，(3b)中浓度散射介质下的调制后的成像，(3c)高浓度散射介质下的调制后的成像；

附图标记：1、激光光源，2、第一偏振片，3、第一四分之一波片，4、实验目标物，5、第二四分之一波片，6、第二偏振片，7、光强探测器(CCD)。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明做详细描述。

本发明的基于穆勒矩阵的去散射成像方法，基于散射介质图像背景处的穆勒矩阵测量，推算PSA与PSG的最优化偏振态，并对其进行调制。从而实现散射介质下成像清晰度的提升，达到去散射成像的效果。

如图1所示，为本发明的基于穆勒矩阵的去散射成像方法流程图，具体包括以下步骤：

步骤1、调制偏振产生器(PSG)和偏振分析器(PSA)，拍摄在偏振产生器(PSG)和偏振分析器(PSA)不同状态下的图像，计算出散射介质的穆勒矩阵矢量矩阵，表达式如下：

S＝(S₀,S₁,S₂,S₃)^T (1)

其中，S₀表示光的强度，S₁表示0°与90°偏振方向光的强度差值，S₂表示45°与135°偏振方向光的强度差值，S₃表示右旋偏振光与左旋偏振光的强度差值；

步骤1所基于的相关原理如下：

穆勒矩阵是描述入射斯托克斯矢量Sin如何由给定样本转换的4×4矩阵。从本质上讲，穆勒矩阵可以看作是样品的光学指纹。斯托克斯矢量是一个4×1的矢量，用来表示给定光场的偏振态。因此，如果穆勒矩阵M是已知的一个样本，其输出或产生的斯托克斯矢量S_out为：

S_out＝M×S_in (2)

计算一个未知样品的穆勒矩阵，16个元素通过四种不同组合的输入和输出偏振态来计算，通常采用四组偏振态的入射光：1)水平线偏振光，并设经物体反射后斯托克斯矢量为(S₀₁ S₁₁ S₂₁ S₃₁)^T；2)垂直线偏振光，并设经物体反射后斯托克斯矢量为(S₀₂ S₁₂ S₂₂ S₃₂)^T；3)45°线偏振光，并设经物体反射后斯托克斯矢量为(S₀₃ S₁₃ S₂₃ S₃₃)^T；

4)右旋圆偏振光，并设经物体反射后斯托克斯矢量为(S₀₄ S₁₄ S₂₄ S₃₄)^T。通过上面所述的四种不同入射光的偏振状态，得到物体的穆勒矩阵为：

如图2所示，为本发明实施例的偏振态调制实验装置示意图。该实验装置包括激光光源1、第一偏振片2、第一四分之一波片3、第二四分之一波片5、第二偏振片6、光强探测器(CCD)7。激光光源1前放置第一偏振片2和第一四分之一波片3，用于产生所需线偏振光和圆偏振光，所产生的偏振光入射到实验目标物4上，经反射实验目标物4至第二四分之一波片5再经过第二偏振片6最后进入光强探测器件(CCD相机)7，进行图像拍摄，旋转第一偏振片2和第一四分之一波片3，分别获得以上的四种不同状态入射光，对于任意入射光，旋转第二偏振片6和第二四分之一波片5，可以计算得出经物体反射的斯托克斯矢量，从而计算得到穆勒矩阵。

在探测散射介质中的实验目标物4时，光学探测器(CCD)获得的光束大致分为两部分：第一部分是实验目标物4的反射光，这部分信号受到散射介质中散射粒子的吸收和散射作用在进入相机过程中发生衰减；第二部分为背向散射光，这部分信号主要由环境中浑浊物质散射进入相机中。因此，光学探测器(CCD)接收的光强为：

I_CCD＝I_scatter+I_reflect (4)

通常认为背景处即没有实验目标物4的位置进入相机的光近似为背向散射光，那么只要在接受到的光中抑制背向散射光就可以得到物体的反射光。本发明将通过对背向散射光的抑制实现较好的去散射效果。

步骤2、利用散射介质的穆勒矩阵，得到背向散射光偏振度(DoP)的表达式；

步骤3、调节偏振产生器(PSG)的角度使DoP数值最大：为了使抑制效果更加明显，需要经过背景反射后的光矢量偏振分量尽量大。当S′的DoP最大时，抑制效果最好，因此需要调整PSG。

设PSG中偏振片与水平方向夹角为γ，波片快轴方向与水平方向夹角为θ，偏振片的穆勒矩阵为M_p，波片的穆勒矩阵为M_b，设入射光的穆勒矩阵为S＝(S₀，S₁，S₂，S₃)^T，得到S’

S′＝M×M_b×M_p×S (5)

DoP为γ和θ的二元方程，通过导数计算当DoP取最大值时γ和θ的取值，从而得到PSG的偏振态(偏振态是指PSG中波片和偏振片的角度信息)最优参数；

步骤4、结合PSG的偏振态最优参数调节偏振分析器(PSA)角度：设一束光照射背景处后反射出来的光矢量斯托克斯矢量为S′＝(S′₀,S′₁,S′₂,S′₃)^T，S′可分解为一个偏振光斯托克斯矢量S_p和自然光斯托克斯矢量S_u之和

S′＝S_p+S_u (6)

其中

尽量过滤S′中的偏振分量，达到抑制背向散射光的目的；

设PSA的本征斯托克斯矢量为T，令T与S_p正交，即

T也就表示PSA的偏振态，

设调整后的偏振分析器PSA与水平方向夹角为γ′，波片快轴方向与水平方向夹角为θ′，相机获得的图像中，反射出来的光的矢量斯托克斯矢量表示为：

步骤5、将偏振分析器PSA的偏振态进行设置，直接用相机接收到清晰图像，整个系统显示为实时成像。

本发明能够在散射环境中能够清楚观察目标，实现去散射成像效果。

使用本发明后得到的原始光强图与去散射光强图的图像如图2、图3所示。图2为在不同浓度下，未经本系统调制时相机接受到的结果，图3为在不同浓度下，本方法调制后相机接收到的结果，图像质量得到了明显的改善，对比度提升明显且图像未失真。图像细节更加完善清晰，处理效果覆盖全局。

实验结果表明：针对不同浓度的散射环境，本方法均有较好的去散射效果，对高浑浊度环境也能够做到识别目标物体部分细节，同时在背景变化不大的场景下，可以实现实时去散射成像；相较于不调整PSG和PSA状态的相机采集图，利用本方法处理后的图像清晰度显著提升。该方法提高了直接获取的图像的对比度，可运用于散射环境目标探测和识别，在环境散射特性未发生剧烈变化时，可以实现对散射环境物体的实时监测。

Claims (1)

1.一种基于穆勒矩阵的去散射成像方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1、调制偏振产生器PSG和偏振分析器PSA拍摄在偏振产生器PSG和偏振分析器PSA不同状态下的图像，计算出散射介质的穆勒矩阵矢量矩阵，表达式如下：

S＝(S₀,S₁,S₂,S₃)^T

其中，S₀表示光的强度，S₁表示0°与90°偏振方向光的强度差值，S₂表示45°与135°偏振方向光的强度差值，S₃表示右旋偏振光与左旋偏振光的强度差值；

步骤2、利用散射介质的穆勒矩阵，得到背向散射光偏振度DoP的表达式；

步骤3、通过导数计算当背向散射光偏振度DoP取最大值时γ和θ的取值，从而得到偏振产生器PSG的偏振态；

步骤4、结合偏振产生器PSG的偏振态最优参数调整偏振分析器PSA的角度：设一束光照射背景处后反射出来的光矢量斯托克斯矢量为S′＝(S′₀,S′₁,S′₂,S′₃)^T，S′分解为一个偏振光斯托克斯矢量S_p和自然光斯托克斯矢量S_u之和

S′＝S_p+S_u

其中

过滤S′中的偏振分量，达到抑制背向散射光的目的；

设偏振分析器PSA的本征斯托克斯矢量为T，令T与S_p正交，即

设调整后的偏振分析器PSA偏振片与水平方向夹角为γ′，波片快轴方向与水平方向夹角为θ′，相机获得的图像中，反射出来的光的矢量斯托克斯矢量表示为

步骤5、将偏振分析器PSA的偏振态进行设置，直接用相机接收到清晰图像，整个系统显示为实时成像。

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