CN112379391B - 一种水下偏振成像方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水下偏振成像方法及其装置，包括：通过光源发射的目标光束通过第一偏振片照射目标和悬浮粒子；目标进行反射得到目标反射光，悬浮粒子进行散射得到后向散射光；目标反射光和后向散射光通过第二偏振片照射到探测器上；在有目标区域，旋转第二偏振片获取第一偏振子图像集，进而得到第一总光强矢量；在无目标区域，旋转第二偏振片获取第二偏振子图像集，进而得到第二总光强矢量；根据第二总光强矢量得到后向散射光的偏振度和偏振角；根据第一总光强矢量、后向散射光的偏振度和其偏振角得到目标偏振角；根据后向散射光的偏振度和其偏振角得到后向散射偏振光光强。本成像方法及其装置可重建图像中丢失的目标信息，提高水下成像质量。
Description
技术领域
本发明属于光学成像领域，具体涉及一种水下偏振成像方法及其装置。
背景技术
水下光学成像具有分辨率高、成像设备简单和能提供丰富的信息等优点，被广泛应用于海水养殖、水下考古或水雷探测等领域。在水下场景中，影响成像质量的主要因素为水分子以及水中悬浮粒子对光波的散射而产生的散射光，其中，部分散射光会朝着探测器的方向传播，形成后向散射光。后向散射光会叠加在目标信息光上，使探测器获取的图像的对比度降低，影响水下光学成像的探测距离。
为了解决水下光学成像中后向散射光限制成像距离以及降低图像对比度的问题，国内外学者做了大量的研究，设计出多种水下成像的方法，例如距离选通成像、压缩感知成像、偏振成像以及多种图像增强方法，其中偏振成像方法因设备简单，且具有能高效地移除背景散射光、成像效果好和性价比高等优点而备受关注。水下偏振成像通过研究光波经水体散射后偏振信息的变化建立偏振水下成像模型，然后通过获取两幅或者多幅水下偏振图像计算后向散射光的偏振度，最后利用后向散射光与目标反射光偏振度的差异将两者分离，从而有效获取清晰场景图像。
传统偏振成像方法虽然能够有效去除后向散射光，但是使用的成像模型过于简单，未充分考虑水下场景中光波信息的全偏振特性。传统水下偏振成像模型假设目标反射光与后向散射光的偏振角相同且为一个常数，即通过旋转偏振片观测到的目标反射光和后向散射光光强最大方向相同，但在实际场景中，不同目标表面的目标反射光偏振角不同，其随着目标的材料以及表面形状的起伏而变化；传统水下偏振成像模型假设目标反射光的偏振度是一个常数或者为零，但在实际场景中，目标反射光的偏振度同样随着目标的材料以及表面形状的起伏而变化。
以上传统的偏振成像方法不能完整地恢复出目标信息，造成重建图像中的目标信息丢失。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种水下偏振成像方法及其装置。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种水下偏振成像方法，包括：
通过光源发射目标光束，所述目标光束通过第一偏振片照射到目标和悬浮粒子上；
所述目标对所述目标光束进行反射得到目标反射光，所述悬浮粒子对所述目标光束进行散射得到后向散射光；
所述目标反射光和所述后向散射光通过第二偏振片照射到探测器上；
在有目标区域，通过旋转第二偏振片获取第一偏振子图像集，根据所述第一偏振子图像集得到第一总光强矢量；
在无目标区域，通过旋转第二偏振片获取第二偏振子图像集，根据所述第二偏振子图像集得到第二总光强矢量；
根据所述第二总光强矢量得到后向散射光的偏振度和后向散射光的偏振角；
基于互信息求解方法，根据所述第一总光强矢量、所述后向散射光的偏振度和所述后向散射光的偏振角得到目标偏振角；
基于独立成分分析方法，根据所述后向散射光的偏振度和所述后向散射光的偏振角得到后向散射偏振光光强。
在本发明的一个实施例中，所述第一总光强矢量包括：第一总光强、第一X轴方向直线偏振光分量和第一45°方向直线偏振光分量。
在本发明的一个实施例中，所述第二总光强矢量包括：第二总光强、第二X轴方向直线偏振光分量和第二45°方向直线偏振光分量。
在本发明的一个实施例中，根据所述第一总光强矢量、所述后向散射光的偏振度和所述后向散射光的偏振角得到目标偏振角，包括：
通过多个不同的假设目标偏振度和假设目标偏振角得到目标反射光光强和后向散射光光强；
根据所述第一总光强矢量、所述后向散射光的偏振度、所述后向散射光的偏振角、所述目标反射光光强和所述后向散射光光强得到目标反射光和后向散射光的互信息；
根据所述目标反射光和后向散射光的互信息得到所述目标偏振角。
在本发明的一个实施例中，通过多个不同的假设目标偏振度和假设目标偏振角得到目标反射光光强和后向散射光光强，包括：
基于互信息特性，通过所述多个不同的假设目标偏振度和假设目标偏振角得到所述目标反射光光强和所述后向散射光光强。
在本发明的一个实施例中，根据所述第一总光强矢量、所述后向散射光的偏振度、所述后向散射光的偏振角、所述目标反射光光强和所述后向散射光光强得到目标反射光和后向散射光的互信息，包括：
根据所述后向散射光光强得到第一边缘概率密度函数，根据所述目标反射光光强得到第二边缘概率密度函数，根据所述目标反射光光强和所述后向散射光光强得到联合概率密度函数；
根据所述第一边缘概率密度函数、所述第二边缘概率密度函数和所述联合概率密度函数得到所述目标反射光和后向散射光的互信息。
在本发明的一个实施例中，根据所述后向散射光的偏振度和所述后向散射光的偏振角得到后向散射偏振光光强，包括：
在有目标区域，通过旋转第二偏振片得到偏振方位角分别为0°、45°、90°和135°时对应的光强I0、I45、I90和I135；
根据所述后向散射光的偏振角和所述光强I0、I45、I90和I135得到偏振方位角分别为0°、45°、90°和135°时对应的后向散射光调制系数fB(0°)、fB(45°)、fB(90°)和fB(135°)；
根据所述光强I0、I45、I90、I135和所述后向散射光调制系数fB(0°)、fB(45°)、fB(90°)和fB(135°)得到后向散射偏振光光强。
一种水下偏振成像装置，包括：光源、第一偏振片、第二偏振片和探测器，其中，
所述第一偏振片置于所述光源的发射端，所述第二偏振片置于所述探测器的接收端，所述光源、所述第一偏振片、所述第二偏振片和所述探测器位于目标的同一侧。
本发明的有益效果：
本发明针对传统偏振成像方法存在的问题，提供了一种水下偏振成像方法及其装置，分别在有目标和无目标的环境下结合目标在水下存在的偏振现象，根据目标偏振度、目标偏振角、后向散射光的偏振度和后向散射光的偏振角信息进一步计算求得目标偏振角或后向散射偏振光光强，本发明的水下偏振成像方法及其装置可完整的恢复目标信息，并重建图像中丢失的目标信息，提高水下成像质量。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种水下偏振成像方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的一种水下偏振成像关于后向散射光、目标反射光和总光强之间的角度图；
图3是本发明实施例提供的一种水下偏振成像模型结构图。
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和图2，图1是本发明实施例提供的一种水下偏振成像方法的流程图，图2是本发明实施例提供的一种水下偏振成像关于后向散射光、目标反射光和总光强之间的角度图。本发明实施例提供的一种水下偏振成像方法，包括：
步骤1、通过光源1发射目标光束，目标光束通过第一偏振片2照射到目标6和悬浮粒子5上。
具体地，本发明的水下偏振成像方法主要用来研究光束经过水体散射后的偏振信息变化，用以解决水下光学成像中后向散射光限制成像距离以及降低图像对比度的问题。在本实施例中，光源1发射的目标光束通过第一偏振片2照射到目标6和悬浮粒子5上，光源1的型号例如可以为THORLABS M660L4，第一偏振片2的型号例如可以为THORLABSLPVISE200-A。
步骤2、目标6对目标光束进行反射得到目标反射光，悬浮粒子5对目标光束进行散射得到后向散射光。
具体地，光源1发射的目标光束通过第一偏振片2照射到目标6和悬浮粒子5上，目标6对照射到其表面的目标光束进行反射得到目标反射光，悬浮粒子5对照射到其表面的目标光束进行散射得到散射光，散射光的一部分会向探测器4的方向传播被探测器4接收，这部分的散射光为后向散射光。
步骤3、目标反射光和后向散射光通过第二偏振片3照射到探测器4上。
具体地，通过调节第二偏振片3的角度获取同一场景下不同偏振方位角对应的图像，探测器4用来接收不同偏振方位角对应的目标反射光和后向散射光。偏振片对入射光具有遮蔽和透过的功能，仅允许垂直于偏振片分子平行排列方向的光通过。
探测器4型号例如可以为BASLER acA2040-90umNIR，第二偏振片3的型号例如可以为THORLABS LPVISE200-A。
步骤4、在有目标区域，通过旋转第二偏振片3获取第一偏振子图像集，根据第一偏振子图像集得到第一总光强矢量。
具体地，在有目标区域旋转第二偏振片3获取偏振方位角分别为0°、45°、90°和135°时的偏振子图像，偏振子图像包括偏振方位角为0°、45°、90°和135°时对应的光强分别为I0、I45、I90和I135，进而得到第一总光强矢量[Itotal,Qtotal,Utotal]。
进一步地，第一总光强矢量包括：第一总光强、第一X轴方向直线偏振光分量和第一45°方向直线偏振光分量。同时，第一总光强矢量为斯托克斯矢量。
第一总光强矢量可以表示为：
其中，[Itotal,Qtotal,Utotal]表示第一总光强矢量，Itotal表示第一总光强，Qtotal表示第一X轴方向直线偏振光分量，Utotal表示第一45°方向直线偏振光分量，I0表示偏振方位角为0°时的总光强，I45表示偏振方位角为45°时的总光强，I90表示偏振方位角为90°时的总光强，I135表示偏振方位角为135°时的总光强。
进一步地，第一总光强Itotal由目标反射光Itarget和后向散射光Iback组成，第一总光强Itotal、目标反射光Itarget和后向散射光Iback皆为部分偏振光，并且偏振角不同。同时，目标反射光Itarget由目标反射偏振光Tp和目标反射非偏振光Tn组成，后向散射光Iback由后向散射偏振光Bp和后向散射非偏振光Bn组成。
第一总光强表示为：
Itotal＝Bn+Bp+Tn+Tp＝Itarget+Iback；
目标偏振度表示为：
后向散射光的偏振度表示为：
其中，Itotal表示第一总光强，pobj表示目标偏振度，pscat表示后向散射光的偏振度。
以目标反射光的传播方向为z轴，水平方向为x轴建立直角坐标系，则目标偏振角φ为目标反射偏振光的振动方向与x轴的夹角，后向散射光的偏振角δ为后向散射偏振光的振动方向与x轴的夹角，第一总光强偏振角β为第一总光强偏振光的振动方向与x轴的夹角。
则目标反射光的斯托克斯矢量表示为：
其中，[Itarget,Qtarget,Utarget]表示目标反射光的斯托克斯矢量，Itarget表示目标反射光总光强，Qtarget表示目标反射光X轴方向直线偏振光分量，Utarget表示目标反射光45°方向直线偏振光分量。
则后向散射光的斯托克斯矢量表示为：
其中，[Iback,Qback,Uback]表示后向散射光的斯托克斯矢量，Iback表示后向散射光总光强，Qback表示后向散射光X轴方向直线偏振光分量，Uback表示后向散射光45°方向直线偏振光分量。
目标反射光的斯托克斯矢量和后向散射光的斯托克斯矢量进行叠加得到第一总光强的斯托克斯矢量。
在上式中，目标反射偏振光Tp、目标反射非偏振光Tn、后向散射偏振光Bp、后向散射非偏振光Bn、目标偏振角φ和后向散射光的偏振角δ均为未知数，通过下面的步骤对上述未知数进行计算。
步骤5、在无目标区域，通过旋转第二偏振片3获取第二偏振子图像集，根据第二偏振子图像集得到第二总光强矢量。
具体地，在无目标区域旋转第二偏振片3获取偏振方位角分别为0°、45°、90°和135°时的偏振子图像，偏振方位角为0°、45°、90°和135°时对应的光强分别为I'0、I'45、I'90和I'135，根据光强I'0、I'45、I'90和I'135得到第二总光强矢量
进一步地，第二总光强矢量包括：第二总光强、第二X轴方向直线偏振光分量和第二45°方向直线偏振光分量。同时，第二总光强矢量为斯托克斯矢量。
第二总光强矢量表示为：
其中，
表示第二总光强矢量，
表示第二总光强，
表示第二X轴方向直线偏振光分量，
表示第二45°方向直线偏振光分量。
步骤6、根据第二总光强矢量得到后向散射光的偏振度和后向散射光的偏振角。
后向散射光的偏振度的表达式为：
其中，pscat表示后向散射光的偏振度。
后向散射光的偏振角的表达式为：
其中，δ表示后向散射光的偏振角，
表示反正切函数。
步骤7、基于互信息求解方法，根据第一总光强矢量、后向散射光的偏振度和后向散射光的偏振角得到目标偏振角。
步骤8、基于独立成分分析方法，根据后向散射光的偏振度和后向散射光的偏振角得到后向散射偏振光光强。
独立成分分析方法(ICA，Independent Component Analysis)又称为盲源分离，是一种统计和计算技术，用于将多元信号分离为加性子分量，通过假设子分量是非高斯信号，并且在统计上彼此独立来完成。
实施例二
在实施例一的基础上，请参见图1和图2，图1是本发明实施例提供的一种水下偏振成像方法流程图，图2是本发明实施例提供的一种水下偏振成像关于后向散射光、目标反射光和总光强之间的角度图。
根据第一总光强矢量、后向散射光的偏振度和后向散射光的偏振角得到目标偏振角，包括：
步骤7.1、通过多个不同的假设目标偏振度和假设目标偏振角得到目标反射光光强和后向散射光光强。
具体地，互信息表示两个信息的相关程度，互信息值越小表示两个信息的相关性越小，反之，互信息值越大表示两个信息的相关性越大。基于互信息特性，通过多个不同的假设目标偏振度和假设目标偏振角得到目标反射光光强Itarget和后向散射光光强Iback。
目标反射光光强的表达式为：
后向散射光光强Iback的表达式为：
Iback＝Itotal-Itarget。
步骤7.2、根据第一总光强矢量、后向散射光的偏振度、后向散射光的偏振角、目标反射光光强和后向散射光光强得到目标反射光和后向散射光的互信息。
具体地，目标反射光和后向散射光的互信息的表达式为：
其中，prob(b)表示第一边缘概率密度函数，prob(t)表示第二边缘概率密度函数，prob(b,t)表示联合概率密度函数。
步骤7.2.1、根据后向散射光光强得到第一边缘概率密度函数，根据目标反射光光强得到第二边缘概率密度函数，根据目标反射光光强和后向散射光光强得到联合概率密度函数。
第一边缘概率密度函数和第二边缘概率密度函数为离散型函数，可通过灰度直方图进行求解。
例如，横坐标表示灰度值，取值范围为0～255，纵坐标表示图像中灰度值为固定值的像素数目，当灰度值为100时，像素数目为2000，说明图像中灰度值为100的像素数目为2000个。将这些像素数目分别除以图像的总像素数目得到一系列数据，设此一系列数据为p(i)，则边缘密度函数的表达式为：
其中，prob表示边缘密度函数，p(i)表示目标像素数目除以图像的总像素数目得到的一系列数据。
当p(i)＝t(i)，prob(t)表示第二边缘概率密度函数，则第二边缘概率密度函数的表达式为：
t(i)表示目标反射光的目标像素数目除以图像的总像素数目得到的一系列数据。
当p(i)＝b(i)，prob(b)表示第二边缘概率密度函数，则第二边缘概率密度函数的表达式为：
b(i)表示后向散射光的目标像素数目除以图像的总像素数目得到的一系列数据。
同理可得，联合概率密度函数的表达式为：
其中，prob(b,t)表示联合概率密度函数。
步骤7.2.2、根据第一边缘概率密度函数、第二边缘概率密度函数和联合概率密度函数得到目标反射光和后向散射光的互信息。
具体的，目标反射光和后向散射光的互信息的表达式可以通过第一边缘概率密度函数、第二边缘概率密度函数和联合概率密度函数的计算得到，则目标反射光和后向散射光的互信息的表达式为：
MI＝prob(t)+prob(b)-prob(b,t)。
步骤7.3、根据目标反射光和后向散射光的互信息得到目标偏振角。
目标偏振角的表达式为：
实施例三
在实施例一的基础上，请参见图1和图2，图1是本发明实施例提供的一种水下偏振成像方法流程图，图2是本发明实施例提供的一种水下偏振成像关于后向散射光、目标反射光和总光强之间的角度图。
根据后向散射光的偏振度和后向散射光的偏振角得到后向散射偏振光光强。
步骤8.1、在有目标区域，通过旋转第二偏振片得到偏振方位角分别为0°、45°、90°和135°时对应的光强I0、I45、I90和I135。
光强I0、I45、I90和I135的表达式为：
步骤8.2、根据后向散射光的偏振角和光强I0、I45、I90和I135得到偏振方位角分别为0°、45°、90°和135°时对应的后向散射光调制系数fB(0°)、fB(45°)、fB(90°)和fB(135°)。
后向散射光调制系数fB(0°)、fB(45°)、fB(90°)和fB(135°)的表达式为：
其中，δ表示后向散射光的偏振角。
步骤8.3、根据光强I0、I45、I90、I135和后向散射光调制系数fB(0°)、fB(45°)、fB(90°)和fB(135°)得到后向散射偏振光光强。
具体地，根据光强I0和I45得到向量e1，根据光强I0和I90得到向量e2，根据光强I0和I135得到向量e3。
向量e1的表达式为：
进一步运算可得：
向量e2的表达式为：
向量e3的表达式为：
进一步地，得到
且E＝AM。
因此，对后向散射偏振光光强的求解问题可转化为将矩阵E分解为A和M，将E进行奇异值分解得到E＝UDVT，对矩阵E进行构造得到：
E＝UWW-1DVT；
其中，W是任意2×2的非奇异矩阵。
对A和M进行估计，得到：
A＝UW
M＝W-1DVT。
将矩阵W假设为：
定义最小化准则，可得最小化表达式为：
因为U的列向量是标准正交，则最小化后可得到：
将矩阵W表示为：
其中，r1和r2为正数，且r1和α是已知数，矩阵W的行列式可以表示为：
Δ＝ad-bc＝r1r2 sin(θ-α)；
为了不失一般性，设置|Δ|＝1，若θ已知，可得到矩阵W，由矩阵W可得到后向散射偏振光光强。
在θ∈[0,π]的取值范围内随机选择θ的值，计算每一个θ对应的目标反射光光强和后向散射光光强，由目标反射光光强和后向散射光光强得到目标反射光和后向散射光的互信息，目标反射光和后向散射光的互信息的表达式为：
其中，prob(b,t)表示目标反射光和后向散射光的联合概率密度函数，prob(t)表示目标反射光的边缘密度函数，prob(b)表示后向散射光的边缘密度函数。
根据目标反射光和后向散射光的互信息取最小值时所对应的角度θ可得到后向散射偏振光光强。
实施例四
基于实施例一、实施例二和实施例三，参见图3，图3是本发明实施例提供的一种水下偏振成像模型结构图。本发明提供了一种水下偏振成像模型，包括：光源1、第一偏振片2、第二偏振片3和探测器4，其中，第一偏振片2置于光源1发射目标光束的一端，第二偏振片3置于探测器4接收目标反射光和后向散射光的一端，光源1、第一偏振片2、第二偏振片3和探测器4位于目标6的同一侧。
具体地，光源1用来发射目标光束，此目标光束用来照射到目标6上；第一偏振片2用来使垂直于偏振片分子平行排列方向的光通过；第二偏振片3用来设置接收的目标反射光和后向散射光的偏振角；探测器4用来接收的目标反射光和后向散射光。
光源1的型号例如可以为THORLABS M660L4，第一偏振片2的型号例如可以为THORLABS LPVISE200-A，第二偏振片3的型号例如可以为THORLABS LPVISE200-A，探测器4型号例如可以为BASLER acA2040-90umNIR。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种水下偏振成像方法，其特征在于，包括：
通过光源发射目标光束，所述目标光束通过第一偏振片照射到目标和悬浮粒子上；
所述目标对所述目标光束进行反射得到目标反射光，所述悬浮粒子对所述目标光束进行散射得到后向散射光；
所述目标反射光和所述后向散射光通过第二偏振片照射到探测器上；
在有目标区域，通过旋转第二偏振片获取第一偏振子图像集，根据所述第一偏振子图像集得到第一总光强矢量；
在无目标区域，通过旋转第二偏振片获取第二偏振子图像集，根据所述第二偏振子图像集得到第二总光强矢量；
根据所述第二总光强矢量得到后向散射光的偏振度和后向散射光的偏振角；
基于互信息求解方法，根据所述第一总光强矢量、所述后向散射光的偏振度和所述后向散射光的偏振角得到目标偏振角；
基于独立成分分析方法，根据所述后向散射光的偏振度和所述后向散射光的偏振角得到后向散射偏振光光强；
根据所述第一总光强矢量、所述后向散射光的偏振度和所述后向散射光的偏振角得到目标偏振角，包括：
通过多个不同的假设目标偏振度和假设目标偏振角得到目标反射光光强和后向散射光光强；
根据所述第一总光强矢量、所述后向散射光的偏振度、所述后向散射光的偏振角、所述目标反射光光强和所述后向散射光光强得到目标反射光和后向散射光的互信息；
根据所述目标反射光和后向散射光的互信息得到所述目标偏振角；
根据所述后向散射光的偏振度和所述后向散射光的偏振角得到后向散射偏振光光强，包括：
在有目标区域，通过旋转第二偏振片得到偏振方位角分别为0°、45°、90°和135°时对应的光强I0、I45、I90和I135；
根据所述后向散射光的偏振角和所述光强I0、I45、I90和I135得到偏振方位角分别为0°、45°、90°和135°时对应的后向散射光调制系数fB(0°)、fB(45°)、fB(90°)和fB(135°)；
根据所述光强I0、I45、I90、I135和所述后向散射光调制系数fB(0°)、fB(45°)、fB(90°)和fB(135°)得到后向散射偏振光光强。
2.根据权利要求1所述的水下偏振成像方法，其特征在于，所述第一总光强矢量包括：第一总光强、第一X轴方向直线偏振光分量和第一45°方向直线偏振光分量。
3.根据权利要求1所述的水下偏振成像方法，其特征在于，所述第二总光强矢量包括：第二总光强、第二X轴方向直线偏振光分量和第二45°方向直线偏振光分量。
4.根据权利要求1所述的水下偏振成像方法，其特征在于，通过多个不同的假设目标偏振度和假设目标偏振角得到目标反射光光强和后向散射光光强，包括：
基于互信息特性，通过所述多个不同的假设目标偏振度和假设目标偏振角得到所述目标反射光光强和所述后向散射光光强。
5.根据权利要求1所述的水下偏振成像方法，其特征在于，根据所述第一总光强矢量、所述后向散射光的偏振度、所述后向散射光的偏振角、所述目标反射光光强和所述后向散射光光强得到目标反射光和后向散射光的互信息，包括：
根据所述后向散射光光强得到第一边缘概率密度函数，根据所述目标反射光光强得到第二边缘概率密度函数，根据所述目标反射光光强和所述后向散射光光强得到联合概率密度函数；
根据所述第一边缘概率密度函数、所述第二边缘概率密度函数和所述联合概率密度函数得到所述目标反射光和后向散射光的互信息。
6.一种水下偏振成像装置，其特征在于，用于利用权利要求1至5任一项所述的成像方法进行成像，包括：光源、第一偏振片、第二偏振片和探测器，其中，
所述第一偏振片置于所述光源的发射端，所述第二偏振片置于所述探测器的接收端，所述光源、所述第一偏振片、所述第二偏振片和所述探测器位于目标的同一侧。
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