CN116012261A - 一种基于分焦平面偏振相机的水面耀光自动抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于分焦平面偏振相机的水面耀光自动抑制方法，属于水面环境检测领域。本发明通过分焦平面偏振相机同时获取场景在同一时刻的0°、45°、90°和135°四幅偏振方向不同的偏振辐射图，独立解算图像上不同区域的斯托克斯矢量、偏振度、偏转角等偏振信息；动态场景和运动目标的偏振信息均在同一时刻获取，处理结果不会产生拖影、错位、模糊等问题；基于偏振成像原理，计算对应平均灰度最小的最佳偏振角与偏振图像，实现对水面耀光的抑制；基于图像各点的不均匀性，通过逐像素处理，获取对水面耀光更好的抑制效果。本发明适用于偏振成像、水体图像处理、安防监控等领域，提升水体中的目标细节和轮廓信息的清晰度。

Description

一种基于分焦平面偏振相机的水面耀光自动抑制方法

技术领域

本发明涉及一种基于分焦平面偏振相机的水面耀光自动抑制方法，属于水面环境检测领域。

背景技术

水环境的改善不仅能够实现人与自然和谐发展，还能够提高人们生活质量、发展地区经济，对人类的生存与发展有着及其重要的现实意义。水面漂浮物或水生物、水下植物以及水下排放污染物等都是水环境监测的主要任务。我国江河湖面，特别是沿海地带的几大河流、三角洲支流以及湖泊广泛，地区工业经济发达，环境监测任务艰巨。随着技术的进步，不仅传统水面监测船上的各类摄像机，而且沿河的定点监测摄像机或无人机动态摄像机，已成为重要的监测手段，结合各种图像人工智能处理，能够快速有效对监测水域进行判别。然而，由于天空及太阳光在水面反射会形成强辐射干扰，即水面太阳耀光，是海洋水色遥感、水面目标监视等水体图像探测应用中的强辐射干扰，易造成成像探测器大面积像元饱和、像素信息丢失、干扰水下目标探测等问题。因此，如何消除或减小水面耀光反射影响成像是提高环境监测的关键环节。

水面耀光具有明显的偏振特征，偏振图像可减少粗糙海面太阳耀光的影响。当风吹过水面时所形成的波纹还形成不同程度的倾角或扭曲，造成区域分布的耀光，因此，耀光的偏振特性与太阳方位及水面观测条件等有关。通过在相机镜头前加装一个旋转线偏振片形成分时型偏振成像系统，可获取偏振图像和偏振信息(偏振度、偏振角、斯托克斯矢量等)。然而在实际应用中，分时型偏振成像系统不仅结构复杂，而且实际应用中平台和探测点位不断变化，使得最佳检偏角方向需要动态优化调正，且探测视场内水面的相对倾角也不一致，因此，很难做到准确的动态调整点位。分时型偏振成像系统只能对整幅图像取同一偏振方向，然而对图像中的不同区域，只使用单偏振片不能获得各部分的最佳偏振方向图像。更重要的是，分时型系统旋转角度精度低、偏振探测能力差，且仅适用于静态目标场景，对于运动的目标变化的场景不能获得良好的效果，难以适应抑制水面耀光、提高环境监测的应用。

发明内容

针对分时型偏振成像系统旋转角度精度低、偏振探测能力差，且仅适用于静态目标场景的问题，本发明的主要目的是提供一种基于分焦平面偏振相机的水面耀光自动抑制方法。基于偏振成像原理计算对应平均灰度最小的最佳偏振角与偏振图像，实现对水面耀光的抑制，提升水体中的目标细节和轮廓信息的清晰度。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种基于分焦平面偏振相机的水面耀光自动抑制方法，依据水面耀光显著的部分偏振特性，利用分焦平面偏振相机直接获得场景在同一时刻不同偏振方向图像的特点，对受耀光干扰的水面进行偏振测量，获得0°、45°、90°、135°四个偏振方向的偏振辐射图，计算其Stokes参量。基于偏振成像原理计算对应平均灰度最小的最佳偏振角与偏振图像，实现对水面耀光的抑制。并基于图像各点的不均匀性，通过逐像素处理，获取对水面耀光更好的抑制效果，使水体中的目标细节和轮廓信息更清晰。

本发明公开的一种基于分焦平面偏振相机的水面耀光自动抑制方法，包括如下步骤：

步骤一：采用分焦平面偏振相机采集水面受耀光影响的偏振图像；

所述偏振图像，由分焦平面偏振相机获取的同一场景下同一时刻在0°、45°、90°和135°四个不同偏振角度下的偏振信息，并通过插值法得到。

步骤二：计算偏振信息；

根据偏振成像原理，利用步骤一所得的四个方向偏振图像的强度，计算偏振信息，包含图像的线斯托克斯矢量、偏振度、偏振角；

步骤三：计算各偏振角上的光强值；

根据偏振成像模型，利用步骤二所得的斯托克斯矢量，计算理论上场景在各个偏振角度上的光强值。

步骤四：计算最佳偏振方向上的图像；

采用灰度平均值作为评价图像受干扰光光强影响的指标，比较步骤三计算得出的场景在每一偏振方向上的图像光强值，若检偏角θ_i方向的图像灰度平均值

为最小，则θ_i为太阳耀光抑制最佳角度θ_best：

θ_best＝θ_i

在此方向上的图像表示为：

其中，S₀、S₁、S₂为斯托克斯矢量。此时，图像灰度平均值最小，图像中的高强度耀光得到最大程度的滤除。

考虑动态水面各部分的偏振特性并不完全相同，对图像进行逐像素处理。记(i,j)处的斯托克斯矢量为S(i,j)，对应的穆勒矩阵为M_m(i,j)，则偏振处理后的像素值为

I_θ(i,j)＝M_m(i,j)·S(i,j)

步骤五：将上述偏振处理后的图像进行直方图均衡化，获得最终的结果，实现对水面耀光的抑制，提升水体中的目标细节和轮廓信息的清晰度。

有益效果：

1、本发明公开的一种基于分焦平面偏振相机的水面耀光自动抑制方法，根据水面场景反射耀光部分偏振强度强、非耀光部分偏振弱的特点，使用分焦平面偏振相机并计算最佳偏振方向上的偏振图像压制水面耀光进行水面场景探测，无需手动或者机械旋转偏振片，减小了此过程带来的机械误差，提升水体中的目标细节和轮廓信息的清晰度。

2、本发明公开的一种基于分焦平面偏振相机的水面耀光自动抑制方法，使用分焦平面偏振相机采集水面场景在同一时刻四个不同偏振方向的偏振图像，计算获得最佳偏振方向上的抑制水面耀光偏振图像，相较分时型系统，动态场景和运动目标的偏振信息均在同一时刻获取，计算得到的处理结果不会产生拖影、错位、模糊等分时型系统的问题。且适合长时段连续性作业，有更好的应用潜力。

3、相对于分时型偏振成像系统，本发明公开的一种基于分焦平面偏振相机的水面耀光自动抑制方法，通过分焦平面偏振相机同时获取场景在同一时刻的0°、45°、90°和135°四幅偏振方向不同的图像，能够独立解算图像上的不同区域的斯托克斯矢量、偏振度、偏转角等偏振信息；并通过计算求得平均灰度最小的偏振方向和此方向上的强度图像，配合对实时变化的水面进行逐像素处理，更适合因风吹或物体运动而产生起伏的实际水面场景，对水面耀光的抑制更有效，提升水体中的目标细节和轮廓信息的清晰度。

附图说明

图1为本发明公开一种基于分焦平面偏振相机的水面耀光自动抑制方法的流程框架图；

图2为本实施例公开的一种基于分焦平面偏振相机的水面耀光自动抑制方法的应用结果图，

其中图(a)为原始水面图像，图(b)为原图经本发明方法处理后的图像；图(c)为在图(d)上进行均衡化处理后的图像。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明。同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示，本实施公开一种基于分焦平面偏振相机的水面耀光自动抑制方法，在什刹海进行水面监控的具体应用，包括如下步骤：

步骤一：收集图像数据，使用Phoenix PHX050S-P分焦平面可见光偏振相机采集水面受耀光影响的偏振图像，获取同一场景同一时刻在不同偏振角度(0°、45°、90°和135°)下的偏振信息，并通过插值方法计算各方向的偏振图像。如图2(a)所示，为三种水面场景下的强度图。

步骤二：计算偏振信息。根据偏振成像原理，计算图像线斯托克斯矢量I₀，I₄₅，I₉₀，I₁₃₅、偏振度DoP、偏振角AoP等偏振信息：

S₀＝I₀+I₉₀

S₁＝I₀-I₉₀

S₂＝I₄₅-I₁₃₅

步骤三：根据偏振成像模型，光学元件对光波偏振态的改变用穆勒矩阵M描述:

其中，S_in为入射光的斯托克斯矢量；S_out为出射光的斯托克斯矢量；M为光学元件的穆勒矩阵,表示光学元件或系统对入射光的作用。

由于光电成像器件只能响应光强，则光电成像器件探测到的总光强I为：

I＝M₁₁·S_{0_in}+M₁₂·S_{1_in}+M₁₃·S_{2_in}+M₁₄·S_{3_in}

理论上透射和水平方向(x轴)夹角为θ的理想线偏振片Mueller矩阵一般表达式M_p为：

记M_p的第一行为M_m,透过检偏角θ偏振片后的检偏图像可表示为：

检偏光强I_θ与线偏振光的透光方向θ有关，当透光方向θ与偏振光振动方向α垂直时，检偏光强值达到最小值，耀光被最大程度地抑制。

步骤四：采用灰度平均值作为评价图像受干扰光光强影响的指标：

对于检偏角θ的图像f_θ(i,j)，定义灰度平均值

作为受水面耀光干扰的评价指标：

式中，WH为评价图像区域大小。

若检偏角θ_i方向的图像灰度平均值

为最小，则θ_i为太阳耀光抑制最佳角度θ_best：

θ_best＝θ_i

得到的最佳角度图像可表示为：

此时，图像灰度平均值最小，图像中的高强度耀光得到最大程度的滤除。

实际情况中，由于受到运动物体和环境风的影响，水面并不是绝对静止的。考虑各部分的偏振特性并不完全相同，为获取更好的图像效果，对每个像素点进行偏振求解。记(i,j)处的斯托克斯矢量为S(i,j)，对应的穆勒矩阵为M_m(i,j)，则偏振处理后的光强值为

I_θ(i,j)＝M_m(i,j)·S(i,j)

如图2(b)所示，为三种水面场景下偏振处理的结果。

步骤五：将上述偏振处理后的图像进行直方图均衡化，获得最终的结果。如图2(c)所示，为三种水面场景下偏振处理后直方图均衡化的结果。达到对水面耀光的抑制，提升水体中的目标细节和轮廓信息的清晰度。

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 (1)

1.一种基于分焦平面偏振相机的水面耀光自动抑制方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：采用分焦平面偏振相机采集水面受耀光影响的偏振图像；

所述偏振图像，由分焦平面偏振相机获取的同一场景下同一时刻在0°、45°、90°和135°四个不同偏振角度下的偏振信息，并通过插值法得到；

步骤二：计算偏振信息；

根据偏振成像原理，利用步骤一所得的四个方向偏振图像的强度，计算偏振信息，包含图像的线斯托克斯矢量、偏振度、偏振角；

步骤三：计算各偏振角上的光强值；

根据偏振成像模型，利用步骤二所得的斯托克斯矢量，计算理论上场景在各个偏振角度上的光强值；

步骤四：计算最佳偏振方向上的图像；

采用灰度平均值作为评价图像受干扰光光强影响的指标，比较步骤三计算得出的场景在每一偏振方向上的图像光强值，若检偏角θ_i方向的图像灰度平均值

为最小，则θ_i为太阳耀光抑制最佳角度θ_best：

θ_best＝θ_i

在此方向上的图像表示为：

其中，S₀、S₁、S₂为斯托克斯矢量；此时，图像灰度平均值最小，图像中的高强度耀光得到最大程度的滤除；

考虑动态水面各部分的偏振特性并不完全相同，对图像进行逐像素处理；记(i,j)处的斯托克斯矢量为S(i,j)，对应的穆勒矩阵为M_m(i,j)，则偏振处理后的像素值为

I_θ(i,j)＝M_m(i,j)·S(i,j)

步骤五：将上述偏振处理后的图像进行直方图均衡化，获得最终的结果，实现对水面耀光的抑制，提升水体中的目标细节和轮廓信息的清晰度。

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