一种基于偏振消光的成像方法与流程

本发明属于成像技术领域，特别是一种基于偏振消光的成像方法。

背景技术：

由于目标物反射光太强或者物体表面镜面反射，拍摄到的图像会呈现一片亮眼的白色，强烈干扰人眼或其他观测设备对目标物的观察或探测。因此在这种情况下，需要某些前端设备在不影响目标物探测信息的情况下消除强光，利于人眼或其他观测设备对目标物进行观察或探测。针对这种情况，人们设计实现了各种消除强光的系统，常见系统是在观测设备和目标物之间加一个衰减片以降低光强。但是，这种系统获得的图像整体光强变低，对比度减弱，目标细节分辨率也会降低。

还有一种技术就是偏振消光系统，利用偏振片进行消光的机理如图1所示：当光源满足布儒斯特角θ_B入射时，反射光为完全线偏振光，调整检偏器方位角，当偏振方位角与反射光的偏振方向互相垂直时，由于偏振片的阻光作用，反射光完全不能通过偏振片，从而达到消光的目的；当光源偏离布儒斯特角入射，反射光为部分偏振光，调整检偏器方位角只能消除部分反射光，只要满足入射角在布儒斯特角附近都能有效减弱强光对目标探测的影响。

上述消光系统有广泛的应用场景，该系统通常使用的消光方法主要有反馈消光、光学消光等。反馈消光是利用电路反馈信号进行调节，从而达到消除强光的目的。文献1(ZHANGJ H，LIU L G，ZHU H N，et al.The High Resolution Polarization Nulling Measurement System with Magneto-optical Modulator[J].Journal of Optoelectronics-Laser.2001，12(10)：1041-1042.)中公开了一种利用新型磁致调制器和驱动电路对偏振光进行调制的方法，它的优点是快速实时，缺点是对旋光材料要求高，系统设计复杂；光学消光是利用光的性质对强光进行消除，原理简单，适用性广，效果也很明显。文献2(CN103345099A)中公开了一种基于偏振光消光的成像方法，通过拍摄几个角度的偏振图像，对每幅偏振图像划定3*3的像素点窗口，将窗口内的数据与预先设定的阈值进行比较，通过图像融合后得到最终的消光图像，这种方法得到的消光效果与预先设定的阈值密切相关，且算法的执行时间长，相机每次只能拍摄几个特定角度的偏振 图像，有一定的局限性。文献3(CN102998667A)中公开了一种基于偏振遥感探测的波浪水面太阳耀光剥离方法，利用基于液晶相位可变延迟器的偏振成像探测仪进行波浪水面偏振成像探测，得到偏振强度图像，进而计算偏振度图像和偏振角图像，基于时间序列分析和图像融合技术计算得到分离太阳耀光背景下的目标物，这种方法虽然对太阳耀光的剥离效果显著，但系统代价较高，设备昂贵，且只能用在偏振遥感探测的太阳耀光剥离领域，有一定的局限性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于偏振消光的成像方法，能很好地消除强光干扰，利于人眼或其他观测设备对目标的观察和探测。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于偏振消光的成像方法，实现步骤如下：

步骤1，在相机镜头的前方设置一个垂直于相机光轴的偏振片，偏振片在相机镜头前可匀速转动；

步骤2，当偏振片匀速转动时，相机连续拍摄，获取不同偏振角度下的偏振图像；

步骤3，取相机拍摄得到的第一帧图像作为参考图像，将相机之后每次拍摄获取到的图像不断与参考图像作消光态判别，得到最终的消光图像，即偏振片旋转180°得到的一幅消光图像。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)利用反射光的偏振特性消除强光，与利用衰减片进行消光的现有方法相比，具有图像对比度高，目标的细节清晰等显著优点，更利于人眼或其他观测设备对目标物的观察和探测，原理简单，效果明显。(2)偏振片匀速转动使得相机连续拍摄，可以获取不同偏振角度的偏振图像，而不仅仅是几个角度的偏振图像，如0°、60°、120°或者0°、45°、90°、135°。(3)偏振片每转半圈，利用消光判别方法可以获得一幅消光图像，高效快速。(4)适用性强，可以应用于多种需要消除强光干扰的场合。例如对波光粼粼的湖面，观测水下物体；对于强光照射下的车头，识别其车牌号；对发生镜面反射的物体，观测其表面信息；对受到太阳耀光影响的水面进行航拍，勘测船舰或者水面漂浮物等等。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为偏振消光原理图。

图2为本发明基于偏振消光的成像方法的流程图。

图3(a)为受强光照射车牌号消光前的图像，图3(b)为利用本发明消光后的图像。

图4(a)为受太阳耀光影响的水面消光前的图像，图4(b)为利用本发明消光后的图像。

图5(a)为模拟博物馆展览文物消光前的图像，图5(b)为利用本发明消光后的图像。

图6(a)为模拟航拍水面漂浮物消光前的图像，图6(b)为利用本发明消光后的图像。

具体实施方式

结合图2，本发明基于偏振消光的成像方法，实现步骤如下：

步骤1，在相机镜头的前方设置一个垂直于相机光轴的偏振片，偏振片固定在齿轮中央，齿轮固定在支架上，利用步进电机带动齿轮匀速旋转，从而带动相机镜头前的偏振片匀速转动。相机选取可见光波段黑白CCD相机，帧频为f_p帧/秒，拍摄所得的图像为M*N的灰度图像，fp≥10，M、N为图像的宽和高，单位为像素。步进电机带动镶有偏振片的齿轮匀速转动，相机可以采到任意偏振角度的偏振图像，而不仅仅是几个特殊角度的偏振图像，例如常用的0°、60°、120°或者0°、45°、90°、135°。如相机帧频为15帧/秒，拍摄所得的图像为640*480的灰度图像，图3(a)为受强光照射车牌号消光前的图像。

步骤2，偏振片匀速转动的同时，相机连续拍摄，获取不同偏振角度下的偏振图像。偏振片每转半圈，偏振角度从0°到180°匀速变化，若设置步进电机的转速(即偏振片的转速)为每秒转过180°，即每秒转半圈，则偏振片每转过180°/f_p相机拍摄到一幅图像，其中，f_p为相机的帧频。如设置电机转速为180°/秒，即偏振片的转速为180°/秒，偏振片匀速转动的同时，相机连续拍摄，获取不同偏振角度下的偏振图像。偏振片每转半圈，偏振角度从0°到180°匀速变化，则偏振片每转过180°/15＝12°相机拍摄到一幅图像，其中，15为相机的帧频。提高相机的帧频或者减慢步进电机的转速可以控制偏振片每转过1°相机采到更多幅的 偏振图像。相机拍摄一幅图像偏振转过的角度θ可以用如下公式表示：

$\mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\θ}}_v}{f_p}$

其中，θ_v为偏振片每秒转过的角度，f_p为所用相机的帧频，θ为相机每拍摄一幅图像偏振转过的角度。θ越小，表示偏振片每转过半圈相机拍摄到更多的偏振图像，最终的消光图像更精准。

步骤3，取相机拍摄得到的第一帧图像作为参考图像，将相机之后每次拍摄获取到的图像不断与参考图像作消光态判别，得到最终的消光图像，即偏振片旋转180°得到的一幅消光图像。其中消光态判别方法实施过程如下：

将相机获取的新一帧图像的每个像素点位置的灰度值与参考图像对应像素点位置的像素灰度值做比较，取较小的作为参考图像中该像素点位置的新灰度值，当参考图像各个像素点位置的灰度值不再发生变化时，此时的参考图像即为最终的消光后的图像，消光态判别公式如下：

$W_{{\mathrm{\θ}}_1}(i,j)=I_{{\mathrm{\θ}}_1}(i,j)$

$W_{{\mathrm{\θ}}_2}(i,j)=\min (I_{{\mathrm{\θ}}_2}(i,j),W_{{\mathrm{\θ}}_1}(i,j))$

$W_{{\mathrm{\θ}}_3}(i,j)=\min (I_{{\mathrm{\θ}}_3}(i,j),W_{{\mathrm{\θ}}_2}(i,j))$

·

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$W_{{\mathrm{\θ}}_{n-1}}(i,j)=\min (I_{{\mathrm{\θ}}_{n-1}}(i,j),W_{{\mathrm{\θ}}_{n-2}}(i,j))$

$W_{{\mathrm{\θ}}_n}(i,j)=\min (I_{{\mathrm{\θ}}_n}(i,j),W_{{\mathrm{\θ}}_{n-1}}(i,j))$

其中，表示相机采到的第一帧图像，对应的偏振片角度为θ₁，(i，j)表示第i行第j列的像素点，表示相机采到的第一帧图像中第i行第j列像素点的灰度值，为由相机采到的第一帧图像得到的参考图像中第i行第j列像素点的灰度值；为相机采到的第二帧图像中第i行第j列像素点的灰度值与相比较后，取两者中较小的作为参考图像中该像素点位置的新灰度值为相机采到的第三帧图像中第i行第j列像素点的灰度值与相比较后，取两者中较小的作为参考图像中该像素点位置的新灰度值为相机采到的第n-1帧图像中第i行第j列像素点的灰度值与相比较后，取两者中较小的作为参考图像中该像素点位置的新 灰度值表示随着偏振片的匀速转动，相机采到的第n帧图像中的第i行第j列像素点的灰度值，为与相比较后，取两者中较小的作为参考图像中该像素点位置的新灰度值若即参考图像不再发生变化，则为最终得到的消光图像。

利用本发明做的其他几组场景实验的消光效果对比图分别如图3(a)、图3(b)、图4(a)、图4(b)、图5(a)、图5(b)、图6(a)、图6(b)所示，从图中可以看出消光后的图像与消光前对比明显，消光效果显著，目标清晰，有效消除了强光干扰。