一种散射环境中圆偏振及线偏振联合图像复原方法与流程

本发明涉及偏振成像探测技术领域，特别是涉及一种在散射环境中的偏振图像复原方法。

背景技术

偏振信息作为光波的基本物理信息之一，可以提供其它光波信息所不能提供的被测物信息。偏振成像技术便是基于此思想发展起来的新型光学探测技术，尤其是在散射环境下，基于偏振成像技术的目标探测和识别具有其它成像方式无法比拟的独特优势和特殊应用。该领域具有奠基性的是美国的yoavy.schechner小组的研究，他们假设进入相机的光分为两部分，一部分是物体实际反射的光，另一部分是由水下或者空气中的粒子散射进入相机的光；该小组认为来自物体的反射光偏振度为0，粒子散射光具有一定的偏振度且为全局常数，从而构建了散射环境下偏振成像简化模型。

在实际情况中大多数的成像系统需要采用主动照明方式，例如深水区等强散射介质环境中。传统偏振成像复原方法中采用线偏振光作为主动照明光。由于线偏振光在散射介质中的保偏能力比较弱，在较强的散射介质中比较容易丧失其偏振特性和丢失偏振信息，所以不容易通过偏振复原的方法得到较为清晰的复原图像。圆偏振光在散射介质中具有更好的保偏能力，即在散射介质中，圆偏振光不容易丧失其偏振特性和丢失偏振信息。根据对圆偏振光的研究，可将圆偏振光作为主动照明光，结合传统的散射介质中偏振光学模型实现散射介质环境中的图像复原，特别是在较高浓度的散射介质环境下，进一步提高散射介质环境下的物体的偏振图像去雾复原质量。但是在先前的研究中，研究者并未分析反射光的组成，而是将反射光作为一个整体计算其散射光的总偏振度进而估计散射光强后再进行图像复原。通过实验研究发现，当圆偏振光作为主动照明光入射到物体上时，反射光将分为两部分偏振光：线偏振光和圆偏振光。通过对反射光偏振组成部分的分析以及实现图像复原，达到图像去雾和探测效果的提升，是本发明亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服传统偏振图像去雾复原技术中存在的不足，提供一种散射环境中圆偏振及线偏振联合图像复原方法，针对主动照明的偏振成像系统，将圆偏振光作为主动照明光，对探测到的偏振图像中的线偏振光部分和圆偏振光部分分开，进行差分偏振复原模型的复原处理。

本发明的一种散射环境中圆偏振及线偏振联合图像复原方法，适用于将圆偏振光作为主动照明光的强散射环境下的散射介质内含雾图像去雾复原，该方法具体实现步骤如下：

步骤1、分别获取偏振分析中偏振片为0°、45°、90°以及四分之一波片为0°、45°组合这四种状态下的光强图，计算所接受到光的stokes矢量，公式如下：

s0(x,y)＝s′0(x,y)+s″0(x,y)

上述公式中，所接收光的stokes矢量包括一部分物体反射光，其stokes矢量另一部分粒子散射进入探测器的背景光，其stokes矢量(x,y)表示待复原图像中像素的坐标；

其中，s0(x,y)为获取的总光强，s′0(x,y)为物体反射光的光强，s″0(x,y)为背景光的光强；s′0为物体反射光的总光强，s′1为水平和垂直两个方向线偏振光的光强差值，s′2为45°和135°两个方向线偏振光的光强差值，s′3为右旋圆偏振光与左旋圆偏振光的光强差值，s″0为背景光的总光强，s″1为水平和垂直两个方向背景光的光强差值，s″2为45°和135°两个方向背景光的光强差值，s″3为右旋圆背景光与左旋圆背景光的光强差值；

步骤2、对计算得到待复原图像的stokes矢量信息作归一化处理，分别计算出反射光中线偏部分的线偏振度以及圆偏部分的圆偏振度，计算公式如下：

线偏振度：

圆偏振偏度：

其中，s1和s2分别为线偏部分的stokes矢量，s3为圆偏部分的stokes矢量；

步骤3、将偏振部分分成线偏和圆偏两部分，依次分别进行差分偏振复原，叠加处理后得到复原图像，线偏部分偏振复原流程和圆偏部分偏振复原流程的具体步骤如下：

线偏部分偏振复原流程：

将线偏部分的背景光的光强s″0_l(x,y)以及背景光的全局参量a∞_l估计出来，公式为：

s″0(x,y)＝a∞_l[1-t(x,y)]→a∞_l(9)

其中，t(x,y)为实际物体反射光的透射率，s″0为背景光的总光强，s″1为水平和垂直两个方向背景光的光强差值，s″2为45°和135°两个方向背景光的光强差值，pl_scat(x,y)为背景光中的线偏部分偏振光的偏振度，公式如下：

其中，s1、s2分别为水平和垂直两个方向背景光的stokes矢量，ρ为物体与探测器之间的距离；

结合振差分复原模型，得到线偏振光部分的复原图像l1(x,y)，作为只包含圆偏振光的光强图，l1(x,y)表达式为：

圆偏部分偏振复原流程：

将背景光中圆偏部分偏振光的偏振度pc_scat和背景光的全局参量a∞_c估计出来的，公式如下：

其中，通过线偏振光的偏振信息将后向散射光中的部分线偏振光去除，并得到线偏振光部分的复原图像l1(x,y)，这时的复原图像中的后向散射光部分只剩下圆偏部分未去雾；

结合偏振差分复原模型得到圆偏振光的复原图像l(x,y)，作为最终的复原图像，l(x,y)表达式为：

其中，s3为圆偏部分的stokes矢量。

与现有技术相比，本发明的一种散射环境中圆偏振及线偏振联合图像复原方法具有以下优点：

抑制散射介质对物体反射光的调制，从而高质量的复原出散射介质中物体原始反射光强，实现含雾图像的去雾复原；尤其在较高浓度的散射介质环境下，进一步提高图像的复原质量，实现探测效果的提升，操作简单、适用范围广、复原效果更加明显。

附图标记

图1为基于散射介质中圆偏振光作为主动照明光的水下成像系统装置示意图；

图2为本发明提出的一种散射环境中圆偏振及线偏振联合图像复原方法实施例流程示意图；

图3为散射介质中的原始光强图；

图4为利用偏振分析器(psa)获取的四组光强图；

图5为本发明提出的一种散射环境中圆偏振及线偏振联合图像复原方法验证结果示意图：(a)原始光强图，(b)线偏复原后的图像，(c)圆偏复原后的图像；

图6为本发明提出的一种散射环境中圆偏振及线偏振联合图像复原方法针对高浓度散射介质场景下的验证结果示意图：(a)原始光强图，(b)线偏复原后的图像，(c)圆偏复原后的图像；

附图标记：1、激光光源(氦氖激光器)，2、扩束装置组，3、起偏器(psg)，4、透明水箱，5、被探测目标物体，6、偏振分析器(psa)，7、光强探测器件(ccd)。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述。

本发明针对利用圆偏振光主动照明的偏振成像系统，通过对散射光偏振态的分析，将散射光中的线偏振光和圆偏振光分开依次处理，可抑制散射介质对物体反射光的调制，从而恢复散射介质中物体原始反射光强，大大提高去雾图像的对比度和清晰度。

如图1所示，为基于散射介质中圆偏振光作为主动照明光的水下成像系统装置示意图。作为本发明的一种散射环境中圆偏振及线偏振联合图像复原方法的实施例。激光光源1前放置起偏器3产生圆偏振光，光强探测器件(选用黑白相机)前放置偏振分析器6，旋转此偏振分析器6，得到四组光强图，用来计算得到图像的stokes矢量透明水箱4中装水，水中放入牛奶使其浑浊作为产生散射环境，并将探测目标放入水中，红光光源发出的光经过扩束装置组2和起偏器3后入射到水中物体上，经反射通过偏振分析器6后进入相机。

如图2所示的一种散射环境中圆偏振及线偏振联合图像复原方法实施例流程示意图。步骤1，利用圆偏振光的保偏特性，搭建将圆偏振光作为主动照明光的偏振成像系统；步骤2、分别获取偏振分析中偏振片为0°、45°、90°以及四分之一波片为0°、45°组合这四种状态下的光强图，计算所接受到光的stokes矢量；步骤3、发现探测到的偏振图像中既包含圆偏振光部分也包括线偏振光部分；步骤4和步骤5对偏振图像中的线偏振光部分以及圆偏振光部分分开依此进行差分偏振复原模型的复原处理，从而降低散射介质对物体反射光的光强度调制效应，获取更准确的物体反射光信息。根据计算得到的复原图像与传统复原方法相比，图像质量提升明显。

本发明验证实验：由于圆偏振光在散射介质环境中相比于线偏振光的保偏性更好，所以在实验中采用圆偏振光作为主动照明光。用写有文字的塑料魔方作为目标物体放入水箱中。如图3所示，为散射介质中的原始光强图。如图4所示，利用psa系统获取的四组光强图，即通过旋转相机前的psa得到四组光强图。根据得到的四组光强图计算获得反射光的斯托克斯矢量，并利用图像中背景区域分别计算得到远场后向散射光强以及线偏部分偏振度和圆偏部分偏振度的分布。将反射光的偏振部分(线偏振光部分和圆偏振光部分)分开依次进行与传统的散射介质中偏振光学模型结合的复原处理，最终得到复原后的去雾图。其与原始光强图对比图如图5所示。可见利用本发明的一种散射环境中圆偏振及线偏振联合图像复原方法得到的图像更加清晰，效果更加明显。

如图2所示，

本发明的理论依据：

在探测散射介质中目标时，探测器接受到的光可分为两部分：

一部分为物体反射光，其stokes矢量其中s′0为物体反射光的总光强，s′1为水平和垂直两个方向线偏振光的光强差值，s′2为45°和135°两个方向线偏振光的光强差值，s′3为右旋圆偏振光与左旋圆偏振光的光强差值。在散射介质中传输时这部分光由于散射粒子的吸收和散射作用发生衰减后的stokes矢量s′0(x,y)表示为：

s′0(x,y)＝l(x,y)t(x,y)(1)

t(x,y)＝e^{-β(x,y)ρ(x,y)}(2)

其中，(x,y)表示图中像素的坐标，l(x,y)表示未经过散射粒子衰减的物体反射光的光强值，t(x,y)表示介质的透射率，参数β(x,y)为衰减系数。

另一部分为粒子散射进入探测器的光，称为背景光或后向散射光，其stokes矢量坐标(x,y)处像素的背景光的表达式为：

s″0(x,y)＝a∞[1-t(x,y)](3)

其中，a∞对应于在散射介质中延伸到无穷远处的后向散射值。

由此得到探测器接受到的光，其stokes矢量

其中，s0(x,y)为探测器获取的总光强信息，s′0(x,y)为物体反射光的光强信息，s″0(x,y)为背景光的光强信息。

根据以上的公式，得到实际物体反射光l(x,y)和透射率t(x,y)为：

根据研究可知，若将圆偏振光作为主动照明光入射到物体上，通过相机探测到的反射光偏振部分分为两部分组成：线偏振光部分和圆偏振光部分。分别计算出反射光中线偏部分的偏振度以及圆偏部分的偏振度，其计算公式如下：

线偏振度：

圆偏振度：

其中，s1和s2分别为线偏部分的stokes矢量，s3为圆偏部分的stokes矢量；

基于圆偏振光的偏振图像去雾复原算法包括三个重要部分：利用圆偏振光在散射介质环境中的高保偏能力，采用圆偏振光作为入射光，使得在散射介质环境中得到更为清晰的偏振图像；分析反射光中偏振光的组成部分：线偏振光和圆偏振光，并将偏振部分分开依次进行偏振差分复原处理，得到更为清晰的偏振复原图像；将圆偏振光与传统的散射介质中偏振光学模型相结合实现散射介质环境中的图像复原。

由此本发明通过分析反射光偏振部分的组成，并将偏振部分分成线偏和圆偏两部分(在stokes矢量中体现为：线偏部分为s1和s2；圆偏部分为s3)，分别依次进行差分偏振复原叠加处理后得到复原图像，其具体步骤如下：

1)线偏部分偏振复原方法

首先提取反射光中的线偏振光组成部分，只对后向散射光(背景光)中线偏振光部分进行差分偏振复原模型，计算去掉散射光中线偏振光部分的复原图像。

公式(5)和公式(6)为差分偏振复原模型，由此可知，若想得到复原图像我们必须将线偏部分的背景光s″0_l(x,y)以及背景光的全局参量a∞估计出来，其公式为：

s″0(x,y)＝a∞[1-t(x,y)]→a∞(9)

其中,pl_scat(x,y)为背景光中的线偏部分偏振光的偏振度，由背景区域散射光的stokes矢量计算得到：

结合偏振差分复原模型得到线偏振光的复原图像l1(x,y)，表达式为：

由1)可知，此时的复原图像l1(x,y)中的背景光偏振部分只剩下圆偏振光部分未进行差分偏振复原模型处理，即计算去掉背景光中剩下的圆偏振光部分的复原图像。

由于第一步忽略背景光中的圆偏振光而进行的线偏振光复原后得到复原图像l1(x,y)，l1(x,y)为其中背景光偏振部分为只存在圆偏振光部分的光强图。

2)圆偏部分偏振复原方法

由1)可知，此时的复原图像l1(x,y)中的背景光偏振部分只剩下圆偏振光部分未进行差分偏振复原模型处理，即计算去掉背景光中剩下的圆偏振光部分的复原图像。

由于第一步忽略背景光中的圆偏振光而进行的线偏振光复原后得到复原图像l1(x,y)，l1(x,y)为其中背景光偏振部分为只存在圆偏振光部分的光强图。由stokes矢量计算得到的圆偏部分为s3，其中此时圆偏部分的偏振度为：

对于圆偏部分的图像复原利用上述信息进行偏振差分复原处理：

利用公式(13)和(14)中估计出来的圆偏部分的偏振度pc_scat和a∞，进一步通过偏振差分复原模型进行背景光的去除。根据以上公式得到最终复原图像l(x,y)表达式为：

基于圆偏振光的偏振图像去雾复原算法包括三个重要部分：利用圆偏振光在散射介质环境中的高保偏能力，采用圆偏振光作为入射光，使得在散射介质环境中得到更为清晰的偏振图像；分析反射光中偏振光的组成部分：线偏振光和圆偏振光，并将偏振部分分开依次进行偏振差分复原处理，得到更为清晰的偏振复原图像；将圆偏振光与传统的散射介质中偏振光学模型相结合实现散射介质环境中的图像复原。