一种复原非均匀偏振特性目标的水下偏振成像方法技术

本发明专利技术公开了一种复原非均匀偏振特性目标的水下偏振成像方法，包括：步骤一、获取多张偏振方向不同的水下图像，建立正交分解模型对目标反射光和后向散射光进行正交偏振分解；步骤二、建立偏振图像强度模型，并将其融合进水下成像物理模型，建立复原图像反演模型；步骤三、根据水下图像对比度和复原图像反演模型进行反演，得到最终成像结果。本发明专利技术能够直接计算后向散射光中的完全偏振部分，避免了传统水下偏振成像方法中关于目标反射光不合理的假设，实现非均匀偏振特性目标的水下图像自动复原；且采用低通滤波对后向散射光偏振度进行全局估计，无需人机交互，不受图像背景区域限制，拓展了水下偏振成像技术的应用范围。拓展了水下偏振成像技术的应用范围。拓展了水下偏振成像技术的应用范围。

【技术实现步骤摘要】
一种复原非均匀偏振特性目标的水下偏振成像方法


[0001]本专利技术涉及一种水下偏振成像方法，尤其涉及一种复原非均匀偏振特性目标的水下偏振成像方法。

技术介绍

[0002]水下光学成像技术已广泛应用于海洋资源勘探、水下考古和海洋救援等诸多领域。然而，由于水体中混浊介质对光的散射和吸收效应，使得增强水下视觉是一项极具挑战性的工作。一方面，吸收效应导致了目标反射光的能量损失；另一方面，散射效应改变了光的传播方向，并将后向散射光引入光路，使水下退化图像通常具有细节缺失、可见性差和对比度低的特点，严重影响了人眼的感知。水下图像质量下降的主要原因在于后向散射光的干扰，基于后向散射光部分偏振这一特性，水下偏振成像技术被证明是一种能够有效复原水下退化图像的方法。
[0003]但是，现有的水下偏振成像方法多认为目标反射光偏振度为一个常数，只能应对单一偏振特性目标，而无法实现非均匀偏振特性目标的水下图像复原。同时，现有的水下偏振成像方法多数受限于背景区域和人机交互过程，无法实现无背景区域水下图像的全自动处理。以上问题极大限制了水下偏振成像技术的现场化应用和应用范围。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术目的是提出一种复原非均匀偏振特性目标的水下偏振成像方法，能够在无背景区域情况下全自动实现非均匀偏振特性目标的水下图像复原。
[0005]技术方案：本专利技术包括以下步骤：
[0006]步骤一、获取多张偏振方向不同的水下图像，建立正交分解模型对目标反射光和后向散射光进行正交偏振分解；<br/>[0007]步骤二、建立偏振图像强度模型，并将其融合进水下成像物理模型，建立复原图像反演模型；
[0008]步骤三、根据水下图像对比度和复原图像反演模型进行反演，得到最终成像结果。
[0009]所述步骤一具体包括：
[0010]1.1、引入水下成像物理模型：
[0011]I＝D+B＝L
·
t+A
∞
(1
‑
t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0012]其中，I为水下图像总光强；D为目标反射光；B为后向散射光；L为所求复原图像；t为介质透过率；A
∞
为无穷远处后向散射光强；
[0013]1.2、将目标反射光D与后向散射光B在相互正交的方向上进行偏振分解，即：
[0014]D＝D
∥
+D
⊥
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0015]B＝B
∥
+B
⊥
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0016]其中，D
∥
为目标反射光正交偏振分解水平分量；D
⊥
为目标反射光正交偏振分解垂直分量；B
∥
为后向散射光正交偏振分解水平分量；B
⊥
为后向散射光正交偏振分解垂直分量。
[0017]所述步骤二具体包括以下步骤：
[0018]2.1、根据马吕斯定律与目标反射光和后向散射光水平偏振分量方向角建立偏振图像强度模型，偏振图像I(0)、I(45)、I(90)和I(135)对应的强度模型分别为：
[0019][0020]其中，D
∥
与0
°
方向夹角记为α；D
⊥
与0
°
方向夹角记为α+90；B
∥
与0
°
方向夹角记为γ；B
⊥
与0
°
方向夹角记为γ+90；
[0021]2.2、求取复原图像反演模型，包括以下步骤：
[0022]2.2.1、根据偏振图像强度模型求取斯托克斯矢量，即：
[0023][0024]其中，I为总光强；Q为0
°
和90
°
方向的光强差；U为45
°
和135
°
方向的光强差；ΔD为D
∥
和D
⊥
差值，即目标反射光中完全偏振部分；ΔB为B
∥
和B
⊥
差值，即后向散射光中完全偏振部分；
[0025]2.2.2、根据公式(5)求得的斯托克斯矢量计算后向散射光中完全偏振部分ΔB，即：
[0026][0027]2.2.3、根据偏振度定义，后向散射光B可由下式表示：
[0028][0029]其中，P
scat
为后向散射光偏振度；
[0030]2.2.4、结合公式(1)、(6)和(7)，建立复原图像反演模型：
[0031][0032]其中，L为所求复原图像；A
∞
为无穷远处后向散射光强，可设为总光强图像中灰度值最大的前0.1％像素的平均值；P
scat
为后向散射光偏振度。
[0033]所述后向散射光偏振度P
scat
的全局估计方法包括以下步骤：
[0034]2.2.4.1、对获取的四幅偏振图像I(0)、I(45)、I(90)和I(135)进行低通滤波处理，即：
[0035][0036]其中，B(0)、B(45)、B(90)和B(135)为I(0)、I(45)、I(90)和I(135)中估计的后向散射光；LPF{
·
}为低通滤波处理；
[0037]2.2.4.2、求取上述偏振图像估计的后向散射光的斯托克斯矢量，即：
[0038][0039]其中，I
B
为估计的后向散射光强；Q
B
为0
°
和90
°
方向的光强差；U
B
为45
°
和135
°
方向的光强差；
[0040]2.2.4.3、对后向散射光偏振度进行全局估计，即：
[0041][0042]其中，为全局估计的后向散射光偏振度。
[0043]所述低通滤波估计的后向散射光根据互信息的功能，采用如下表达式提高后向散射光估计的准确性，即：
[0044][0045]其中，B
optimal
为经过互信息优化估计的后向散射光；MI(D,B)为互信息，用于表征目标反射光图像与后向散射光图像之间相关性。
[0046]所述最终成像结果以目标反射光水平偏振分量方向角与后向散射光水平偏振分量方向角为自变量进行反演。
[0047]所述目标反射光水平偏振分量方向角与后向散射光水平偏振分量方向角分别为步骤二中的α与γ，其求取方法为：以水下图像对比度为目标函数，获取满足水下图像对比度最大的最优解，即：
[0048](α,γ)
optimal
＝argmax{UIConM(L)}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复原非均匀偏振特性目标的水下偏振成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、获取多张偏振方向不同的水下图像，建立正交分解模型对目标反射光和后向散射光进行正交偏振分解；步骤二、建立偏振图像强度模型，并将其融合进水下成像物理模型，建立复原图像反演模型；步骤三、根据水下图像对比度和复原图像反演模型进行反演，得到最终成像结果。2.根据权利要求1所述的一种复原非均匀偏振特性目标的水下偏振成像方法，其特征在于，所述步骤一具体包括：1.1、引入水下成像物理模型：I＝D+B＝L
·
t+A
∞
(1
‑
t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，I为水下图像总光强；D为目标反射光；B为后向散射光；L为所求复原图像；t为介质透过率；A
∞
为无穷远处后向散射光强；1.2、将目标反射光D与后向散射光B在相互正交的方向上进行偏振分解，即：D＝D
∥
+D
⊥
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)B＝B
∥
+B
⊥
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)其中，D
∥
为目标反射光正交偏振分解水平分量；D
⊥
为目标反射光正交偏振分解垂直分量；B
∥
为后向散射光正交偏振分解水平分量；B
⊥
为后向散射光正交偏振分解垂直分量。3.根据权利要求1所述的一种复原非均匀偏振特性目标的水下偏振成像方法，其特征在于，所述步骤二具体包括以下步骤：2.1、根据马吕斯定律与目标反射光和后向散射光水平偏振分量方向角建立偏振图像强度模型，偏振图像I(0)、I(45)、I(90)和I(135)对应的强度模型分别为：其中，D
∥
与0
°
方向夹角记为α；D
⊥
与0
°
方向夹角记为α+90；B
∥
与0
°
方向夹角记为γ；B
⊥
与0
°
方向夹角记为γ+90；2.2、求取复原图像反演模型，包括以下步骤：2.2.1、根据偏振图像强度模型求取斯托克斯矢量，即：其中，I为总光强；Q为0
°
和90
°
方向的光强差；U为45
°
和135
°
方向的光强差；ΔD为D
∥
和D
⊥
差值，即目...

【专利技术属性】
技术研发人员：高晨栋，赵明琳，卢德贺，窦健泰，胡友友，王朝阳，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：