CN107966412B - 基于正交偏振图像拉伸和偏振度关联的图像去雾方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于正交偏振图像拉伸和偏振度关联的图像去雾方法，步骤(1)、获取正交偏振状态下的两次光强图I^||和I^⊥；步骤(2)、对光强I^⊥对应的光强图进行直方图拉伸，得到拉伸修正后的光强图；步骤(3)、根据偏振度关联得到修正后的I^||光强图；步骤(4)、对修正后的两次正交偏振状态下光强信息进行归一化处理后，分别做和、差处理，得到总光强I和偏振差ΔI；步骤(5)、通过差分偏振复原模型计算得到复原图像。与现有技术相比，本发明修正后的正交偏振光强计算得到的复原图像质量提升明显；弥补传统方法在强散射环境下效果差的不足，适用范围广泛；只需对正交偏振态的光强进行图像预处理，结合传统物理模型即可实现图像的复原，操作简单、效果明显。

Description

基于正交偏振图像拉伸和偏振度关联的图像去雾方法

技术领域

本发明涉及图像去雾复原方法，尤其涉及一种基于正交偏振图像灰度直方图拉伸和偏振度关联的偏振图像去雾方法。

背景技术

偏振信息作为光波的基本物理信息之一，它可以提供其它光波信息所不能提供的被测物信息。偏振城像技术便是基于此思想发展起来的新型光学探测技术，尤其是在强散射环境下，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以色列的Schechner小组的研究，假设进入探测器的光由两部分构成，一部分是物体实际反射的光，另一部分是经由散射介质粒子散射进入探测器的光；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，从而构建了散射介质下偏振成像简化模型。但是实际情况中，散射介质(浑浊液体，雾霾等)对物体具有一定的光强度调制作用，从而导致获取的物体反射光的光强分布偏离真实值。

传统的偏振成像简化模型对低浓度的散射介质具有较为明显的复原效果，但是对于较强散射介质效果一般。

发明内容

基于上述现有技术，本发明提出一种基于正交偏振图像拉伸和偏振度关联的图像去雾方法，基于散射介质对物体散射光的影响，通过对正交偏振态的两幅图进行直方图拉伸预处理，抑制散射介质对物体反射光的调制，从而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方法。

本发明的一种基于正交偏振图像拉伸和偏振度关联的图像去雾方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、通过起偏器PSG产生线偏振入射光，通过旋转CCD相机前的偏振分析器PSA正交两种状态即方向与PSG偏振态方向平行或垂直获取正交偏振状态下的两次光强图I_||和I_⊥；

步骤2、对光强I_⊥对应的光强图进行直方图拉伸，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，得到直方图拉伸修正后的光强图为：

其中，I_⊥表示与线偏振入射光偏振态垂直时的光强图，m表示探测相机的位数，max(·)和min(·)分别表示求图像中像素的最大值和最小值；

步骤3、根据偏振度关联得到修正后的I^||光强图为：

其中，P表示场景的偏振度；

步骤4、对修正后的两次正交偏振状态下光强信息进行归一化处理后，分别做和、差处理，得到总光强I(x,y)和偏振差分ΔI(x,y)；

I(x,y)＝I_||-cor(x,y)+I_⊥-cor(x,y)

ΔI(x,y)＝I_||-cor(x,y)-I_⊥-cor(x,y)

步骤5、通过差分偏振复原模型计算得到复原图像

根据偏振差分ΔI(x,y)，透射率t(x,y)表达式为：

其中，P_scatt表示背景区域的偏振度，A_∞表示背景区域的光强；

根据透射率t(x,y)表达式及总光强I(x,y)，得到实际物体反射光L(x,y)表达式为：

与现有技术相比，本发明具有以下效果：

1、本发明方法将直方图拉伸和正交图像偏振关联相结合，应用到偏振图像去雾复原领域，修正后的正交偏振光强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；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，从而大大提高了复原图像的清晰度；

2、本发明方法针对于各类散射介质环境下的图像去雾复原问题，特别是强散射介质，可弥补传统方法在强散射环境下效果差的不足，适用范围更加广泛；

3、本发明方法只需对正交偏振态的光强进行图像预处理，结合传统的物理模型即可实现图像的复原，操作简单、效果明显。

附图说明

图1为散射介质环境(以浑浊水下为例)成像***装置示意图；

图2为算法流程；

图3为散射介质中原始光强图；

图4为两次正交偏振状态下光强图：(a)水平偏振态光强图(b)垂直偏振态光强图；

图5为拉伸关联后正交偏振光强图：(a)水平偏振态光强图(b)垂直偏振态光强图；

图6为该方法复原后的去雾后图像：(a)与Schechner方法的去雾后图像(b)的对比；

图7为该方法针对高浓度散射介质场景下(a)的去雾复原图像(b)；

附图标记：

1、光源，2、起偏器，3、散射介质(浑浊水)，4、被探测目标物体，5、偏振分析器(PSA)，6、光强探测器件；

201、202、正交偏振状态I_||和I_⊥下的光强图，203、204、总光强I(x,y)和偏振度P，205、206、207、直方图拉伸得到的修正后的光强图I_⊥-cor、复原I_||-cor、通过偏振度关联得到的修正后的光强图I_cor，208、投射率t，209、复原图像L，210、211、212、全局参量A_∞、

具体实施方式

本发明的理论依据：

在探测散射环境下的目标时，探测器接受到的光可分为两部分：

一部分光为物体反射光，在散射介质中传输时这部分光由于介质中粒子的吸收和散射作用发生衰减：

D(x,y)＝L(x,y)t(x,y) (1)

其中，(x,y)表示图中像素的坐标；L(x,y)表示未经过散射介质中粒子衰减的物体反射光；t(x,y)表示介质的透射率，其表达式为：

t(x,y)＝e^{-β(x,y)ρ(x,y)} (2)

公式(2)中的参数β(x,y)为衰减系数，是由散射介质中粒子的吸收和散射效应引起的。在实验中我们假设衰减系数为不随空间变化的常数，即β(x,y)＝β₀。

B(x,y)＝A_∞[1-t(x,y)], (3)

其中，A_∞对应于在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总光强为：

I(x,y)＝D(x,y)+B(x,y), (4)

根据以上的公式，可以得到实际物体反射光L(x,y)和透射率t(x,y)为：

利用正交偏振图像的差异性来实现对物体的探测和识别，即通过调整***中的偏振控制单元，获取目标物体两种正交偏振状态I_||和I_⊥下的光强图。总光强可表示为：

(7)

I(x,y)＝I_||(x,y)+I_⊥(x,y)

＝[D_||(x,y)+B_||(x,y)]+[D_⊥(x,y)+B_⊥(x,y)]

后向散射光的偏振度可表示为：

ΔB(x,y)＝ΔI(x,y)-ΔD(x,y)

其中，ΔI(x,y)和ΔD(x,y)分别表示探测器获得的总光强及物体反射光强的偏振差分值；对于低DOP物体，其反射光的偏振度是可以忽略的，即ΔD(x,y)≈0，所以由公式(6)、公式(7)和公式(8)，可以进一步得到透射率t(x,y)的表达式为：

将公式(9)透射率t(x,y)的表达式代入公式(5)，可以得到最终复原去雾后的图像L(x,y)。

根据公式(6)可知，当ρ(x,y)→∞时t(x,y)→0。在这种情况下得到：

B(x,y)＝A_∞[1-t(x,y)]→A_∞ (10)

为了得到公式(5)中复原去雾后的图像L(x,y)，需要估计出全局参量A_∞和P_scat，其中A_∞可以通过公式(10)得到，P_scat由下式可得：

但实际上，散射环境下获得的正交偏振状态I_||和I_⊥光强难以准确的体现原始目标物体的光强信息和偏振信息。因为散射介质对成像的影响体现在降低图像对比度，压缩原始图像的像素空间，因此，可以通过图像预处理的算法降低上述影响，获取更加准确的正交偏振状态光强图。基于正交偏振图像直方图拉伸预处理的偏振图像去雾复原算法包括两个重要部分：

直方图拉伸；

正交光强图偏振关联。

由于I_⊥偏振态下的光强图受散射介质的影响最小，具有更准确的原始目标物体表征该方法首先针对I_⊥进行灰度值拉伸，拉伸修正后的光强为：

拉伸后的灰度空间涵盖整个m位灰度空间；I_||状态下的光强图和I_⊥状态的光强图是通过偏振关联的，因为：

则可得两种正交偏振状态下的光强图关联为：

通过偏振度关联，即可得到修正后的I_||状态下的光强图为：

基于修正后的正交偏振光强图，根据传统的偏振复原方法即可得到清晰的去雾复原图。

实施例

如图1所示，为散射介质环境(以浑浊水下为例)成像***装置示意图。该装置是本发明方法涉及的一个基于LED光源光束入射条件下的浑浊水下成像装置图举例。光源1前放置一个起偏器2，用于产生线偏振光，光强探测器件3前放置一个偏振分析器(PSA)5，旋转此偏振分析器(PSA)5可以得到同一幅图像相互正交的两种偏振状态I^||和I^⊥。用透明水箱作为装水的水槽，在水槽中放入牛奶和清水使其浑浊得到散射介质(浑浊水)3作为产生强散射环境，并将被探测目标物体4放入散射介质(浑浊水)3中，光源1发出的光经过起偏器2后入射到散射介质(浑浊水)3中的被探测目标物体4上，经反射通过偏振分析器(PSA)5后进入光强探测器件(黑白CCD相机)6。

实际实验中，用塑料板作为目标物体放入水箱中，通过旋转CCD相机前的PSA正交两种状态得到两种偏振状态I_||和I_⊥的光强图，如图4所示。然后通过对正交偏振态的两幅图进行直方图拉伸和偏振度关联得到，修正后的正交光强图如图5所示。根据理论算法得到去雾复原图和传统偏振方法的去雾复原对比结果如图6所示，比较发现该方法得到的图像更加清晰，效果更加明显。

另外，在高浓度的情况下，该方法也有十分出色的效果，如图7所示，原始光强图(a)几乎看不到任何信息，根据该算法得到去雾复原图(b)可以清晰的辨识图像内容。

本发明的优化方法通过实验进行了验证，其具体算法流程如图2所示。

Claims (1)

1.一种基于正交偏振图像拉伸和偏振度关联的图像去雾方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤(1)、通过起偏器PSG产生线偏振入射光，通过旋转CCD相机前的偏振分析器PSA正交两种状态即方向与PSG偏振态方向平行或垂直获取正交偏振状态下的两次光强图I_||和I_⊥；

步骤(2)、对光强I_⊥对应的光强图进行直方图拉伸，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，得到直方图拉伸修正后的光强图为：

其中，I_⊥表示与线偏振入射光偏振态垂直时的光强图，m表示探测相机的位数，max(·)和min(·)分别表示求图像中像素的最大值和最小值；

步骤(3)、根据偏振度关联得到修正后的光强图为：

其中，P表示场景的偏振度；

步骤(4)、对修正后的两次正交偏振状态下光强信息进行归一化处理后，分别做和、差处理，得到总光强I(x,y)和偏振差分、ΔI(x,y)；

I(x,y)＝I_||-cor(x,y)+I_⊥-cor(x,y)

ΔI(x,y)＝I_||-cor(x,y)-I_⊥-cor(x,y)

步骤(5)、通过差分偏振复原模型计算得到复原图像：

根据偏振差分ΔI(x,y)，透射率t(x,y)表达式为：

其中，P_scatt表示背景区域的偏振度，A_∞表示背景区域的光强；

根据透射率t(x,y)表达式及总光强I(x,y)，得到实际物体反射光L(x,y)表达式为：

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