一种偏振图像信息的表征方法和表征参数的计算方法与流程

本发明属于成像技术领域，更具体地，涉及一种偏振图像信息的表征方法和表征参数的计算方法。

背景技术：

对散射介质中的目标进行清晰成像是图像处理技术的重要研究方向，在水下探测、复杂环境军事侦察、雾天智能驾驶等领域具有较好的应用前景。在散射介质中成像，由于受到散射颗粒对光束的吸收和散射作用，导致大量的散射噪声，并且信号光大幅度衰减，成像质量严重降低，难以取得预期的效果。

目前解决散射介质成像的方法主要有关联成像技术、盲解卷积算法技术、散斑成像技术、结构光成像技术、计算光场技术以及偏振成像技术等等。其中，偏振成像技术是一种有效的解决散射成像问题的一种方案，它具有操作方便，结构简单，可实现大视场实时成像等优点。

但是对于偏振成像技术的研究中，仍然存在一些缺陷。在使用偏振成像处理技术时，往往需要获取偏振成像目标的最大偏振强度和最小偏振强度图像，传统的获取方法是旋转偏振片，通过肉眼观察来找到最大和最小偏振强度图像，但这一方法很容易导致人为误差。并且在实验过程中产生的误差，没办法分辨并且解决，这极大地限制了偏振图像处理的精度。

技术实现要素：

针对现有偏振成像时，需要寻找最大偏振强度图像和最小偏振强度图像的问题，本发明提供了一种偏振图像信息的表征方法和表征参数的计算方法，其目的在于通过获取到的偏振子图像计算出最大强度和最小强度偏振子图像，提高了偏振成像的准确度。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种偏振图像信息的表征方法，偏振片位于探测器和偏振成像目标之间，靠近探测器放置以覆盖探测器的全孔径，偏振余弦表征方程如下：

i(t，x，y)＝ilp(x，y)cos²(t-θ(x，y))+inlp(x，y)

其中，i(t，x，y)为偏振片的偏振角度为t时，观测器观测到的像素点(x，y)的偏振强度值，ilp(x，y)为该像素点的线偏振强度，inlp(x，y)为该像素点的非线偏振强度，θ(x，y)为该像素点的偏振角度，t表示使用偏振片观察偏振成像目标时，偏振片的偏振角度。

为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种第一方面所述的偏振图像信息的表征参数计算方法，该方法包括以下步骤：

s1.获取偏振成像目标的n幅偏振子图像，各幅偏振子图像对应不同偏振角度，n≥3；

s2.根据偏振成像目标的所有偏振子图像和偏振余弦表征方程，计算偏振成像目标所有像素点的偏振余弦表征方程的参数矩阵[ilp(x，y)inlp(x，y)θ(x，y)]。

优选地，使用线性最小二乘法矩阵计算方式，计算偏振成像目标所有像素点的偏振余弦表征方程的参数矩阵。

优选地，步骤s2包括以下子步骤：

s21.将偏振余弦表征方程转化为线性形式

并将在不同偏振角度下得到的偏振图像数据带入该线性形式，得到矩阵方程：

其中，t＝[t1t2…tn]表示不同偏振角度，样本数据中的自变量矩阵待求系数矩阵样本数据中的因变量矩阵i(ti，x，y)表示第i个偏振子图像中坐标为(x，y)的像素点的强度值，i＝1，2，…，n；

s22.将矩阵x和矩阵代入计算得到任一像素点的系数矩阵

s23.根据系数矩阵求解得到任一像素点偏振余弦表征参数矩阵[ilp(x，y)inlp(x，y)θ(x，y)]，即得到偏振成像目标的线偏振强度图ilp、非线偏振强度图inlp和偏振角度分布图θ。

优选地，该方法还包括：基于ilp和inlp计算偏振成像目标的最大偏振强度图imax＝ilp+inlp。

优选地，该方法还包括：基于ilp和inlp计算偏振成像目标的最小偏振强度图为：imin＝inlp。

优选地，该方法还包括：将偏振角度t、计算得到的参数矩阵[ilp(x，y)inlp(x，y)θ(x，y)]代入偏振余弦表征方程，通过改变偏振片的偏振角度t，得到任一像素在各个偏振角度下的偏振强度，进而得到偏振成像目标在该偏振方向上的偏振图像。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)针对传统偏振成像时，需要寻找最大偏振强度图像和最小偏振强度图像的问题，本发明通过多幅偏振强度图计算获得的最大偏振强度图和最小偏振强度图，提高了偏振成像的准确度，准确度要远高于肉眼寻找到的。

(2)针对偏振成像过程中产生的实验误差问题，本发明通过最小二乘法拟合计算偏振余弦表征参数，也能够有效降低该实验误差对实验结果的影响。

(3)相对于现有技术采用几个不同偏振角度的偏振信息直接计算，本发明提出的偏振余弦表征方程，确定了每一个像素点的偏振信息标准模型，使描述的偏振信息更加准确和直观。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种偏振图像信息的表征参数快速计算方法流程图；

图2为本发明实施例提供的偏振成像目标在0°、30°、60°、90°偏振方向上的四幅偏振强度图像；

图3(a)为本发明实施例提供的偏振成像目标的原始强度图像；

图3(b)为本发明实施例提供的偏振成像目标的线偏振强度图ilp

图3(c)为本发明实施例提供的偏振成像目标的非线偏振强度图inlp；

图3(d)为本发明实施例提供的偏振成像目标的偏振角度分布图θ。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种偏振图像信息的表征方法，偏振片位于探测器和偏振成像目标之间，靠近探测器放置以覆盖探测器的全孔径，偏振余弦表征方程如下：

i(t，x，y)＝ilp(x，y)cos²(t-θ(x，y))+inlp(x，y)

其中，i(t，x，y)为偏振片的偏振角度为t时，观测器观测到的像素点(x，y)的偏振强度值，ilp(x，y)为该像素点的线偏振强度，inlp(x，y)为该像素点的非线偏振强度，θ(x，y)为该像素点的偏振角度，t表示使用偏振片观察偏振成像目标时，偏振片的偏振角度。[t-θ(x，y)]表示该像素点最大偏振强度的偏振角度θ(x，y)与偏振片的偏振角度t的夹角，cos²(t-θ(x，y))是指该像素点最大偏振强度在偏振片的偏振方向上的投影。

如图1所示，本发明还提供了一种上述偏振图像信息的表征参数计算方法，该方法包括以下步骤：

步骤s1.获取偏振成像目标的n幅偏振子图像，各幅偏振子图像对应不同偏振角度，n≥3。

偏振成像目标的偏振子图像在不同偏振角度下测得，并且不少于三幅。在获取偏振成像目标的偏振子图像时，可以通过多种方法获取，如使用偏振相机等。本实施例中，偏振成像目标为纹理图案。偏振片位于探测器和偏振成像目标之间，并靠近探测器放置以覆盖探测器的全孔径，通过旋转偏振片调整偏振角度。本实施例设水平方向的偏振角为0°，如图2所示，分别获取偏振成像目标在0°、30°、60°、90°偏振方向上的四幅偏振强度图像i(0°)、i(30°)、i(60°)、i(90°)。获取图像数量越多，处理结果越准确。考虑到成像时操作复杂，获取到的图像为4～6幅即可。

步骤s2.根据偏振成像目标的所有偏振子图像和偏振余弦表征方程，计算偏振成像目标所有像素点的偏振余弦表征方程的参数矩阵[ilp(x，y)inlp(x，y)θ(x，y)]。

优选地，使用线性最小二乘法矩阵计算方式，计算偏振成像目标所有像素点的偏振余弦表征方程的参数矩阵。

优选地，步骤s2包括以下子步骤：

s21.将偏振余弦表征方程转化为线性形式

并将在不同偏振角度下得到的偏振图像数据带入该线性形式，得到矩阵方程：

其中，t＝[t1t2…tn]表示不同偏振角度，样本数据中的自变量矩阵待求系数矩阵样本数据中的因变量矩阵i(ti，x，y)表示第i个偏振子图像中坐标为(x，y)的像素点的强度值，i＝1，2，…，n；

在本实施例中偏振子图像偏振角度为t＝[0°30°60°90°]，则计算得到的自变量矩阵为：

样本数据中的因变量矩阵为：

s22.将矩阵x和矩阵代入计算得到任一像素点的系数矩阵

其中，x代表样本数据中的自变量矩阵，代表样本数据中的因变量矩阵，为我们所要求的系数矩阵，这里要求x为奇异矩阵。使用线性最小二乘法矩阵形式计算偏振余弦表征表达式参数可以在一定程度上降低实验数据误差对处理结果的影响。

将自变量矩阵x和因变量矩阵代入方程得到结果：

s23.根据系数矩阵求解得到任一像素点偏振余弦表征参数矩阵[ilp(x，y)inlp(x，y)θ(x，y)]，即得到偏振成像目标的线偏振强度图ilp、非线偏振强度图inlp和偏振角度分布图θ。

待步骤s22中求解出矩阵之后，建立关于待求参数ilp(x，y)，inlp(x，y)，θ(x，y)的三元二次方程组，联立求解，得到偏振余弦表征参数矩阵[ilp(x，y)inlp(x，y)θ(x，y)]。本实施例得到的偏振成像目标的线偏振强度图ilp、非线偏振强度图inlp和偏振角度分布图θ分别如图3(b)、3(c)、3(d)所示，图3(a)为原始强度图像作为对比。

优选地，该方法还包括：基于ilp和inlp计算偏振成像目标的最大偏振强度图imax＝ilp+inlp。

优选地，该方法还包括：基于ilp和inlp计算偏振成像目标的最小偏振强度图为：imin＝inlp。

优选地，该方法还包括：将偏振角度t、计算得到的参数矩阵[ilp(x，y)inlp(x，y)θ(x，y)]代入偏振余弦表征方程，通过改变偏振片的偏振角度t，得到任一像素在各个偏振角度下的偏振强度，进而得到偏振成像目标在该偏振角度下的偏振图像。

本实施例通过使用几幅偏振强度图计算获得的最大偏振强度图和最小偏振强度图，准确度要远高于肉眼寻找到的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。