在散射环境中基于双目视觉的偏振图像复原装置及方法与流程

本发明涉及偏振成像探测技术领域，特别涉及在散射环境中双目视觉求深度和偏振成像的复原以及物体偏振度的求取方法。

背景技术：

偏振成像技术在国防军事、生物医学、工业生产等领域都有非常重要的地位。与传统光学成像相比，偏振成像技术是一种新型的光学探测技术。传统光学技术只能获得图像的光强和波长信息，而偏振成像技术还可以获得偏振信息，从而获得更多维的信息。另外，即使是散射环境条件下,利用偏振成像技术仍然能取得对比度比较高的探测图像，并且根据偏振信息的不同对光强相似的物体进行识别。传统的偏振图像复原方法只能将物体的偏振度当成0，从而估计出透过率t的值，再对图像进行复原。此方法仅适用于低偏振度的物体能得到较好的复原图像，但对于偏振度较高的物体，图像复原效果较差。另外，现有偏振图像复原技术仅能复原物体的光强图像，无法得到物体偏振度的信息，因而无法识别偏振度有差异的物体。

双目视觉技术可以获得物体的深度信息，将深度信息和偏振信息相结合，可以在提高复原图像清晰度的同时，获得物体的偏振信息。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种在在散射环境中基于双目视觉的偏振图像复原和图像识别方法，通过双目视觉技术获取深度信息并与传统偏振去雾模型结合，既能实现对图像的复原，还能获得物体的偏振度，用于对物体的成像和识别。

本发明的一种在散射环境中基于双目视觉的偏振图像复原装置，该装置包括光源1、第一水平偏振片2以及带有正交偏振片的双目成像系统、计算机处理单元；所述双目成像系统包括第一、第二双目相机6、7；其中，光源1发出的光经过水平偏振片2变为水平偏振光照射到目标物体上，再经过所述正交偏振片即第二水平偏振片4、垂直偏振片5后分别进入第一、第二双目相机6、7，同时获得两幅偏振图像包括水平方向的光强图i∥和垂直方向的光强图i⊥，所述计算机处理单元对这两幅偏振图像处理，实现偏振图像复原。

本发明的一种在散射环境中基于双目视觉的偏振图像复原方法，该方法包括的具体实现步骤如下：

步骤1、采取主动线偏振光照明的方式，利用带有正交偏振片的双目成像系统获取两幅偏振图像，分别平行和垂直于照明偏振光；

步骤2、以左图i∥为基准图，采用稠密匹配的方式匹配右图i⊥得到视差图，并进一步得到目标物体的深度图像ρ，将右图各像素点的灰度值映射到左图上，获得匹配后的右图；

其中，深度图ρ中各点的深度信息表达式如下：

其中，f为相机焦距，b为双目相机的机线距离，d(x,y)为基准图和匹配图对应点之间相差的像素个数、ps为单个像素尺寸；

步骤3、获取不同位置(x,y)的透过率t(x,y)，计算公式如下：

t(x,y)＝e^{-β(x,y)ρ(x,y)}

其中，β(x,y)为散射系数，ρ(x,y)为步骤2中求得的目标物体的深度信息；

步骤4、得到的复原图l，具体步骤如下：

ccd接收到的光强i(x,y)可分为两部分，即物体反射光l(x,y)(复原图像的各点光强值)衰减后的光强和背景处光强a∞经过散射的背向散射光，公式如下：

i(x,y)＝l(x,y)t(x,y)+a∞[1-t(x,y)]

其中，t(x,y)是步骤3中求得的透过率，通过以上公式可推得物体反射光的表达式，即复原的图像，表达式如下：

其中，l表示复原后的图像，l(x,y)表示复原图中具体点的光强值；

步骤5、得到物体的偏振度，即偏振度图dop，公式如下：

其中，l(x,y)是步骤4得到的复原图中各点的光强值，δl(x,y)为物体反射光的水平偏振光光强和垂直偏振光光强的差值，计算公式如下：

其中，t(x,y)是步骤3中求得的透过率，δd(x,y)为物体反射光的水平偏振光衰减后光强和垂直偏振光衰减后光强的差值，可通过以下公式解得：

其中，δi(x,y)为ccd接收到的左右两图的光强差值，pscat为背景处的背景光偏振度，a∞为背景处的光强。

与现有技术相比，本发明能够在较高浓度的散射介质环境下，恢复清晰图像并识别偏振度不同的物体，尤其在物体光强相近时能根据偏振度的不同来区分物体。

附图说明

图1为本发明的一种在散射环境中基于双目视觉的偏振图像复原和图像的识别方法整体流程示意图；图像1、2为直接拍摄的图像，其余图像为各步处理后得到的图像。

图2为本发明的一种在散射环境中利用双目视觉及偏振成像技术实现图像复原和识别的装置结构示意图；

附图标记：

1、光源；2、第一水平偏振片，3、目标物体，4、第二水平偏振片，5、垂直偏振片，6、7、第一、第二双目相机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。

如图1所示，为本发明的一种在散射环境中利用双目视觉及偏振图像复原装置结构示意图。整个装置包括光源1、水平偏振片2、第一至第二偏振片2、4、5以及双目成像系统6、7。光源1发出的光经过水平偏振片2变为水平线偏振光照到目标物体上，再经过相互正交的偏振片4、5后被双目相机6、7采集。其中，左相机6前为水平偏振片4、右相机7前为垂直偏振片5，得到两幅偏振图像。通过对这两幅偏振图像处理，即可得到复原的清晰图像和显示物体偏振度的图像。

如图1所示，下面将根据本方法的整体流程示意图对本发明的实施方式作进一步的详细描述，其详细步骤如下：

步骤1、采取主动照明的方式，利用带有偏振片的双目相机获取两幅图；

使用水平方向的线偏振光照射目标物体，使用双目相机拍摄图像，其中，双目相机前分别有水平偏振片和垂直偏振片；根据传统的偏振成像理论可知，成像系统所获取的偏振图像分别为：左图i∥(图像1)，右图i⊥(图像2)。其中，i∥为左相机加水平方向线偏振片所采集到的图像，i⊥为右相机加垂直方向线偏振片所采集到的图像。

步骤2、通过双相机得到左右两图求得视差图，进而得到物体的深度信息；

以左图为基准图，采用稠密匹配(即每个点都匹配)的方式匹配右图。首先对左图进行图像分割，根据分割的形状设计匹配窗口，匹配代价函数可以根据场景不同选择合适的相似性判断标准，并对匹配结果进行滤波处理得到视差图(图像3)。在匹配完成的基础上，将右图各像素点的灰度值映射到对应的左图上，获得匹配后的右图i'⊥(图像4)。通过视差图可知匹配点之间相差的像素个数d，根据公式(1)即可得物体的深度信息，即深度图(图像5)。

其中，ρ(x,y)为每个点的深度信息，f为相机焦距，b为机线距离(及两相机中心点之间的距离)，d(x,y)为对应点之间相差的像素个数，ps为单个像素大小尺寸；

步骤3、利用深度信息求得和不同位置的透过率t(x,y)：

t(x,y)＝e^{-β(x,y)ρ(x,y)}(2)

其中，β(x,y)为散射系数，ρ(x,y)为步骤2得到的图像各点的深度信息；

步骤4、利用散射环境中的偏振成像模型复原图像；

i(x,y)＝d(x,y)+b(x,y)(3)

其中，i(x,y)是ccd接收的光强值，d(x,y)为物体反射光衰减后的光强，b(x,y)为背景散射光；

d(x,y)＝l(x,y)t(x,y)(4)

其中，l(x,y)为目标物体反射光；

b(x,y)＝a∞[1-t(x,y)](5)

其中，a∞为无穷远处(即背景处)的光强。

推得公式(6)：

进而得到复原的图像(图像6)。

步骤5、利用透过率t及复原图l求偏振度；

在偏振成像模型中，近似认为整个场景的背景散射光相等，根据公式

其中，δi(x,y)为ccd接收到的左右两图的光强差值，只要获取背景处的背景光偏振度pscat和背景处的光强a∞，就能得到物体水平偏振光和垂直偏振光的差值δd(x,y)，其中，δb(x,y)为背景散射光的水平偏振光和垂直偏振光的差值。由于d(x,y)＝l(x,y)t(x,y),即δd(x,y)＝δl(x,y)t(x,y)，进一步推导可知偏振度公式：

结合步骤3中得到的透过率t和步骤4中得到的复原图l，即可得到偏振度图(图像7)，进而进行图像的识别。

本发明适用于散射介质环境下的含雾图像复原和物体偏振度的求取，利用带有正交偏振片的双目相机成像，并通过双目视觉的相关方法求取深度，结合偏振成像模型，进而实现图像复原和图像识别。本发明直接通过深度信息复原图像，可以获得更加准确的透过率t值，进而实现更准确的复原；将深度信息与偏振去雾模型相结合，可以得到场景中物体的偏振度，这是传统偏振复原模型中所得不到的信息，可以用来识别偏振度不同的物体，尤其是可以在物体光强相近时也能根据偏振度的不同来区分物体。