一种无需背景先验的全局偏振图像恢复方法

本发明涉及图像处理，尤其涉及一种无需背景先验的全局偏振图像恢复方法。

背景技术：

1、目前偏振去雾技术已经受到了越来越多研究者的关注，并在图像增强和恢复领域发挥着重要作用，偏振去雾是基于偏振光学原理在图像处理领域的一种新兴技术。它的基本原理是利用多个偏振图像来恢复雾化的图像，根据偏振光学原理，不同偏振状态的光束在穿过大气层时会产生不同的偏振效应，从而影响图像的清晰度。偏振去雾技术利用这种原理，从多个偏振图像中提取出雾的相关信息，从而恢复出更清晰的图像。与传统去雾方法相比，偏振去雾技术具有更好的去雾效果，能够更准确地恢复图像的清晰度与细节。

技术实现思路

1、根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种无需背景先验的全局偏振图像恢复方法，具体包括以下步骤：

2、基于偏振镜获取不同角度的偏振图像，采用stokes矢量计算图像的偏振度和偏振角；

3、通过融合后向散射偏振度和偏振角建立偏振成像代理模型；

4、在eme约束下对原图像进行分割和采样处理，求解偏振成像代理模型的局部参数最优值；

5、基于最小二乘法设计鲁棒多项式曲面拟合方法从而获得偏振成像代理模型中变量的全局参数；

6、根据偏振成像代理模型参数k与后向散射a成反比的关系，设计计算无穷远大气光值的方法并计算出无穷远大气光值；

7、将全局模型参数以及无穷远大气光值代入偏振成像代理模型中反演出清晰的无雾图像。

8、进一步的，计算图像偏振度和偏振角时：

9、利用获得的0°偏振图像与90°偏振图像求和得到图像强度i(x,y)：

10、i(x,y)＝i0(x,y)+i90(x,y)

11、利用获得的0°偏振图像与90°偏振图像得到图像强度水平和垂直偏振分量之间的强度差q(x,y)：

12、q(x,y)＝i0(x,y)-i90(x,y)

13、利用获得的45°偏振分量和图像强度i(x,y)得到45°偏振分量和-45°偏振分量之间的强度差u(x,y)：

14、u(x,y)＝i45(x,y)-i-45(x,y)

15、＝2·i45(x,y)-i(x,y)

16、通过stokes矢量参数计算图像偏振度pλ(x,y)：

17、

18、通过stokes矢量参数计算图像强度的偏振角θλ(x,y)：

19、

20、进一步的，建立偏振成像代理模型时：

21、设探测器接收到辐照度i(x,y)的数学表达式为：

22、

23、d和a分别表示探测器接收到的直接传输光与大气光，又称为目标反射光与后向散射光，(x,y)表示像素的位置，l表示未衰减的目标反射光，a∞表示无穷远处的大气光强值，β表示衰减系数，d表示成像目标与相机之间的光路距离，t为透射率；

24、则未衰减清晰的目标信号表示为

25、

26、在偏振成像中假设偏振效应是由后向散射产生的且为部分线偏振光，l表示未衰减的目标反射光，an表示后向散射光的非偏振部分，ap表示后向散射光的偏振部分，则探测器最终接收到的总光强表示为：

27、i(x,y)＝d(x,y)+a(x,y)

28、＝l(x,y)·t(x,y)+an(x,y)+ap(x,y)

29、由于后向散射光是部分偏振光，则后向散射光的偏振度表示为：

30、

31、定义相机水平方向为x轴、垂直方向为y轴，根据马吕斯定律获得后向散射偏振部分光强在x轴与y轴的分量分别为apx、apy、为后向散射偏振角：

32、

33、

34、由于后向散射光是部分偏振光，则在x轴上的光强表示为：

35、

36、后向散射光a表示为

37、

38、如果求解a，则需要得到pa与此时令由于pa(x,y)∈[0,1]，所以k∈[0,1]，则后向散射表示为

39、

40、则直接反射光为

41、

42、对后向散射偏振度乘一个偏置系数ε(1≤ε≤1/pa(x,y))，则清晰无雾的图像l表示为：

43、

44、进一步的，设图像的一小块局部区域内各个像素具有相等的后向散射偏振度与偏振角，则对图像进行分割和间隔采样，对所采样的区域通过优化的方法求解该区域k的最优值，设计具有鲁棒性的多项式曲面拟合方法得到全局变量k，则局部目标信号表示为：

45、

46、

47、引入图像细节增强评价指标eme，采用优化的方式求解参数k，局域灰度变化越强，图像表现出的细节越强，则eme值越大，对解参数k进行求解时

48、

49、对于ki∈[0,1]，设置步长为0.01进行遍历，则计算出该局部区域每次遍历的eme值，最后确定最大eme值所对应的k值为最优k值；

50、重复上述步骤直到图像中被分割采样后的每个局部区域的最优参数k值被确定。

51、进一步的，基于多项式最小二乘法设计了一种鲁棒多项式曲面拟合方法，多项式曲面拟合模型表示为：

52、f(x,y)＝p00+p10x+p01y+p20x2+p11xy+p02y2

53、在该多项式中引入bisquare函数，bisquare函数用来描述拟合模型的残差，表示为

54、

55、其中，z表示离群点的距离，k表示一个指定的参数，用来衡量离群点的程度，当z小于k时，bisquare函数的值接近1，表示没有离群点；当z大于k时，bisquare函数的值逐渐减小，表示离群点越来越明显。

56、进一步的，已知k大小的变化表示后向散射的偏振度成正比：

57、

58、

59、由于a与t成反比且a与k也成反比，所以当k值越小时距离越远，取ωi(x,y)＝argmin(ki)的平均值表示a∞

60、

61、其中ω表示局部区域，n表示该区域内的总像素个数。

62、由于采用了上述技术方案，提出一种无需背景先验的全局偏振图像恢复方法，针对传统的偏振成像依赖从背景区域估计参数，我们从后向散射偏振度与偏振角出发，构建了一种偏振成像代理模型。为了求解模型中参数k的空间变量，通过分割、采样、优化，拟合的策略得到了最优后向散射偏振度与偏振角的融合值，最后通过代理模型恢复出清晰无雾的图像。

技术特征：

1.一种无需背景先验的全局偏振图像恢复方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种无需背景先验的全局偏振图像恢复方法，其特征在于：计算图像偏振度和偏振角时：

3.根据权利要求1所述的一种无需背景先验的全局偏振图像恢复方法，其特征在于：建立偏振成像代理模型时：

4.根据权利要求1所述的一种无需背景先验的全局偏振图像恢复方法，其特征在于：设图像的一小块局部区域内各个像素具有相等的后向散射偏振度与偏振角，则对图像进行分割和间隔采样，对所采样的区域通过优化的方法求解该区域k的最优值，设计具有鲁棒性的多项式曲面拟合方法得到全局变量k，则局部目标信号表示为：

5.根据权利要求1所述的一种无需背景先验的全局偏振图像恢复方法，其特征在于：基于多项式最小二乘法设计了一种鲁棒多项式曲面拟合方法，多项式曲面拟合模型表示为：

6.根据权利要求1所述的一种无需背景先验的全局偏振图像恢复方法，其特征在于：已知k大小的变化表示后向散射的偏振度成正比：

技术总结
本发明公开了一种无需背景先验的全局偏振图像恢复方法，包括以下步骤：S1：通过旋转相机前的偏振镜获取不同角度的偏振图像；S2：通过融合后向散射偏振度和偏振角，建立了一种偏振成像代理模型；S3：在EME约束下，对原图像进行分割与采样，求解出模型局部参数最优值；S4：基于最小二乘法，设计了一种鲁棒多项式曲面拟合方法，得到了模型中变量的全局参数。S5：根据模型参数与后向散射的关系，提出了一种基于模型参数求解无穷远大气光值的方法；S6：基于偏振成像代理模型，将S4中获得的全局模型参数与S6中求的无穷远大气光值代入S2所提代理模型反演出清晰的无雾图像。

技术研发人员：付先平,李亚锋,陈约瀚,王玉琳,李圆圆,王羽佳,张军
受保护的技术使用者：大连海事大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15