基于米勒矩阵的水下成像技术

关系。通过搭建一个 可以获取物体偏 振图像的实
验系统, 能够很好地抑制后向散色散射光 [ 1 3] , 去除
杂乱背景光。通过获取的 16幅偏振图像计算出物
体的米勒矩阵, 并以物体的米勒矩阵来获取其偏振
特性因子图像。结果 证明这种方法能 够较好地获
得目标物体的表面特征信息。
可以用 stokes参量表示, 其定义如下 [ 4] :
( 5) 作为灰度值
来恢复图像就可以完整地反映物体的 表面偏振特 性 [ 8, 9] , 这些偏振特性图像可以 有效地消除水下不
利环境的影响, 相对普通的偏振图像将有更好的可 视效果。
2 实验
2. 1 实验设计 实验系统如图 1所示, 主要功能是获得四种入
射偏振光: 水平线偏振光、垂直线偏振光、45 线偏振 光、右旋圆偏振光和获取 16幅偏振图像。
学物理科学与技术学院副教授, 研究方向: 光学测井和光学检测。
s0
M 11 M 12 M 13 M 14
s0
s1
M 21 M 22 M 23 M 24
s1
sout =
=
s2
M 31 M 32 M 33 M 34
s2
s3 out
M 41 M 42 M 43 M s 44 samp le 3 in
( 2)
从表 1和图 5的比较结果可以看出退偏特性因 子 图像和米勒矩阵元图像相对普通偏 振图像的 可视效果更好, 具有 更高的信息熵和 方差, 包 含更 多的物体表面特性。
米勒矩阵元 图像同样具有 很高的信息熵 与方 差。M 22、M 24、M 31、M 32、M 33、M 34、M 41、M 44 矩阵元 图 像的可视效果较好, 而剩下的矩阵元图像可视效果 非常差。这就表明一角硬币的 16个米勒矩阵元中 有 8个可以很好地反应物体的偏振特性, 而剩下的 8个矩阵元改变入射光状态的能力不强, 其表征的 偏振特性不明显。其中 M 22、M 24、M 32、M 32、M 33、M 34 表征的是物体改变入射光的相位和偏振态的能力, M 31、M 41表征的是物体改变入射光的偏振态的能力, M 44表征的是物体对入射光相位的延迟能力。
M = M D ∀MR ∀M
( 4)
式 ( 4)中 M D 是物体的延迟矩阵, M R 是物体的衰减
矩阵, M 是物体的退偏 矩阵。通过这 三个子矩阵
就可以有效地描述物体的偏振特性。
从物体的退偏矩 阵中可以得到描 述物体退偏
特性的参量: 退偏特性因子 。
tr M = 1- 3 用米勒矩阵元或退偏特 性因子
图 4 退偏 特性因子 图像 (注: 图 2 图 4与实际处理图像的大小比例为 4#1)
2. 3 结果分析 实验过程中偏振图像中 HH、VV、PV、PR、RH、
RP、RR 图像的可视效果较好, 所恢复的图像中 M 22、 M 24、M 31、M 32、M 33、M 34、M 41、M 44、退偏特性因子 图 像的可视效果较好。
图 2 拍摄所获偏振图像
图 3 米勒矩阵元图像
测量目标物体的米勒矩阵时, 入射光分别调节 为 0 、90 、45 的线偏振光和右旋圆偏振光, 对应每 种入射光调整检偏系统为四种状态: 0 、90 、45 的 线偏振和右旋圆偏振。这样就可以得到目标的 16 幅偏振图像。根据这 16幅图像并依 Stokes参量测
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科学 技术与工程
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2. 2 实验过程和结果 实验装置如图 1所示, 实验中采用反射率较好
的一角硬币作为目标物体, 水体为 2 400 mL 的清水 兑 4. 5 mL 的牛奶溶液。由于牛奶溶液具有高散射 与吸收的特点, 且容 易获得, 可 作为较理想的 实验 水体。
光束从光源射出, 调节起偏系统的偏振片、1 /4 波片与水平轴的角度, 可得到 0 至 180 的线偏光和 圆偏振光。
I
S0
IX + IY
Q
S1
IX - IY
S= = =
( 1)
U
S2
2I45 - IX - IY
V
S3
2Ir - IX - IY
式中 IX 、IY、I45 分别表示放置在光波传播 路径上一
ห้องสมุดไป่ตู้
理想偏振片透光轴与参考方向成水平、垂直、45 方
向上的线偏振光光强, Ir 表示右旋圆偏振光光强。 S 包含四个参 量, S0 代表总 光强, S1 代表 线偏
335
图 5 普通光强图像与偏振图像信息熵和标准差比较
图 5是比较普通光强与所恢复偏振特性图像的信息 熵和标准差的函数图 (图像类别的序号从 1至 16分 别代表 HH、VV、PV、PR、RH、RP、RR、退偏特性因子
图像、M 22、M 24、M 31、M 32、M 33、M 34、M 41、M 44图像, 折 线一表示归一化信息熵的比较, 折线二表示归一化 标准差的比较 ) 。
0. 5 VH + VV 0. 5 VH - VV VP - M 41 VR - M 41
式 ( 3)中 I、Q、U、V 代表经过测量计算的出射光束的 四个 Stokes参量, H、V、P、R 代 表水平线偏振光、垂 直线偏振光、45 线偏振光和右旋圆偏振光等入射光 偏振态。
米勒矩阵共有 16个矩阵元, 其中可以确定 M 11 表征物体对光的传输、散射、反射能力, M 12、M 13、M 14 表征物体对入射光的衰减能力, M 44表征物体对入射 光相位的延迟能, M 21、M 31、M 41表征物体改变入射光 的偏振态的能力, 剩下的 8个矩阵元只表征物体对 入射光的相位延迟与退偏能力。
1. 3 米勒矩阵的分解 由于浑浊介质的强散射性和强吸收性, 普通的
物体光强图像将丢失大量的表面信息, 其可视效果 比较差。但是物体表 面的偏振特性并 不会因此而
丢失, 用米勒矩阵所恢复的偏振特性图像将更好地 反应物体的表面特性。
利用四种不同入射偏振光下所获得的 16幅图 像计算出物体各像素点 所对应的米勒 矩阵。可以 将米勒矩阵分解为三个子矩阵 [ 6, 7 ]
叶志杰 柳逢春 安鹏莉 李代林*
( 中国石油大学物理科学与技术学院, 青岛 266555 )
摘 要 探究在浑浊 介质中利用物体的米勒矩阵进行目标识别的技术。米勒矩阵的 16个矩阵元可以完整地描述物体的偏振 信息, 基于各物体不同的偏振特性, 不同物体有不同的米勒矩阵。可以以物体退偏特性因子 或其中一米 勒矩阵元作 为灰度 值得到一幅图像, 利用图像的均值、标 准差、信息 熵和 方差 对图 像进 行评 价。实验 结 果表 明这 种方 法能 够较 大地 提高 成像 质量。 关键词 米勒矩阵 水下物体 偏振特性因子
由以上分析可以 看出物体偏振特 性因子图像 可以在浑浊介质中更好地反映目标的偏振特性, 具 有很好的可视效果。
3 结果与讨论
在浑浊介质中由 于物体的表面偏 振特性并不 会因为介质的强散射而丢失, 利用物体的米勒矩阵 来表示它的表面偏振特性, 并以米勒矩阵的分解矩 阵为基础来获得可视化的偏振特性图 像具有很好 的可视性。
来计算 [ 5] 。
0. 5 IH + IV
0. 5 IH - IV
IP - M 11 IR - M 11
0. 5 QH + QV 0. 5 Q H - Q V Q P - M 21 QR - M 21
M samp le =
( 3)
0. 5 UH + UV 0. 5 UH - UV UP - M 31 UR - M 31
2010 年 7月 12日收到
国家自然科学基金 ( 40704021) 和
山东省自然科学基金 ( Y 2008A 34) 资助
第一作者简介: 叶志杰 ( 1989 ), 男, 安徽省合肥市 人, 中国石 油大
学物理科学与技术学院学生, 研究方向: 水下偏振光成像。
* 通信作者简介: 李代林 ( 1973 ), 男, 山 东省济宁 人, 中国石 油大
实验结果表明, 所恢复的偏振特性图像能够有 效地消除水粒子散射对成像的影响, 提高可视效果 和增大图 像信息 量, 可以应 用于 水下浑 浊介 质中 成像。
参考文 献
1 李代林 基于 图 像融 合 的水 下成 像 技术. 中国 石 油大 学 学报, 2008; 32 ( 4) : 157 160
2 曹念文. 水 下目 标 自 然 光偏 振 成 像 的 研究. 量 子 电 子学 报, 1999; 16 ( 2) : 110 115
式 ( 2) 中 M samp le表示物体的米勒矩阵, S in、Sout表示对 此物体入射光和反射光的 Stokes参量。
这里的米勒矩阵是相对于 M 11进行归一化的矩
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叶志杰, 等: 基于米勒矩阵的水下成像技术
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阵, 归一化之后 M 11必 是 1, 而其他矩阵元都是 - 1 至 1的数。一个米勒矩阵可以通过 16幅偏振图像
第 10卷 第 29期 2010年 10月 1671 1815( 2010) 29 7118 05
物理学
科学技术与工程
Sc ience T echnology and Eng ineer ing
V o l 10 N o 29 O ct 2010 2010 Sci T ech Engng
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叶志杰, 等: 基于米勒矩阵的水下成像技术
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量方法可 测 得四 种 不同 入 射光 下 物体 反 射 光的 S tokes参量。由式 ( 3)来推导出物体的米勒矩阵。
在上述方法下获得的 16幅偏振图像如图 2所 示 ( H、V、P、R分别代表起偏系统和检偏系统处于水 平偏振、垂直偏振、45 线偏振、右旋圆偏振状态, 如 HR表示入射光为水平偏振光, 检偏系统为右旋圆 偏振状态 )。
表 1 典型图像品质比较
图像类别
信息熵
标准差
退偏特性因子 图像
3. 674 1
81. 773 7
M 11
4. 166 2
88. 486 5
M 44
4. 153 4
65. 684 7
HH
2. 229 8
17. 525 6
方差 6 686 7 829 4 314
307
VV
2. 267 1
18. 304 0
图 1 实验装置图
整个装置包括光源、起偏系统、检偏系统、水槽 ( 目标物体置于水槽中 )、探测器等; 其中 起偏系统 和检偏系统分别由偏振片和 1 /4波片组成。光源采 用高亮度的 LED 灯, 探测器包含 CCD 和成像镜头 两部分。光源发出一普通自然光, 通过起偏系统可 获得任意形式的 偏振光。之后 偏振光入射到 处于 浑浊介质中的样 品上并被样品反 射。物体反 射光 通过检偏系统后被探测器探测到, 从而得到物体的 偏振图像。
中图法分类号 O 436. 4;
文献标志码 A
水下成像技术在很多方面都有重要的应用, 但
由于水体的强吸收与散射效应, 直接进行水下视频
成像会有很大噪声, 目标特征不明显。如何提高水
下成像的清晰度是人们研究的重点。
传统方法是利用强光源获得物体的光强图像,
这样就忽略了目标与背景的偏振信息, 而物体的偏
振特性与其材料、表面粗糙度和几何形状都有密切
退偏特性因子 图像表明的是物体 将入射光 的偏振态转化成 更低等次的偏振 光的能力。由于 硬币的表面粗糙度、几何形状的差异, 它的各 个部 分对入射光偏振态的 改变能力不同。退偏因子 图像中的兰花部位相对其他 部分具有更高的 像素
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值, 这是因为兰花部分的几 何形状比较复 杂, 与其 他部位相比可以更好地改变入射光的偏振态。
在这里我们利用 MATLAB 软 件平台编制了一 套程序来以所获得的 16 幅图像为基础计算物体的 米勒矩阵 ( 根据式 ( 3) ), 并分解米勒矩阵利用退偏 特性因子去恢复图像。
在程序中, 将图像先转变为灰度图像以进行各幅图 像间的计算。图 3是以物体的每个像素点所对应的米勒 矩阵元作为灰度值所得图像, 图 4是以物体每个像素点 所对应的退偏特性因子 作为灰度值所得图像。
振光水平或垂直的程度, S2 代表线偏振光与水平成 ! 45 的程度, S3 代表光束中圆偏振光的 左旋或右 旋的程度。
1. 2 米勒矩阵
米勒矩阵 可以 完整 的描 述物 体的 偏振 特性。
1 原理
当一个物体的入射与反射光的 S tokes参量已知时便 可以求得相对应的米勒矩阵。表示如下
1. 1 光束 S tok es参量的测量 光波本身是一种矢量波, 而一束光的偏振信息
3 张绪国. 偏 振成 像 在目 标 探 测中 的 应 用. 光 电工 程, 2008; 35 ( 12): 59 62