利用偏振特性因子的偏振成像目標(biāo)探測實(shí)驗(yàn)

曾恒亮，張孟偉，劉 征，謝宗良( 1. 中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所，成都 610209；2. 中國科學(xué)院光束控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610209；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 )

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利用偏振特性因子的偏振成像目標(biāo)探測實(shí)驗(yàn)

曾恒亮1,2,3，張孟偉1,2，劉 征1,3，謝宗良1,2,3
( 1. 中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所，成都 610209；2. 中國科學(xué)院光束控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610209；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 )

摘要：為了提高目標(biāo)探測中目標(biāo)背景對(duì)比度，本文利用分焦平面的微偏振元相機(jī)同時(shí)獲取目標(biāo)四幅偏振狀態(tài)圖像，解算得到斯托克斯矢量，提取目標(biāo)的偏振度和偏振角成像圖像，并結(jié)合偏振特性因子F對(duì)偏振圖像效果進(jìn)行了改進(jìn)。結(jié)果表明：目標(biāo)偏振度成像圖像在原光強(qiáng)圖像基礎(chǔ)上能夠增強(qiáng)目標(biāo)背景對(duì)比度，偏振特性因子成像圖像在保留偏振度成像圖像增強(qiáng)目標(biāo)背景對(duì)比度的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，能夠提高圖像清晰度，擴(kuò)展圖像信息。

關(guān)鍵詞：同時(shí)偏振成像；斯托克斯矢量；偏振特性因子；目標(biāo)背景對(duì)比度

0 引 言

偏振信息是獨(dú)立于振幅、相位、頻率的信息，物體在反射和輻射電磁波過程中會(huì)根據(jù)物體表面性質(zhì)改變其偏振態(tài)。不同目標(biāo)或相同目標(biāo)不同狀態(tài)產(chǎn)生的偏振信息不同，利用偏振成像能夠得到目標(biāo)的偏振信息。近十幾年來，偏振成像技術(shù)因其能獲得不同于光強(qiáng)信息的偏振信息而迅速發(fā)展，它能夠在復(fù)雜背景中提高目標(biāo)背景對(duì)比度，突出偏振度較高的物體，在目標(biāo)探測和識(shí)別領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

國內(nèi)外關(guān)于偏振成像目標(biāo)探測技術(shù)一直在不斷發(fā)展，例如2002年荷蘭科學(xué)家F.Cremer等人利用偏振成像對(duì)沙地和森林背景下的地雷進(jìn)行了探測實(shí)驗(yàn)研究[5]，結(jié)論表明偏振成像大大提高了目標(biāo)和背景的區(qū)分能力；2004年以色列科學(xué)家NriKarpel等人利用兩幅偏振方向正交圖像消除了水體散射的影響[6]。國內(nèi)方面中國科學(xué)院安徽光機(jī)所最近幾年開展了水下目標(biāo)自然光偏振成像技術(shù)研究和人工目標(biāo)偏振特性實(shí)驗(yàn)研究。本文利用分焦平面的微偏振元相機(jī)同時(shí)獲取目標(biāo)四幅偏振態(tài)圖像，由斯托克斯矢量得到目標(biāo)偏振度、偏振角以及偏振特性因子成像圖像，提出偏振特性因子和原光強(qiáng)調(diào)制圖像，并利用目標(biāo)背景對(duì)比度和清晰度對(duì)圖像進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)。

1 偏振成像原理

通常描述光波偏振態(tài)的方法主要有兩種，一種是Jones矢量法，通常用來描述完全偏振光；一種是Stokes矢量法，可以描述完全偏振光，也可以描述部分偏振光或非偏振光，并且Stokes矢量參量均是與光強(qiáng)成正比，能夠直接用探測器探測。因此，一般利用Stokes矢量描述偏振態(tài)：

而偏振特性因子：

F是偏振度和偏振角信息的復(fù)合，可以反映圖像中包含的線偏振光強(qiáng)相對(duì)含量及其偏振角方向，同偏振度、偏振角等偏振因子一樣，也反映偏振光的偏振特性。文獻(xiàn)[7]推導(dǎo)出偏振特性因子的傳遞模型，光束穿過多層物質(zhì)后，可利用每層介質(zhì)的偏振特性因子以及最終的偏振特性因子推導(dǎo)出其中某一層的偏振特性因子。因此，偏振特性因子也是景物反射光或者折射光的獨(dú)特偏振特性，可結(jié)合應(yīng)用到偏振成像中。相對(duì)于偏振度圖像而言，利用偏振特性因子成像不僅保留了偏振度圖像突顯目標(biāo)，加強(qiáng)目標(biāo)背景對(duì)比度的優(yōu)點(diǎn)，并且提高了圖像清晰度，包含了比偏振度圖像更完整的信息。

2 同時(shí)偏振成像目標(biāo)探測實(shí)驗(yàn)

2.1 同時(shí)偏振成像系統(tǒng)

目前主要的偏振成像技術(shù)方案有分時(shí)式、分振幅式、分孔徑式等，本文利用分焦面的微偏振元相機(jī)實(shí)現(xiàn)同時(shí)偏振成像，這種方式具有單光路同時(shí)成像、實(shí)時(shí)性好以及小型集成化等優(yōu)點(diǎn)，其傳感器如圖1所示。

圖1 微偏振片陣列Fig.1 Micropolarizer array

偏振成像傳感器由微偏振元構(gòu)成，每四個(gè)不同偏振方向微偏振元組成一個(gè)偏振單元，每個(gè)微偏振元代表不同的偏振方向，偏振單元不斷重復(fù)構(gòu)成微偏振片陣列。利用卷積方法能夠最小化采樣誤差，提高偏振單元的空間分辨率。偏振傳感器參數(shù)如下：透射波長范圍為330 nm~1 060 nm，像元大小為7.4 μm，像元數(shù)為640×460，透過率大于70%，消光比大于50:1。

2.2 斯托克斯矢量、偏振度、偏振角和偏振特性因子成像

實(shí)驗(yàn)場景如圖2所示，整體光照為弱光環(huán)境，被測目標(biāo)為隱藏于電腦屏幕②右側(cè)的金屬圓柱體①。由于光照較暗，電腦屏幕圖標(biāo)較亮，在此情況下，金屬圓柱體目標(biāo)被掩蓋，目標(biāo)背景對(duì)比度較低。利用圖1所示的偏振元陣列傳感器組成的同時(shí)偏振系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)場景成像，同時(shí)獲得場景的0°,45°,90°,135°偏振態(tài)圖像，并計(jì)算得到其斯托克斯參量S0，S1，S2成像圖像如圖2所示。

圖2 斯托克斯矢量S0，S1，S2成像圖像Fig.2 Stokes images S0, S1and S2

S0與光強(qiáng)成正比，由于整體光照強(qiáng)度較暗而電腦屏幕較亮，因此在S0圖中很難發(fā)現(xiàn)金屬圓柱體目標(biāo)；S1和S2是兩個(gè)正交方向的線偏振分量，包含物體線偏振信息，由于金屬圓柱體目標(biāo)反射光包含的線偏振分量較高，因此能夠從背景中突顯出來；尤其在S2圖中，金屬圓柱體目標(biāo)最明顯，說明其反射光在45°～135°方向相較其他方向線偏振分量較高。根據(jù)之前說明，可由斯托克斯矢量解算得到偏振度成像圖像和偏振角成像圖像，如圖3所示。

圖3 偏振度成像圖像DoLP和偏振角成像圖像AOLPFig.3 The DoLP and AoLP

偏振度成像圖像相對(duì)于S0來說，雖然丟失了電腦桌面部分信息，屏幕邊緣不夠清楚，增加了部分噪聲，但是主要目標(biāo)金屬圓柱體突顯出來，整體目標(biāo)背景度提高。偏振角成像圖像同樣存在相同問題，目標(biāo)輪廓較清楚。由偏振度和偏振角可得到偏振特性因子成像圖像，并且為了結(jié)合偏振特性因子突顯目標(biāo)和S0清晰度較高噪聲較少的優(yōu)點(diǎn)，可以得到F-S0調(diào)制圖：

其中：β是調(diào)制參數(shù)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 偏振特性因子F成像圖像和IpFig.4 Polarization parameter F and Ip

偏振特性因子結(jié)合了偏振度和偏振角，反映景物反射光波中偏振分量相對(duì)含量及其偏振角方向。偏振特性因子F圖均衡了偏振度圖，雖然降低偏振度DoLP目標(biāo)背景對(duì)比度，但是擴(kuò)展了圖像信息，屏幕邊緣信息更清楚，桌面信息也更完整。F-S0調(diào)制圖像結(jié)合偏振度DoLP成像圖像和S0成像圖像的優(yōu)勢，整體清晰度較好，細(xì)節(jié)信息較多。通過調(diào)節(jié)β參數(shù)的大小來改變目標(biāo)與背景所占的比例，以達(dá)到最好的顯示效果。

3 圖像評(píng)價(jià)

為了對(duì)圖像進(jìn)行更加客觀的評(píng)價(jià)，利用目標(biāo)背景對(duì)比度C和清晰度兩個(gè)參數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中，目標(biāo)背景對(duì)比度C計(jì)算公式如下：其中：It表示目標(biāo)區(qū)域平均灰度值，Ib表示背景區(qū)域平均灰度值。目標(biāo)背景對(duì)比度表征目標(biāo)在背景中的突顯程度，C值越大說明目標(biāo)越明顯，C為負(fù)數(shù)說明目標(biāo)被其背景所淹沒，它能夠最大化體現(xiàn)偏振成像的優(yōu)勢。清晰度反映圖像細(xì)節(jié)表達(dá)能力，用評(píng)價(jià)圖像的清晰程度，值越大說明細(xì)節(jié)紋理更清楚。清晰度一般用灰度平均梯度(GSM)來表示：

下面給出以上各圖的目標(biāo)背景對(duì)比度C和清晰度GSM，如表1所示。

表1 圖像目標(biāo)背景對(duì)比度和清晰度Table 1 Target-background contrast and GSM of the images

由表可知，偏振特性因子F在保留DoLP目標(biāo)背景對(duì)比度的同時(shí)，圖像清晰度提高了43%，增強(qiáng)對(duì)細(xì)節(jié)紋理的表達(dá)能力。Ip在大幅提高清晰度同時(shí)，也令目標(biāo)背景對(duì)比度嚴(yán)重下降，實(shí)際情況中可根據(jù)應(yīng)用場景調(diào)節(jié)β參數(shù)。

4 其他場景成像

利用本文提出的方法，對(duì)室外場景進(jìn)行了進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)被測目標(biāo)為樹林與房屋背景下的路燈目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 利用偏振特性因子的其他場景成像Fig.5 Imaging with polarization parameter in other scene

由上圖可以看出，斯托克斯參量S0成像圖像中，路燈目標(biāo)處于樹木以及房屋的復(fù)雜背景中，不利于目標(biāo)的快速提取與識(shí)別。偏振特性因子F成像圖像幾乎消除了樹木和房屋背景，大大提高了目標(biāo)背景對(duì)比度，能夠快速探測和識(shí)別出目標(biāo)，而F-S0調(diào)制圖像Ip可以調(diào)節(jié)背景顯示程度。

5 總 結(jié)

文中利用微偏振元陣列同時(shí)偏振成像系統(tǒng)對(duì)隱藏于電腦屏幕一側(cè)的金屬圓柱體目標(biāo)進(jìn)行成像，得到目標(biāo)背景的斯托克斯矢量圖和偏振度圖像，并結(jié)合偏振特性因子對(duì)圖像效果進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)果表明：利用同時(shí)偏振成像系統(tǒng)得到的偏振度圖像相對(duì)于與普通光強(qiáng)成正比的斯托克斯矢量S0，目標(biāo)背景對(duì)比度大大提高，有利于復(fù)雜背景中的目標(biāo)探測和隱藏目標(biāo)的識(shí)別；而偏振特性因子圖像在盡可能保留偏振度圖的目標(biāo)背景對(duì)比度同時(shí)，較大幅度提高圖像清晰度，擴(kuò)展了圖像信息。但是，偏振特性因子的應(yīng)用場景以及如何更好利用其特征進(jìn)行下一步的圖像融合，還需要結(jié)合應(yīng)用背景進(jìn)行進(jìn)一步的分析和實(shí)驗(yàn)。

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Experiment of Target Detection Based on Polarization Imaging Using Polarization Parameter

ZENG Hengliang1, 2, 3，ZHANG Mengwei1,2，LIU Zheng1,3，XIE Zongliang1,2,3
( 1. Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209, China; 2. Key Laboratory of Optical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China )

Abstract:In order to enhance target-background contrast in target detection, we use micropolarizer camera providing a division of focal plane to obtain four polarization status images. Based on the polarization status images, the Stokes vectors, degree of linear polarization, angle of polarization and polarization parameter F are calculated. The result shows that, the degree of linear polarization enhances target-background contrast by a large margin, comparing with the origin intensity image, and the polarization parameter enhances the clearness and expands information content of the image, meanwhile keeps the advantage of the degree of linear polarization image.

Key words:simultaneous polarization imaging; stokes vectors; polarization parameter; target-background contrast

作者簡介：曾恒亮(1990-)，男(漢族)，湖南邵陽人。碩士研究生，主要研究工作是偏振成像探測。E-mail:zenghengliang@163.com。

收稿日期：2015-04-21； 收到修改稿日期：2015-07-27

文章編號(hào)：1003-501X(2016)02-0022-05

中圖分類號(hào)：O436.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1003-501X.2016.02.004