凝聚態(tài)介質(zhì)偏振散射成像研究進(jìn)展

趙元埴 歐陽(yáng)名釗 馬辰昊 付躍剛*,2,3 張玉慧*

凝聚態(tài)介質(zhì)偏振散射成像研究進(jìn)展

趙元埴1歐陽(yáng)名釗1馬辰昊1付躍剛*1,2,3張玉慧*1

（1 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）（2 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電測(cè)控與光信息傳輸技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022）（3 吉林省先進(jìn)光學(xué)設(shè)計(jì)與制造高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022）

偏振散射成像通過(guò)提取介質(zhì)和目標(biāo)的偏振特性來(lái)降低散射對(duì)光學(xué)成像的影響，提升成像品質(zhì)。近年來(lái)，隨著光學(xué)器件與數(shù)據(jù)處理性能的不斷提升，其具有的高靈敏度、無(wú)損性、高速性等優(yōu)勢(shì)得以凸顯，偏振散射成像理論和技術(shù)在材料檢測(cè)、資源勘探，尤其是在航天遙感中的空間目標(biāo)信息反演與清晰化成像等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。文章簡(jiǎn)要總結(jié)了固體薄散射介質(zhì)成像與渾濁水體成像方面的理論進(jìn)展，對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)研究作了系統(tǒng)性的綜述，著重介紹了其中具有代表性的研究成果，最后從模型優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)和與深度學(xué)習(xí)等信息處理技術(shù)結(jié)合方面展望了偏振散射成像技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向和應(yīng)用前景。

穆勒矩陣 水下成像 偏振 散射 遙感應(yīng)用

0 引言

光在入射生物組織、煙、霧、渾濁水體等散射介質(zhì)時(shí)，由于散射效應(yīng)而造成入射光場(chǎng)和出射光場(chǎng)空間相對(duì)位置的差異，進(jìn)而丟失部分的強(qiáng)度和相位等信息，影響成像的對(duì)比度和分辨率。偏振是光波獨(dú)立于強(qiáng)度、頻率和相位的第四個(gè)基本特性量，偏振成像通過(guò)提取介質(zhì)和目標(biāo)的偏振特性來(lái)降低散射對(duì)光學(xué)成像的影響，提升成像品質(zhì)。近年來(lái)，偏振成像技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航天遙感、生物醫(yī)學(xué)、水下成像等領(lǐng)域[1-4]。根據(jù)散射介質(zhì)的不同，可將偏振散射成像分為穿云霧成像、固體薄散射介質(zhì)成像、渾濁水體成像等幾個(gè)方面。各種模型間聯(lián)系緊密，各有優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)了偏振散射成像技術(shù)的快速發(fā)展。

固體薄介質(zhì)散射成像技術(shù)在很多領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。例如，大部分生物組織在可見(jiàn)光波段都是強(qiáng)散射介質(zhì)，需要抑制散射效應(yīng)以提升成像品質(zhì)和深度以輔助疾病的診斷。此外，在遙感領(lǐng)域中的目標(biāo)材料的識(shí)別與高分辨成像等方面，也需要使用散射成像技術(shù)以提取目標(biāo)的多維度信息，提升檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

水下成像受渾濁水體吸收和散射作用的影響，無(wú)散射清晰的目標(biāo)光會(huì)與水體中粒子的背景散射光混合起來(lái)，影響成像的分辨率和對(duì)比度，進(jìn)而大大降低對(duì)水下目標(biāo)的探測(cè)和識(shí)別能力[5]。此外由于水體對(duì)光的吸收具有波長(zhǎng)選擇性，水下成像還常伴有色彩畸變等問(wèn)題[6-8]，因此，如何抑制散射光的干擾，分離和提取成像所需的目標(biāo)光，進(jìn)而獲取無(wú)色彩畸變的去散射清晰圖像是水下成像領(lǐng)域亟需解決的熱點(diǎn)問(wèn)題。

本文總結(jié)了固體薄散射介質(zhì)成像與渾濁水體成像這兩個(gè)領(lǐng)域具有代表性的的基本理論與研究進(jìn)展，給出近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者們?nèi)〉玫囊恍┭芯砍晒?，最后?duì)未來(lái)偏振散射成像的技術(shù)重點(diǎn)，理論結(jié)合和發(fā)展前景等方面作了總結(jié)與展望。

1 固體薄散射介質(zhì)的成像研究

目前，應(yīng)用于固體薄散射介質(zhì)成像的技術(shù)主要有波前重構(gòu)[9-10]、深度學(xué)習(xí)[11-12]、散斑相關(guān)[13-15]和傳輸矩陣[16-18]等。介質(zhì)對(duì)光波的散射過(guò)程可以看作是一種編碼和調(diào)制的過(guò)程，而這個(gè)過(guò)程可以用傳輸矩陣進(jìn)行表征。若已知介質(zhì)的傳輸矩陣，就可以對(duì)出射光場(chǎng)進(jìn)行反演得到入射光場(chǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穿透散射介質(zhì)的光波聚焦和成像。這便是傳輸矩陣法的基本思想。而穆勒矩陣就是一種被普遍接受的傳輸矩陣形式。

1.1 穆勒矩陣的極化分解理論

穆勒矩陣可以完整而全面的表征介質(zhì)的偏振屬性，并且穆勒矩陣成像方式多樣，結(jié)果準(zhǔn)確，魯棒性強(qiáng)，這些都有利于其廣泛應(yīng)用。但迄今為止，穆勒矩陣全部16個(gè)陣元的物理意義仍不完全明確。此外，目標(biāo)的一項(xiàng)偏振屬性可能與幾個(gè)陣元對(duì)應(yīng)，而單一陣元無(wú)法全面的表征特定的物理性質(zhì)。所以，需要對(duì)穆勒矩陣的陣元進(jìn)行分解與變換，以獲得表征介質(zhì)各種偏振特性的參數(shù)。

目前的穆勒矩陣分解理論主要有微分分解[19]、逆向分解[20]和對(duì)稱(chēng)分解[21]等。其中，1996年文獻(xiàn)[22]首次提出的極化分解法得到了廣泛應(yīng)用。它將穆勒矩陣分解為三個(gè)子矩陣的乘積，這些子矩陣表征了影響介質(zhì)偏振特性的不同物理過(guò)程：退偏性、二向色性和相位延遲。穆勒矩陣的分解過(guò)程可簡(jiǎn)要表示為

式中

Δ、R、D分別為介質(zhì)的退偏、相位延遲和二向色性矩陣。經(jīng)過(guò)推導(dǎo)與計(jì)算，可以進(jìn)一步得到退偏系數(shù)，二向色性系數(shù)，線(xiàn)偏延遲系數(shù)和圓偏延遲系數(shù)

由此可見(jiàn)，分解后的子矩陣和各種系數(shù)可以獨(dú)立反映介質(zhì)的某一偏振屬性，有助于更深入的探究介質(zhì)本身的光學(xué)性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)，也為利用其進(jìn)行成像和檢測(cè)提供了可行性。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

早年美國(guó)陸軍研究室對(duì)偽裝軍車(chē)的成像實(shí)驗(yàn)（圖1）是偏振應(yīng)用于目標(biāo)遙感和識(shí)別領(lǐng)域的經(jīng)典案例，并為之后的理論發(fā)展作出了良好的鋪墊。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者們從不同的角度完善了穆勒矩陣極化分解理論，拓展了方法的應(yīng)用范圍，并取得了豐富的成果。2013年，文獻(xiàn)[23]分析了腸癌組織的穆勒矩陣分解參數(shù)成像結(jié)果，認(rèn)為退偏和相位延遲參數(shù)可幫助區(qū)分癌變和正常組織。同年，文獻(xiàn)[24]又指出穆勒矩陣分解參數(shù)可輔助區(qū)分處于不同病變階段的宮頸上皮瘤組織。同年，文獻(xiàn)[25]提出了穆勒矩陣變換法這一提取和凸顯介質(zhì)偏振特性的新方法，推動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)展。2014年，文獻(xiàn)[26]對(duì)9個(gè)線(xiàn)偏振相關(guān)的穆勒矩陣元進(jìn)行了分解，并將得到的參數(shù)用于胃癌組織的定量檢測(cè)。2018年，文獻(xiàn)[27]將穆勒矩陣極化分解法與統(tǒng)計(jì)分析法結(jié)合，對(duì)肉眼難以分辨的不同的菌落實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)與鑒別。2019年，文獻(xiàn)[28]深入分析了極化分解和微分分解參數(shù)的具體對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)理論進(jìn)行必要補(bǔ)充并拓展了穆勒矩陣成像法的應(yīng)用范圍。同年，文獻(xiàn)[29]構(gòu)建了穆勒矩陣全角度分布數(shù)值計(jì)算模型，并對(duì)不同的金屬，電介質(zhì)進(jìn)行 了識(shí)別，并認(rèn)為穆勒矩陣特定陣元的差異性可以作為金屬和電介質(zhì)區(qū)分的判據(jù)。主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示[29]。同年，文獻(xiàn)[30]使用偏光顯微鏡來(lái)獲取不同形態(tài)的電紡纖維的穆勒矩陣，并對(duì)其實(shí)現(xiàn)了快速、無(wú)損檢測(cè)，主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯觯?4陣元的差異性為電紡纖維的抗干擾、低成本檢測(cè)提供了一種新思路。

圖1 偽裝軍車(chē)的光強(qiáng)成像與偏振成像對(duì)比圖

圖2 金屬銀表面穆勒矩陣全角度分布（表面粗糙度均方根高度δ=0.6λ，表面相關(guān)長(zhǎng)度T=6λ）

圖3 不同形態(tài)電紡纖維的m44陣元變換圖像

2021年，文獻(xiàn)[31]將傳輸矩陣與穆勒矩陣的極化分解相結(jié)合，輔以圖像處理技術(shù)，提出了一種固體薄散射介質(zhì)成像的新方法。首先構(gòu)建穆勒矩陣成像系統(tǒng)，使用雙旋轉(zhuǎn)波片法先后獲取作為散射介質(zhì)的磨砂玻璃以及經(jīng)過(guò)其散射的不同目標(biāo)的穆勒矩陣圖像，而后計(jì)算目標(biāo)的各種偏振參數(shù)圖像，最后采用增強(qiáng)、去噪等方法對(duì)特定參數(shù)圖像做進(jìn)一步的處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)處理后的圖像比直接拍攝的目標(biāo)圖像更清晰、更接近無(wú)散射圖像。與可解決此類(lèi)問(wèn)題的其他散射成像方法進(jìn)行對(duì)比，凸顯了該方法的優(yōu)勢(shì)。此外，該方法具有裝調(diào)簡(jiǎn)單，圖像數(shù)據(jù)處理量較小等優(yōu)點(diǎn)，也為進(jìn)一步的研究提供了啟示與指導(dǎo)。

注：d表示毛玻璃與目標(biāo)間的距離；（a）是直接拍攝的磨砂玻璃后的目標(biāo)圖像；（b）是樣品退偏系數(shù)圖像；（c）是文獻(xiàn)[31]的最終處理結(jié)果。

2 渾濁水體的成像研究

在渾濁水體成像領(lǐng)域，偏振技術(shù)由于能夠充分利用散射光場(chǎng)偏振信息的差異性和唯一性，有效去除水體散射、提高成像品質(zhì)和成像距離，一直以來(lái)都是國(guó)內(nèi)外學(xué)者們的研究重點(diǎn)[5,32]。其中，水下偏振差分成像技術(shù)起源于水下偏振門(mén)控成像技術(shù)，其利用偏振信息的共模抑制特性消除背景散射光進(jìn)而實(shí)現(xiàn)去散射成像[33-34]。而被動(dòng)和主動(dòng)偏振成像技術(shù)都主要基于文獻(xiàn)[35-38]在2003到2009年提出的一組數(shù)學(xué)模型，主要區(qū)別在于光源的可調(diào)節(jié)性和是否考慮目標(biāo)物的偏振特性。

2.1 傳統(tǒng)偏振水下成像模型

利用光在渾濁水體中傳輸?shù)奈锢硖匦赃M(jìn)行建模進(jìn)而實(shí)現(xiàn)去散射成像的思想可以追溯到Jaffe-McGlamery模型[6]。它將探測(cè)器接收的目標(biāo)模糊圖像看作無(wú)散射的清晰目標(biāo)光，水體中粒子的后向和前向散射光圖像的線(xiàn)性疊加。其中一般認(rèn)為后向散射光是造成圖像模糊和成像距離縮短的主要因素，而前向散射光造成的影響幾乎可以忽略不計(jì)。

經(jīng)過(guò)不同傳播路徑的光，其偏振特性一般也不同。所以可以通過(guò)散射光場(chǎng)的偏振差異性來(lái)將探測(cè)器接收到的后向散射光移除，實(shí)現(xiàn)去散射清晰成像。其中，以色列的Y.Y.Schechner等人將偏振理論與Jaffe-McGlamery模型相結(jié)合，得到了求解無(wú)散射的目標(biāo)光的方法，并深入研究了影響圖像恢復(fù)品質(zhì)的各種因素。

由Y.Y.Schechner等人提出的傳統(tǒng)偏振水下成像模型如圖5所示[36]。探測(cè)器接收到的目標(biāo)信息（,）可表示為

式中（,）和（,）分別為目標(biāo)反射光和背景散射光。通過(guò)引入偏振理論和其他的一些基本假設(shè)，分別得到目標(biāo)反射光和背景散射光

式中max和min表示偏振片旋轉(zhuǎn)過(guò)程中總光強(qiáng)為極值的圖像；obj和sca分別表示目標(biāo)反射光和背景散射光的偏振度。

圖5 傳統(tǒng)偏振水下成像模型示意

此外，在真實(shí)的自然水體環(huán)境下進(jìn)行的大量實(shí)驗(yàn)（如圖6[38]所示）將背散射光從原始圖像中分離并得到了去散射后的圖像，取得了明顯的實(shí)驗(yàn)效果，表明了該方法具有良好的魯棒性和廣闊的應(yīng)用前景。

2.2 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

近年來(lái)，研究者們圍繞著傳統(tǒng)偏振水下成像模型進(jìn)行了諸多改進(jìn)，一定程度上提高了模型的準(zhǔn)確性、對(duì)不同材料目標(biāo)的適用性和成像距離等。2016年，文獻(xiàn)[39]將偏振差分圖像引入模型，使其對(duì)不同偏振特性目標(biāo)的成像品質(zhì)均有提升。此后在2017年，又對(duì)模型進(jìn)行了深入優(yōu)化，減少了運(yùn)算時(shí)間，拓展了模型的應(yīng)用范圍[40]，主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。同年，文獻(xiàn)[41]將通常被忽略的前向散射光加以利用，并利用刃邊法估計(jì)圖像的退化函數(shù)，提高了去散射圖像的細(xì)節(jié)分辨能力，但處理后的圖像噪聲較大。2018年，文獻(xiàn)[42]考慮了水體對(duì)不同頻率的光線(xiàn)的吸收特性并將其加入到傳統(tǒng)模型中，一定程度上改善了彩色目標(biāo)經(jīng)散射造成的顏色失真及畸變問(wèn)題。同年，文獻(xiàn)[43]利用圓偏振光輔助成像并取得了一定的實(shí)驗(yàn)效果，但該方法無(wú)法應(yīng)用于金屬等保偏性較強(qiáng)的目標(biāo)。而后，文獻(xiàn)[44]通過(guò)光學(xué)相關(guān)法在相關(guān)性最低時(shí)對(duì)目標(biāo)反射光和背景散射光進(jìn)行分離并實(shí)現(xiàn)去散射成像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示[44]，表明該方法可以有效應(yīng)用于渾濁度較高的水體中，且成像距離和對(duì)比度都有顯著提高。2021年，文獻(xiàn)[45]提出了一種基于稀疏低秩特性的水下非均勻光場(chǎng)偏振散射成像技術(shù)，在有效抑制非均勻強(qiáng)散射的同時(shí)較好地提升了圖像對(duì)比度，復(fù)原了細(xì)節(jié)信息。但對(duì)目標(biāo)信息的稀疏性假設(shè)使其可能無(wú)法應(yīng)用于目標(biāo)在視場(chǎng)中占比較大的情況。

圖6 自然水體環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7 原始強(qiáng)度圖像和不同方法的恢復(fù)效果對(duì)比

圖8 目標(biāo)在不同渾濁度水體中的原始光強(qiáng)圖和復(fù)原圖

在傳統(tǒng)模型對(duì)于逆散射問(wèn)題的求解過(guò)程中，有時(shí)會(huì)因?yàn)槟繕?biāo)反射光或背景散射光偏振度的求取誤差較大而無(wú)法獲得具有物理意義的解析解，進(jìn)而造成圖像復(fù)原失敗。此外，使用傳統(tǒng)模型之前需要一定的先驗(yàn)知識(shí)，而這在實(shí)際應(yīng)用時(shí)往往是無(wú)法獲知的。2021年，文獻(xiàn)[46]針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)傳統(tǒng)偏振水下成像模型進(jìn)行了必要的補(bǔ)充，加入了使解析解具有物理意義的限制條件，并在此基礎(chǔ)上使用遺傳算法同步搜索目標(biāo)反射光和背景散射光的偏振度，提出了一種無(wú)先驗(yàn)知識(shí)的偏振水下去散射成像方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖9）表明，該方法可以有效恢復(fù)經(jīng)渾濁水體散射而變得模糊甚至無(wú)法分辨的圖像，且適用于具有不同偏振特性的目標(biāo)?；謴?fù)后圖像的對(duì)比度和結(jié)構(gòu)相似度相較于恢復(fù)前均有顯著提升。此外，穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果表明，該方法的穩(wěn)定性和魯棒性良好，基本滿(mǎn)足實(shí)用要求。

圖9 塑料老鼠的圖像恢復(fù)效果

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述對(duì)固體薄散射介質(zhì)和渾濁水體偏振散射成像研究的總結(jié)與分析可以看出，偏振信息的引入很大程度上提高了成像深度，成像品質(zhì)和目標(biāo)識(shí)別能力，也展現(xiàn)了偏振散射成像技術(shù)巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景。針對(duì)該技術(shù)存在的諸多缺陷，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們從各個(gè)角度展開(kāi)研究，也取得了一定的進(jìn)展。但迄今為止，仍然沒(méi)有一種完全滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求的通用方案。此時(shí)，將不同的偏振散射模型有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)成像的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)可能是一種具有前景的研究方向。例如，穆勒矩陣分解法在目標(biāo)材料及精細(xì)結(jié)構(gòu)識(shí)別等方面顯現(xiàn)出了優(yōu)勢(shì)，理論上可以將其應(yīng)用到水下場(chǎng)景以提升成像精度和反偽裝能力。此外，如何更深入的挖掘與獲取各種偏振信息并與諸如傅里葉變換、深度學(xué)習(xí)等信息處理技術(shù)有效結(jié)合，提高成像方法的實(shí)時(shí)性、魯棒性和成像能力等方面，也將成為今后研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

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Advances in Polarization Scattering Imaging of Condensed Matter Medium

ZHAO Yuanzhi1OUYANG Mingzhao1MA Chenhao1FU Yuegang*1,2,3ZHANG Yuhui*1

（1 School of Optoelectric Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China）（2 Key Laboratory of Optoelectronic Measurement and Optical Information Transmission Technology of Ministry of Education, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China）（3 Key Laboratory of Advanced Optical System Design and Manufacturing Technology of the Universities of Jilin Province, Changchun 130022, China）

Polarization scattering imaging can reduce the influence of scattering on optical imaging and improve the imaging quality by extracting the polarization characteristics of medium and target. In recent years, with the improving of the optical device and data processing performance, it has the advantage of high sensitivity, nondestructive and recommend suite to highlight, the polarization scattering imaging theory and technology in materials testing, space target of resources exploration, especially the remote sensing information inversion and clearer imaging and other fields has been widely applied. This paper briefly summarized the solid imaging and scattering media fully appear along with the progress of turbid water imaging theory, the experimental study of at home and abroad in recent years made a systematic review, emphatically introduces the representative research achievements. Finally, the future development direction and application prospect of polarization scattering imaging technology are prospected from the complementary advantages of model and the combination with deep learning and other information processing technologies.

Mueller matrix; underwater imaging; polarization; scattering; remote sensing application

O436

A

1009-8518(2021)06-0045-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2021.06.005

2021-09-20

國(guó)家自然科學(xué)基金（61705018，61805025）；吉林省科技發(fā)展計(jì)劃（20190302098G）；高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃（111計(jì)劃D21009）；長(zhǎng)春理工大學(xué)青年科學(xué)基金（XQNJJ-2017-08）

趙元埴, 歐陽(yáng)名釗, 馬辰昊, 等. 凝聚態(tài)介質(zhì)偏振散射成像研究進(jìn)展[J]. 航天返回與遙感, 2021, 42(6): 45-54.

ZHAO Yuanzhi, OUYANG Mingzhao, MA Chenhao, et al. Advances in Polarization Scattering Imaging of Condensed Matter Medium[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(6): 45-54. (in Chinese)

趙元埴，男，1996年生，現(xiàn)為長(zhǎng)春理工大學(xué)光電工程學(xué)院博士研究生。主要研究方向?yàn)槠駵y(cè)量，散射成像。E-mail：1059228119@qq.com。

付躍剛，男，1972年生，2005年獲長(zhǎng)春理工大學(xué)光學(xué)工程專(zhuān)業(yè)博士學(xué)位，教授。主要研究方向?yàn)槠駵y(cè)量、仿生光學(xué)等。Email：fuyg@cust.edu.cn。

張玉慧，女，1992年生，2021年獲長(zhǎng)春理工大學(xué)光學(xué)工程專(zhuān)業(yè)博士學(xué)位，講師。主要研究方向?yàn)榉律鈱W(xué)、微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。Email：1615008053@qq.com。

（編輯：龐冰）