基于偏振數(shù)字圖像的特征提取及處理方法研究

摘要：一般的成像就只能探測(cè)一定光波段的強(qiáng)度，而偏振成像探測(cè)可以獲得目標(biāo)的光譜、強(qiáng)度、偏振態(tài)等參數(shù)。以一種人工目標(biāo)為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行單波段偏振成像探測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果表明，目標(biāo)的偏振信息參數(shù)能夠較好的描述物體不同的表面取向，是一種能較好地把人工目標(biāo)從自然背景中識(shí)別出來(lái)的手段，提高了背景與目標(biāo)的對(duì)比度，可以作為人工目標(biāo)識(shí)別的輔助方法。

關(guān)鍵詞：偏振成像 對(duì)比度 目標(biāo)識(shí)別

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）10-0070-01

1 引言

從實(shí)際成像的應(yīng)用來(lái)講，由于光在傳播的過(guò)程中，將會(huì)受到一定的晨霧的散射和反射，使成像系統(tǒng)的獲得的圖像變得模糊、能見(jiàn)度低、對(duì)比度下降以至于難以探測(cè)、區(qū)分目標(biāo)信息，從而丟失大量重要信息，不能及時(shí)對(duì)當(dāng)前情況做出及時(shí)、準(zhǔn)確的判斷。利用偏振成像系統(tǒng)檢測(cè)并分析這些偏振信息，可以反演出目標(biāo)的本征屬性，特別是以偏振度參數(shù)圖像顯示的目標(biāo)狀態(tài)特征，能夠較好的表征不同材質(zhì)尤其是人工目標(biāo)區(qū)別于背景的特征[1]。

2 偏振度參數(shù)的物理意義及數(shù)學(xué)描述

在一般情況下，場(chǎng)矢量的變化既非完全規(guī)則，亦非完全無(wú)規(guī)則，因而我們可以說(shuō)這光是部分偏振的。這種光通常由非偏振光經(jīng)反射散射而產(chǎn)生[2]。表示光的偏振態(tài)有兩種方法，一種是由美國(guó)物理學(xué)家Jones R C[3]在1941年第一次提出的矢量法，用來(lái)表示完全偏振光的方法；另一種則是Stokes[4]于1852年引進(jìn)的矢量法，用來(lái)表示部分偏振光研究中的具有光強(qiáng)度量綱的參量，由于都是實(shí)數(shù)，計(jì)算較為簡(jiǎn)單方便。在偏振遙感技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中，一般都采用矢量來(lái)描述準(zhǔn)單色平面波的偏振狀態(tài)。

3 偏振成像檢測(cè)機(jī)理

光的偏振態(tài)可以由斯托克斯矢量表示，

式中，參量顯然代表總光強(qiáng)，、代表總光強(qiáng)中的線(xiàn)偏振部分，等于右旋和左旋圓偏振光檢測(cè)裝置透射光強(qiáng)度之差。 用斯托克斯參量表示時(shí)，原有波的偏振度也即DOP，

由此可見(jiàn)，斯托克斯參量正像相干矩陣一樣，給系統(tǒng)分析準(zhǔn)單色波的偏振態(tài)提供了一個(gè)有力工具。

4 實(shí)驗(yàn)儀方法及結(jié)果分析

系統(tǒng)的組成主要是控制兩個(gè)LCVR的輸入電壓，設(shè)置4組不同的相位延遲值，來(lái)得到4幅不同偏振態(tài)的圖像強(qiáng)度值，利用矩陣反演得到斯托克斯矢量的4個(gè)分量，經(jīng)數(shù)據(jù)處理及視覺(jué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的全偏振探測(cè)。其中光學(xué)鏡頭為長(zhǎng)春理工大學(xué)設(shè)計(jì)，P為孔徑為2cm的偏振片，該系統(tǒng)可分時(shí)獲得同一波段（532nm）的四幅不同偏振態(tài)的強(qiáng)度圖像，儀器的光學(xué)系統(tǒng)的焦距為1300mm，采用1392×1040面陣CCD探測(cè)器，量化精度為15bit。

實(shí)驗(yàn)仿真是針對(duì)對(duì)比度很低的綠草地和綠色涂層板，將它們放在一起來(lái)區(qū)分并識(shí)別綠色草地和綠色涂層板，所以只進(jìn)行532nm波段的研究，采用偏振融合方法來(lái)提高綠色涂層板的對(duì)比度。限于篇幅，以下將對(duì)所獲得的圖像進(jìn)行兩種方法的融合算法，為了顯示及圖片處理方便，將實(shí)驗(yàn)獲取得偏振圖像轉(zhuǎn)換為雙精度，灰度等級(jí)為256，在532nm波段對(duì)一塊涂層板（尺寸為180cm×150cm×3cm）的鋼板樣品進(jìn)行探測(cè)。為了減少他們之間的反射輻射強(qiáng)度差，選擇了實(shí)驗(yàn)樣板顏色相近的草地作為背景。

由于偏振圖像獨(dú)特的偏振特性，如圖1中偏振強(qiáng)度圖像（a）反映圖像的整體分布良好，但是圖像的邊緣信息、紋理信息比較弱，而偏振度圖像（b）相反，它反映的是邊緣和紋理信息豐富。考慮上述各個(gè)偏振特性圖像的特性，因此將（a）和（b）相互融合處理可以獲得符合人類(lèi)視覺(jué)效果的融合圖像。通過(guò)對(duì)（a）和（b）進(jìn)行融合后，得到（c）和（d），如圖2中（c）、（d）所示，長(zhǎng)方形線(xiàn)框區(qū)域突顯了樣板在草地中的位置和形狀大小。通過(guò)對(duì)偏振度參數(shù)圖像處理和分析，認(rèn)為使用偏振度參數(shù)來(lái)描述實(shí)驗(yàn)對(duì)象，可以使背景與目標(biāo)的對(duì)比度明顯增大，從而較好地反映物體表面狀態(tài)特征，增強(qiáng)了對(duì)目標(biāo)的探測(cè)和識(shí)別能力。

參考文獻(xiàn)

[1]孫曉兵，洪津，喬延利.一種基于偏振角參數(shù)圖像的特征提取方法研究[J].2005.4.

[2]馬科斯·玻恩，埃米爾·沃耳夫.光學(xué)原理（第七版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.523-525.

[3]姚啟鈞.光學(xué)教程[M].北京：高等教育出版社，1981.321～327.

[4]周秀驥，陶善昌，姚克亞.高等.大氣物理學(xué)[M].北京：氣象出版社，1991.740～746.

收稿日期：2016-08-23

作者簡(jiǎn)介：?jiǎn)叹辏?990—），女，內(nèi)蒙古巴彥淖爾人，在讀碩士研究生，主要從事數(shù)字圖像處理方面的研究。