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渾濁介質中主動偏振成像技術(精)/偏振成像探測技術學術叢書 版權信息
- ISBN：9787030721174
- 條形碼：9787030721174 ; 978-7-03-072117-4
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
渾濁介質中主動偏振成像技術(精)/偏振成像探測技術學術叢書 內容簡介
霧霾天氣、渾濁海水、生物組織等統稱渾濁介質。當光在渾濁介質中傳輸時，會受到介質中粒子吸收和散射等作用，導致成像距離變短、圖像變模糊。本書是**部基于介質光和目標光偏振特性差異，系統研究提高渾濁介質中目標清晰化成像的主動偏振成像技術論著，集中展示團隊關于偏振光在渾濁介質中的傳輸過程及特性、偏振差分成像、距離選通偏振差分成像技術方面的研究與改進，并通過研究光偏振態和渾濁介質光學特性對成像質量的影響，揭示有關成像規律。 本書可作為光學、光學工程、電子信息、光信息科學與技術等專業高年級本科生和研究生的教材，也可供相關領域研究人員和工程技術人員參考。
渾濁介質中主動偏振成像技術(精)/偏振成像探測技術學術叢書 目錄
目錄
“偏振成像探測技術學術叢書”序
前言
第1章 緒論 1
1.1 渾濁介質定義及分類 1
1.2 為什么要研究渾濁介質中的偏振成像 2
1.3 渾濁介質中偏振成像方法研究現狀 3
1.3.1 基于光散射模型的偏振成像方法 3
1.3.2 Mueller矩陣成像 10
1.3.3 基于光偏振特性差異的偏振成像方法 15
1.3.4 偏振光傳輸與探測Monte Carlo模擬 25
1.4 本章小結 29
第2章 偏振光及其在渾濁介質中的傳輸特性 30
2.1 光的偏振及表示 30
2.1.1 偏振現象 30
2.1.2 光偏振態的表示方法 33
2.2 偏振光與渾濁介質的相互作用 41
2.2.1 偏振光在渾濁介質中的電磁散射 41
2.2.2 光在渾濁介質中的散射過程 44
2.3 偏振光在渾濁介質中的傳輸特性 47
2.3.1 渾濁介質中典型光學特征參量測量 47
2.3.2 偏振光在散射介質中的前向傳輸特性 52
2.3.3 偏振光在散射介質中的后向傳輸特性研究 56
2.4 渾濁介質中光傳輸的Monte Carlo模擬 59
2.4.1 隨機變量抽樣 59
2.4.2 Monte Carlo模擬坐標系統 61
2.4.3 光子傳輸過程實現 61
2.5 本章小結 65
第3章 基于光傳輸模型的偏振成像 66
3.1 基于Treibitz模型的偏振成像 66
3.1.1 基于傳統Treibitz模型的偏振成像 66
3.1.2 基于Treibitz改進模型的偏振成像 68
3.2 基于Schechner光散射模型的渾濁介質中的偏振成像 73
3.2.1 Schechner光散射模型簡介 73
3.2.2 考慮目標偏振特性的光散射偏振成像 75
3.2.3 基于非均勻光模型理論基礎的水下偏振成像方法 82
3.3 本章小結 90
第4章 高時效性偏振差分成像 91
4.1 普通偏振差分成像 91
4.2 快速偏振差分成像 92
4.2.1 快速偏振差分成像原理 92
4.2.2 背景光偏振方向角的計算 96
4.2.3 快速偏振差分成像實驗測量系統 99
4.2.4 快速偏振差分成像實驗結果 100
4.3 光矢量方向調控的偏振差分成像 105
4.3.1 光矢量方向調控的偏振差分成像模型 105
4.3.2 光矢量方向調控的偏振差分成像系統 106
4.3.3 光矢量方向調控的偏振差分成像實驗驗證 109
4.3.4 光矢量方向調控的偏振差分成像實驗結果 110
4.4 本章小結 113
第5章 距離選通偏振差分成像 114
5.1 距離選通偏振差分成像簡述 115
5.1.1 偏振光照明均勻性分析 115
5.1.2 距離選通成像技術原理 120
5.1.3 距離選通偏振差分成像方法 124
5.2 基于距離選通偏振差分成像的偽裝目標的探測與識別 126
5.3 基于距離選通偏振差分成像提高目標成像質量 134
5.4 快速距離選通偏振差分成像 140
5.5 本章小結 142
第6章 渾濁介質中偏振成像Monte Carlo模擬分析 144
6.1 偏振差分成像的MonteCarlo模擬分析 144
6.1.1 普通介質中偏振差分成像模擬 144
6.1.2 雙折射介質中偏振差分成像模擬 153
6.1.3 介質特性對偏振差分成像的影響規律 156
6.2 距離選通偏振差分成像的MonteCarlo模擬分析 164
6.2.1 距離選通偏振差分成像原理 164
6.2.2 普通介質中距離選通偏振差分成像模擬分析 167
6.2.3 雙折射介質中的距離選通偏振差分成像模擬分析 176
6.2.4 介質特性對距離選通偏振差分成像的影響規律 183
6.3 本章小結 190
參考文獻 192
“偏振成像探測技術學術叢書”序
前言
第1章 緒論 1
1.1 渾濁介質定義及分類 1
1.2 為什么要研究渾濁介質中的偏振成像 2
1.3 渾濁介質中偏振成像方法研究現狀 3
1.3.1 基于光散射模型的偏振成像方法 3
1.3.2 Mueller矩陣成像 10
1.3.3 基于光偏振特性差異的偏振成像方法 15
1.3.4 偏振光傳輸與探測Monte Carlo模擬 25
1.4 本章小結 29
第2章 偏振光及其在渾濁介質中的傳輸特性 30
2.1 光的偏振及表示 30
2.1.1 偏振現象 30
2.1.2 光偏振態的表示方法 33
2.2 偏振光與渾濁介質的相互作用 41
2.2.1 偏振光在渾濁介質中的電磁散射 41
2.2.2 光在渾濁介質中的散射過程 44
2.3 偏振光在渾濁介質中的傳輸特性 47
2.3.1 渾濁介質中典型光學特征參量測量 47
2.3.2 偏振光在散射介質中的前向傳輸特性 52
2.3.3 偏振光在散射介質中的后向傳輸特性研究 56
2.4 渾濁介質中光傳輸的Monte Carlo模擬 59
2.4.1 隨機變量抽樣 59
2.4.2 Monte Carlo模擬坐標系統 61
2.4.3 光子傳輸過程實現 61
2.5 本章小結 65
第3章 基于光傳輸模型的偏振成像 66
3.1 基于Treibitz模型的偏振成像 66
3.1.1 基于傳統Treibitz模型的偏振成像 66
3.1.2 基于Treibitz改進模型的偏振成像 68
3.2 基于Schechner光散射模型的渾濁介質中的偏振成像 73
3.2.1 Schechner光散射模型簡介 73
3.2.2 考慮目標偏振特性的光散射偏振成像 75
3.2.3 基于非均勻光模型理論基礎的水下偏振成像方法 82
3.3 本章小結 90
第4章 高時效性偏振差分成像 91
4.1 普通偏振差分成像 91
4.2 快速偏振差分成像 92
4.2.1 快速偏振差分成像原理 92
4.2.2 背景光偏振方向角的計算 96
4.2.3 快速偏振差分成像實驗測量系統 99
4.2.4 快速偏振差分成像實驗結果 100
4.3 光矢量方向調控的偏振差分成像 105
4.3.1 光矢量方向調控的偏振差分成像模型 105
4.3.2 光矢量方向調控的偏振差分成像系統 106
4.3.3 光矢量方向調控的偏振差分成像實驗驗證 109
4.3.4 光矢量方向調控的偏振差分成像實驗結果 110
4.4 本章小結 113
第5章 距離選通偏振差分成像 114
5.1 距離選通偏振差分成像簡述 115
5.1.1 偏振光照明均勻性分析 115
5.1.2 距離選通成像技術原理 120
5.1.3 距離選通偏振差分成像方法 124
5.2 基于距離選通偏振差分成像的偽裝目標的探測與識別 126
5.3 基于距離選通偏振差分成像提高目標成像質量 134
5.4 快速距離選通偏振差分成像 140
5.5 本章小結 142
第6章 渾濁介質中偏振成像Monte Carlo模擬分析 144
6.1 偏振差分成像的MonteCarlo模擬分析 144
6.1.1 普通介質中偏振差分成像模擬 144
6.1.2 雙折射介質中偏振差分成像模擬 153
6.1.3 介質特性對偏振差分成像的影響規律 156
6.2 距離選通偏振差分成像的MonteCarlo模擬分析 164
6.2.1 距離選通偏振差分成像原理 164
6.2.2 普通介質中距離選通偏振差分成像模擬分析 167
6.2.3 雙折射介質中的距離選通偏振差分成像模擬分析 176
6.2.4 介質特性對距離選通偏振差分成像的影響規律 183
6.3 本章小結 190
參考文獻 192
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渾濁介質中主動偏振成像技術(精)/偏振成像探測技術學術叢書 節選
第1章 緒論 1.1渾濁介質定義及分類 光在一種介質中傳播時，若介質中不存在異質體，即介質均勻，那么光線將遵循光的直線傳播規律。但是，在大氣、湖水等其他存在微小顆粒的介質中，光線將不再沿直線傳播，而是向周邊發散傳播。這類能導致光散射現象的折射率非均勻性介質常被定義為渾濁介質，也稱散射介質。 渾濁介質包括多種不同的存在形式，主要可以分為以下4類。 ①氣體中混有微小液滴，如霧。 ②氣體中混有固體微粒，如霾。 ③液體中混有固體微粒，稱為懸濁液。 ④液體中混有另一種液體的微小液滴，稱為乳劑。我們將前兩類氣態渾濁介質統稱為霧霾或氣溶膠。后兩類液態渾濁介質的典型代表分別為海水和生物組織。 霧是由大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成的氣溶膠系統，多出現于秋冬季節，是近地面層空氣中水汽凝結 (或凝華)的產物，會降低能見度。目標物水平能見度降低到1000米以內的稱為霧，1000～10000米的稱為輕霧或靄。由于液態水或冰晶組成的霧散射的光與波長關系不大，因此霧看起來呈乳白色、青白色、灰色。霾也稱灰霾 (煙霧)，是空氣中混有灰塵、硫酸、硝酸、有機碳氫化合物等固體粒子造成的大氣渾濁現象。頻發的霧霾會對民眾的身體健康、正常生活和社會的經濟發展等造成嚴重影響。 海洋覆蓋超過70%的地球表面，一方面，海洋具有豐富的資源；另一方面，海洋是我國對外貿易，特別是石油等重要戰略資源進口的主要通道。因此，海洋維系著我國諸多重大安全和發展利益。保衛國家海洋安全、維護海洋權益、保障海洋通道及重大海外利益，都離不開精準的海洋監測。對海洋目標進行實時追蹤定位，以及對海洋礦物石油等資源進行勘探時，水下視覺能見度會隨海水深度的增加而不斷下降，嚴重影響追蹤定位目標的精度和資源探勘的效率。 生物組織是由不同大小、不同成分的細胞和細胞間質組成的渾濁介質。生物組織中的病變，特別是腫瘤等重大疾病對人民生命安全造成了重大威脅。以食管癌為例，若早期得到診斷，則手術切除率100%、5年存活率高達90%，而中晚期手術治療遠期療效都很差，5年存活率<30%。光學成像法具有非接觸、無輻射等優勢，是生物組織內病變區域影像檢測的重要手段，但成像時散射光與反射光疊加到一起會嚴重影響影像質量，導致診斷準確率難以滿足要求。 可見，研究光在渾濁介質中的傳播特性，提高渾濁介質中的光學成像質量，對于診斷重大疾病，保障人民的身體健康和生命安全；探測與開發海洋資源，促進海洋經濟發展；探測識別目標，維護海洋權益與安全等國計民生和國家安全問題至關重要。 1.2為什么要研究渾濁介質中的偏振成像 當光在渾濁介質中傳輸時，會受到介質中粒子吸收和散射等作用的影響。 光吸收是光通過渾濁介質時與其發生相互作用，光能量被部分地轉化為其他能量形式的物理過程。吸收作用使光能量降低，圖像亮度減弱，同時，不同波長的光吸收不同，還會引起顏色畸變。若渾濁介質對光僅存在吸收作用，則通過增加光源強度或者選擇感光度和敏感度較高的探測器，根據吸收譜線進行顏色校正提高圖像質量。 當光線通過渾濁介質時，介質中的微小粒子(異質體)或分子對光的作用使光線偏離原來的傳播方向而向四周傳播。這樣從側面也可以看到光的存在，這就是我們所知的散射現象。被散射的介質光與目標光疊加在一起，會造成圖像分辨率降低，目標與背景之間對比度、信噪比下降，使成像質量變差。 針對光吸收導致的成像質量下降問題，國際上已經有較為全面成熟的系列研究，不作為本書主要關注點。如何去除介質散射光的影響，提高渾濁介質中的目標探測、成像與識別能力已成為國際光學成像探測領域的重要熱點問題，這是本書的主要研究內容。 目前，基于光散射特性提高目標光學探測識別能力的方法主要可以分為圖像處理方法和物理方法。 圖像處理方法通過信息挖掘增強圖像特征，主要有超分辨率重建技術、圖像融合技術、圖像增強處理技術、圖像復原和相干光學成像等。該類方法能夠對渾濁介質中的目標圖像進行快速去散射處理，有效提高渾濁介質中目標識別與探測能力，但是受源圖影響大，還會損失許多目標細節信息，導致圖像失真。 物理方法是基于光與渾濁介質和目標的相互作用，分析介質散射和吸收特性對成像質量影響的物理機制，利用物理手段將介質光與目標光分離，在全面保持目標有效信息的同時，凸顯目標原有特征，進行渾濁介質中目標的識別與探測，實現圖像對比度提高。因此，物理方法不但能夠有效進行渾濁介質中目標的識別與探測，而且能夠全面保持目標有效信息、凸顯目標原有特征。一般認為，探測器接收到的光線主要包含三部分，即包含目標信息的有效光 (目標光)、目標前向散射光和介質后向散射光 (介質光)。其中，目標前向散射光和介質光構成背景光，共同導致圖像對比度降低。研究者根據這三類光線在渾濁介質中的傳輸速度、傳輸頻率和傳輸路徑等方面的差異，提出多種成像方式進行目標探測，如克爾成像、距離選通成像、條紋管成像、3D成像、光譜成像和偏振成像等。偏振成像方法由于穿透能力強、增加信息維度、提高目標與背景對比度等優勢，受到學者的廣泛關注。 偏振成像技術不僅能獲取普通光學成像所能得到的強度和空間信息，還能獲取額外的偏振信息。實際上，由于任何物體都有其獨*的偏振特性，因此光的偏振信息昀早被用于生物組織成像。當偏振光在生物組織中傳輸時，介質散射作用會改變入射光的偏振態，因此可用偏振信息表征生物組織特性，從而使偏振成像能夠廣泛地應用到生物工程領域。同樣，偏振成像也可用來進行傳統強度成像難以區分的海水、霧霾等渾濁介質中的目標探測識別。因此，偏振成像是提高各種渾濁介質中的光學成像效果的重要手段，發展潛力巨大。 1.3渾濁介質中偏振成像方法研究現狀 為了將光的偏振信息用于渾濁介質中的目標探測，國內外的科研工作者開展了大量有關研究，取得諸多成就，提出多種有效提高渾濁介質中目標成像效果的偏振成像方法。概括來講，這些方法可以分為四類：**類是根據光在渾濁介質中傳輸的物理模型，估算介質光，解算目標光，稱作基于偏振去散射物理模型的偏振成像；第二類是基于介質光和目標光偏振特性差異的偏振成像方法，如偏振選通成像、偏振差分成像、偏振度成像等；第三類是基于目標與介質本身偏振特征的穆勒(Mueller)矩陣成像；第四類是基于偏振光在散射介質中傳播過程的蒙特卡羅(Monte Carlo)數值模擬進行光子分類及成像識別的方法。下面分別介紹這四大類方法的國內外研究現狀。 1.3.1基于光散射模型的偏振成像方法 基于光散射模型的偏振成像方法基于Schechner等建立的光線在大氣中的散射模型，利用光的偏振特性降低大氣中薄霧對成像質量影響的偏振濾波方法。該方法通過分析霧天成像過程中光線的偏振效應，構建了經典的霧天偏振成像模型，如圖1.1所示。 該模型假設霧霾圖像主要由大氣光 (由霧霾環境造成的光 )和目標光(攜帶目標信息的光 )組成。大氣光是造成霧霾中目標圖像質量下降的主要原因。通過獲取成像效果昀優和昀劣兩幅圖像，計算大氣光的偏振度、光強，以及大氣透過率，從而消除介質光，反解獲得清晰的目標圖像，同時獲得目標的深度信息。隨后該課題組對模型中存在的一系列問題進行了優化，利用液晶調制器代替旋轉偏振片增加系統的魯棒性，提出一種自動獲取大氣光參數的算法，并根據大氣光分布連續性修正并濾除反射目標區域的大氣光，可有效提高霧霾中反射目標的成像質量。 張曉玲等采用全圖取單一值的方法估算大氣透過率函數，并利用圖像中昀遠的景物點處的光強度值估算大氣輻射強度，簡化了Schechner提出的霧天偏振成像模型，有效避免了復雜的矩陣運算，使運算速度大幅提高，但是改進后的模型計算出的偏振度值精確性降低，容易使圖像局部位置顏色失真。 Mudge和Virgen在分析了Schechner的成像方法后，指出在利用該方法進行目標探測時需要旋轉檢偏器來尋找兩個昀佳偏振態方向不利于實際應用。為此，他們借助Stokes矢量，并通過計算，獲得大氣光的光強隨偏振方向角的分布曲線(圖1.2)，進而選出昀佳的偏振方向，有效地避免了實際操作中獲取正交偏振圖像時拍攝方向難以確定的問題，提高了算法的適用性。 圖1.2光強隨偏振方向角的分布曲線 王勇等提出一種通過任意三幅偏振圖像獲取Stokes參數，并估算大氣光強度，從而有效改善薄霧天氣下景物視覺效果的方法。該方法操作簡單，普適性強，有利于工程應用。 基于光散射模型的偏振成像在應用時有一個前提假設，即只考慮空氣光的偏振特性，而忽略目標光的偏振特性。因此，該方法并不適用于目標光偏振特性不可忽略的實際場景，特別是目標光的偏振特性強于空氣光的場景。例如，若獲取的場景包含湖水等反射性目標，由于光在湖水表面發生近似鏡面反射，反射光的偏振特性強于背景光的偏振特性，此時該方法不再適用。為此，方帥等通過理論和統計樣本分析，綜合考慮目標光和大氣光的偏振信息來恢復場景信息，利用協方差來計算獲得目標的偏振度，同時為了降低場景中的人工目標對目標偏振度的影響又對目標的偏振度進行優化，提出改進的Schechner霧天偏振成像模型，獲得的場景圖像如圖1.3所示。可見，考慮目標偏振度之后，成像質量得到了明顯提高，獲得的場景更加接近真實場景。 圖1.3場景圖像 邵曉鵬等在該方面開展了系列探索，針對在偏振成像實驗中*優正交子圖像 (*亮圖像與*暗圖像)的精準選擇對目標圖像的復原至關重要這一問題，提出基于光學相關的主動偏振成像技術，通過VLC(Vander Lugt correlator，范德爾盧格特相關器 )，利用頻譜變換自動判別兩幅正交子圖像的相關性，實現了*優正交子圖像的精準計算選取，避免了以往人眼視覺選取的誤差，對偏振相機成像效果的內部優化具有很好的輔助作用；在偏振成像實驗裝置優化基礎上，充分考慮偏振成像的固有噪聲問題，同時考慮目標與背景偏振度對于圖像重建對比度的影響[34]，探究正交子圖像噪聲差對于*終目標圖像重建噪聲的影響規律。圖像噪聲的放大倍數隨背景偏振度與目標偏振度變化曲線如圖 1.4所示。 圖1.4圖像噪聲的放大倍數隨背景與目標偏振度變化曲線 在偏振抑制后向散射光的基礎上， Han等提出前向散射光導致圖像對比度下降的退化模型，通過刀刃法選取合適的圖像區域計算邊緣擴展函數(edge spread function，ESF)，進一步遞推線擴散函數(line spread function，LSF)，*終卷積得到點擴散函數(point spread function，PSF)，即前向散射退化函數，準確還原目標信號。圖1.5所示為經前向散射抑制之后渾濁水體中羽毛球目標，與不經前向抑制處理的成像效果對比，可見圖像質量得到明顯改善。但是，該方法對原始圖像的質量要求較高，適合經過偏振成像處理后目標圖像的二次優化。 圖1.5前向散射抑制前后圖像成像效果對比 他們還以偏振成像設備得到的圖像為數據樣本，對霧霾或渾濁水下偏振圖像進行小波變換，將圖像分解為包含細節的高頻部分與低頻的背景輪廓部分，針對低頻部分采用傳統的偏振去霧模型進行處理，從而提取有效背景參量；針對高頻細節丟失采用系數補償的方式進行調節，高、低頻部分經圖像融合得到目標圖像。該方法針對背景與目標在圖像中的頻譜分布差異，采用不同的處理方法復
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