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偏振信息測量及其成像處理技術 版權信息
- ISBN：9787030739445
- 條形碼：9787030739445 ; 978-7-03-073944-5
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
偏振信息測量及其成像處理技術 內容簡介
本書針對偏振信息測量和偏振信息處理這兩個偏振成像技術的核心環節，基于作者及其研究團隊多年的研究成果，詳細介紹了偏振信息測量技術的原理以及**的優化測量方法，并介紹了偏振信息處理技術的算法原理及其在偏振圖像去霧、偏振圖像去噪等領域的應用和相關的**研究進展。本書內容包含理論、方法、系統、應用四個層次，具體內容包括：偏振光學、偏振測量、偏振成像的發展歷史；偏振信息的分析方法；偏振信息的測量方法；典型的偏振測量系統的標定方法；典型偏振成像系統的介紹；偏振信息成像處理在各類復雜環境成像中的應用等。
偏振信息測量及其成像處理技術 目錄
目錄
“偏振成像探測技術學術叢書”序
前言
第1章偏振光學的發展歷史1
參考文獻5
第2章偏振信息的測量方法6
2.1偏振信息測量精度的影響因素6
2.1.1噪聲的影響6
2.1.2測量矩陣的影響7
2.2Stokes矢量測量方法7
2.2.1Stokes矢量傳統的測量方法7
2.2.2Stokes矢量物理限制*大似然估計方法11
2.2.3基于采集時間優化的測量方法15
2.3Mueller矩陣測量方法19
2.3.1Mueller矩陣傳統的測量方法19
2.3.2Mueller矩陣物理限制*大似然估計方法23
2.4橢偏參數測量方法25
2.4.1橢偏參數傳統的測量方法26
2.4.2儀器矩陣優化的方法26
2.4.3*小測量次數的方法33
參考文獻43
第3章偏振測量系統的標定方法46
3.1Stokes偏振測量系統的標定方法46
3.1.1傳統系統的標定方法46
3.1.2傅里葉分析的誤差標定法48
3.1.3分焦平面系統的標定方法50
3.2Mueller偏振測量系統的標定方法61
3.2.1傅里葉標定法61
3.2.2特征值標定法62
3.2.3*大似然標定法66
參考文獻73
第4章微光偏振成像技術76
4.1微光環境下偏振成像的內涵和挑戰76
4.2傳統的微光圖像增強方法77
4.2.1基于灰度變換的微光圖像增強方法78
4.2.2直方圖均衡微光圖像增強方法79
4.2.3Retinex微光圖像增強方法80
4.2.4BM3D圖像去噪算法83
4.3深度學習技術86
4.3.1深度學習的基本概念及其在計算成像中的應用86
4.3.2卷積神經網絡90
4.3.3殘差網絡92
4.3.4密集連接網絡93
4.4基于深度學習的偏振圖像去噪技術93
4.4.1偏振圖像數據集的制作94
4.4.2偏振圖像去噪深度神經網絡結構96
4.4.3去噪網絡損失函數的設計99
4.4.4去噪網絡訓練及性能分析99
4.4.5偏振圖像去噪結果及質量評價102
4.5基于深度學習的微光彩色偏振成像技術110
4.5.1低照度彩色偏振圖像數據集的制作110
4.5.2多通道光強-偏振聯合的低照度圖像復原網絡113
4.5.3彩色圖像損失函數的設計114
4.5.4網絡訓練及性能分析116
4.5.5微光偏振成像實驗結果及分析120
4.5.6微光偏振成像外場應用研究125
參考文獻127
第5章散射環境下偏振成像信息處理方法130
5.1水體散射介質下的偏振成像技術130
5.1.1基于偏振差分的水下復原技術131
5.1.2三自由度偏振差分水下成像技術133
5.2基于物理退化模型的水下圖像偏振復原技術139
5.2.1水下成像的基本物理模型139
5.2.2水下成像的偏振特性141
5.2.3水下偏振成像系統的搭建142
5.2.4基于偏振成像的水下圖像復原方法142
5.2.5基于傳輸函數校正的水下散射環境中偏振圖像復原方法147
5.2.6在散射介質中非均勻光場下的偏振圖像復原方法152
5.2.7水下強散射環境中基于圓偏振光照明的圖像聯合復原方法157
5.2.8其他基于偏振模型的水下散射環境灰度圖像復原方法166
5.2.9基于偏振成像的水下圖像色彩復原技術169
5.2.10基于直方圖衰減先驗和偏振模型的水下圖像色彩復原技術179
5.2.11基于深度學習的水下偏振圖像復原技術184
5.3大氣散射介質下的偏振成像技術200
5.3.1基于偏振角的偏振度聯合估計的偏振圖像復原技術200
5.3.2基于單幅圖的“偽偏振”圖像復原技術205
5.4去散射偏振成像系統工程應用研究208
5.4.1水下偏振成像系統208
5.4.2水下偏振成像系統池試209
5.4.3水下偏振成像系統海試212
5.4.4偏振去霧成像系統工程應用214
參考文獻215
第6章總結與展望220
“偏振成像探測技術學術叢書”序
前言
第1章偏振光學的發展歷史1
參考文獻5
第2章偏振信息的測量方法6
2.1偏振信息測量精度的影響因素6
2.1.1噪聲的影響6
2.1.2測量矩陣的影響7
2.2Stokes矢量測量方法7
2.2.1Stokes矢量傳統的測量方法7
2.2.2Stokes矢量物理限制*大似然估計方法11
2.2.3基于采集時間優化的測量方法15
2.3Mueller矩陣測量方法19
2.3.1Mueller矩陣傳統的測量方法19
2.3.2Mueller矩陣物理限制*大似然估計方法23
2.4橢偏參數測量方法25
2.4.1橢偏參數傳統的測量方法26
2.4.2儀器矩陣優化的方法26
2.4.3*小測量次數的方法33
參考文獻43
第3章偏振測量系統的標定方法46
3.1Stokes偏振測量系統的標定方法46
3.1.1傳統系統的標定方法46
3.1.2傅里葉分析的誤差標定法48
3.1.3分焦平面系統的標定方法50
3.2Mueller偏振測量系統的標定方法61
3.2.1傅里葉標定法61
3.2.2特征值標定法62
3.2.3*大似然標定法66
參考文獻73
第4章微光偏振成像技術76
4.1微光環境下偏振成像的內涵和挑戰76
4.2傳統的微光圖像增強方法77
4.2.1基于灰度變換的微光圖像增強方法78
4.2.2直方圖均衡微光圖像增強方法79
4.2.3Retinex微光圖像增強方法80
4.2.4BM3D圖像去噪算法83
4.3深度學習技術86
4.3.1深度學習的基本概念及其在計算成像中的應用86
4.3.2卷積神經網絡90
4.3.3殘差網絡92
4.3.4密集連接網絡93
4.4基于深度學習的偏振圖像去噪技術93
4.4.1偏振圖像數據集的制作94
4.4.2偏振圖像去噪深度神經網絡結構96
4.4.3去噪網絡損失函數的設計99
4.4.4去噪網絡訓練及性能分析99
4.4.5偏振圖像去噪結果及質量評價102
4.5基于深度學習的微光彩色偏振成像技術110
4.5.1低照度彩色偏振圖像數據集的制作110
4.5.2多通道光強-偏振聯合的低照度圖像復原網絡113
4.5.3彩色圖像損失函數的設計114
4.5.4網絡訓練及性能分析116
4.5.5微光偏振成像實驗結果及分析120
4.5.6微光偏振成像外場應用研究125
參考文獻127
第5章散射環境下偏振成像信息處理方法130
5.1水體散射介質下的偏振成像技術130
5.1.1基于偏振差分的水下復原技術131
5.1.2三自由度偏振差分水下成像技術133
5.2基于物理退化模型的水下圖像偏振復原技術139
5.2.1水下成像的基本物理模型139
5.2.2水下成像的偏振特性141
5.2.3水下偏振成像系統的搭建142
5.2.4基于偏振成像的水下圖像復原方法142
5.2.5基于傳輸函數校正的水下散射環境中偏振圖像復原方法147
5.2.6在散射介質中非均勻光場下的偏振圖像復原方法152
5.2.7水下強散射環境中基于圓偏振光照明的圖像聯合復原方法157
5.2.8其他基于偏振模型的水下散射環境灰度圖像復原方法166
5.2.9基于偏振成像的水下圖像色彩復原技術169
5.2.10基于直方圖衰減先驗和偏振模型的水下圖像色彩復原技術179
5.2.11基于深度學習的水下偏振圖像復原技術184
5.3大氣散射介質下的偏振成像技術200
5.3.1基于偏振角的偏振度聯合估計的偏振圖像復原技術200
5.3.2基于單幅圖的“偽偏振”圖像復原技術205
5.4去散射偏振成像系統工程應用研究208
5.4.1水下偏振成像系統208
5.4.2水下偏振成像系統池試209
5.4.3水下偏振成像系統海試212
5.4.4偏振去霧成像系統工程應用214
參考文獻215
第6章總結與展望220
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偏振信息測量及其成像處理技術 節選
第1章 偏振光學的發展歷史 光波的基本信息包括：振幅（光強）、頻率（波長）、相位和偏振態。一直以來，在光學探測領域人們嘗試著獲取盡可能豐富的光學信息，從而提高光學探測的本領，拓展光學探測的功能。作為光波的基本物理信息之一，偏振信息可以提供其他光波信息所不能提供的被測物信息，包括物體的內應力、材質及其表面形貌、形狀、紋路、粗糙度和表面光學特性等。基于光波的偏振現象，進行偏振信息的獲取和處理，可實現獨*的探測和識別功能。目前，偏振光學已經在國防、天文、工業生產、交通、海洋、基礎研究等多個領域得到了廣泛的應用，包括應力測量、偏振遙感、偏振成像探測、橢偏測量、3D電影、液晶顯示等，由此，偏振光學也與我們的生活密切相關。 偏振是指橫波的振動矢量（垂直于波的傳播方向）偏于某些方向的現象[1]。振動方向對于傳播方向的不對稱性稱為偏振，它是橫波區別于其他縱波的一個昀明顯的標志。光波電矢量振動的空間分布對于光的傳播方向失去對稱性的現象稱為光的偏振。在垂直于傳播方向的平面內，包含一切可能方向的橫振動，且平均說來任一方向上都具有相同的振幅，這種橫振動對稱于傳播方向的光稱為自然光（非偏振光）[1-3]。這種振動失去對稱性的光統稱為偏振光。偏振與振幅、波長、相位并稱為電磁波的四大基本屬性。 偏振光學的發展具有悠久的歷史，但與許多其他基本發現一樣，無法追溯何時由誰首次觀察到或使用了偏振光。一位丹麥考古學家在1967年提出，維京人使用晶體作為導航輔助設備，即使在陰天也能觀察偏振的天空以確定太陽的位置。目前，人們已經提出了反對這種維京理論的論據[3]。 1669年，丹麥科學家巴多林（Erasmus Bartholin）報道了光束通過冰洲石（Iceland spar）時會出現雙折射現象，假設向冰洲石照射光束，則這光束會被折射為兩道光束，一道光束遵守普通的折射定律，稱為“尋常光”，另外一道光束不遵守普通的折射定律，稱為“非常光”[4]。巴多林無法解釋這種現象的物理機制。 惠更斯（Christiaan Huygens）注意到這一奇特現象，他在1690年的著作《光論》里，對這一現象有很詳細的論述。他認為，空間可能存在有兩種不同物質，所以才會出現兩道光束，它們分別對應于兩個不同的波前以不同的速度傳播于空間，所以，這不是很稀有的現象，但是，惠更斯又發現，這兩道光束與原本光束的性質大不相同，將其中任何一道光束照射于第二塊冰洲石，折射出來的兩道光束輻 照度會因為繞著光束軸旋轉冰洲石而改變，如圖1.1所示，有時候甚至只會剩下一道光束。惠更斯猜想光波是縱波，他的簡單波動理論并不能解釋這種現象。牛頓（Isaac Newton）猜測，雙折射現象意味著組成光束的粒子具有側面（垂直于移動方向）性質[4]。 圖1.1 冰洲石產生的雙折射現象 馬呂斯（étienne-Louis Malus）（圖1.2）通過實驗觀察發現，日光照射于盧森堡宮的玻璃窗，被玻璃反射出來的光束，假若入射角度達到某特定數值，則反射光與惠更斯觀察到的折射光具有類似的性質，他稱這一性質為“偏振”。他猜想，組成光束的每一道光線都具有某種特別的不對稱性，當這些光線具有相同的不對稱性時，則光束具有偏振性；當這些光線的不對稱性隨機指向不同方向時，則光束具有非偏振性；當在這兩種情況之間時，則光束具有部分偏振性[5]。不單是玻璃，任何透明的固體或液體都會產生這種現象。馬呂斯在觀察反射光時發現，旋轉晶體會使觀察到的光通量發生變化，而變化量與偏振方向和偏振器（方解石）的透光軸之間的夾角的余弦平方成正比。馬呂斯在1809年發表了這一發現，這種余弦平方關系就是馬呂斯定律[6]。馬呂斯因此榮獲1810年法蘭西學術院物理獎。馬呂斯對于偏振現象做出諸多貢獻，被尊稱為偏振光學之父。 圖1.2 偏振光學之父馬呂斯 后來，菲涅耳（Augustin-Jean Fresnel）與阿拉戈（Dominique Fran.ois Jean Arago）合作研究偏振對于楊氏干涉實驗的影響，他們認為光波是縱波，呈縱向振蕩，但是這縱波的概念無法合理解釋實驗結果。阿拉戈告訴楊（Thomas Young）這一問題，楊建議，假若光波是橫波，呈橫向振蕩，則光波可以分解為兩個相互垂直的分量，或許這樣做可以對實驗結果給出解釋。這一建議清除了很多疑點。1817年，菲涅耳與阿拉戈將實驗結果定性總結為菲涅耳 -阿拉戈定律（Fresnel-Arago law），表述處于不同偏振態的光束彼此之間的干涉性質[2]。之后，菲涅耳試圖進一步定量表述這個實驗，他發展出的波動理論是一種振幅表述，主要是用光波的振幅與相位來做分析；振幅表述能夠定量地解釋偏振光的物理性質；但非偏振光或部分偏振光不具有穩定的振幅與相位，無法用振幅表述給予解釋[6]。 1852年，英國數學家和物理學家斯托克斯（George Gabriel Stokes）（圖1.3）提出一種強度表述，能夠描述偏振光、非偏振光與部分偏振光的物理行為；只需要使用四個參數，就可以描述任何光束的偏振態，后來稱為Stokes參數（Stokes parameter）。這四個參數可以直接測量獲得[2]。 圖1.3 斯托克斯 龐加萊（Jules Henri Poincaré）是法國著名數學家，他在數學、天文學和物理學的許多領域都做出了貢獻。在偏振光學中，他的名字與龐加萊球有關。龐加萊球是一個可在其上表示任何偏振態的三維表面。1892年，龐加萊在他的著作Théorie Mathématique de la Lumière中描述了這種表示形式。顯然，龐加萊并不了解 Stokes參數，因為他沒有在直角坐標系中用 Stokes參數表示球面，而后者是我們今天經常使用的一種表示方式。 瓊斯（R. Clark Jones）（圖1.4（a））在1941年～1956年的Journal of the Optical Society of America上發表的八篇論文中，提出了以他的名字命名偏振元件矩陣形式的數學框架，奠定了以瓊斯矢量（Jones vector）和瓊斯矩陣（Jones matrix）對偏振光的描述方式[7]。 偏振數學中的Mueller矩陣（Mueller matrix）是以麻省理工學院的物理學教授勒（Hans Mueller）（圖1.4（b））的名字命名的。舒克利夫（Shurcliff）認為勒在1943年的課程筆記和之前的政府報告中發明了Mueller-Stokes形式。勒的一名學生Parke在1949年的一篇論文中提到了Mueller矩陣，這也許是這種命名法的首次使用[8]。 圖1.4 偏振光學發展史中的兩位重要人物 偏振光學在光學的發展史中具有舉足輕重的地位。拉姆福德獎章于1800年由皇家學會發起，在偶數年頒發，也有些年份并沒有設置獎項。皇家學會頒發的拉姆福德獎章的聲明如下：拉姆福德獎章每兩年（甚至數年）頒發一次，以表彰*近在歐洲工作的科學家完成的在物質的熱學或光學性質領域的重要發現。拉姆福德關注能夠造福人類的公認發現。這一獎項表彰了偏振研究歷史上重要的八個人。下面列出了從馬呂斯到麥克斯韋等八位科學家的獲獎名單。斯托克斯因定義了Stokes參數之后的工作而獲得了該獎[9]。 1810年（第4屆）馬呂斯。為了表彰其在 Memoires d’Arcueil第二卷中發現的反射光的某些新特性。 1818年（第7屆）布儒斯特。為了表彰其與光的偏振有關的發現。 1824年（第8屆）菲涅耳。為了表彰其對應用于偏振光現象的波動理論的發展，以及其在物理光學領域的許多重要發現。 1840年（第12屆）畢奧。為了表彰其在光的圓偏振方面和相關的研究。 1846年（第14屆）法拉第。為了表彰其發現的由磁體和電流在某些透明介質中作用而產生的光學現象，相關細節發表在他的電學實驗研究的第19系列中，并插入在1845年的 Philosophical Transactions和 Philosophical Magazine中。 1850年（第16屆）阿拉戈。為了表彰其對偏振光的實驗研究。 1852年（第17屆）斯托克斯。為了表彰其發現的光的可折射性變化。 1860年（第21屆）麥克斯韋。為了表彰其對色彩組成和其他光學領域論文的研究工作。 偏振光研究是光學研究發展中的重要組成部分。從偏振光學在1669年首次報道至今的300多年里，偏振中使用的大多數工具和理論公式都已完備。過去50年見證了探測器技術、電子學、光纖和集成光學技術、制造技術和計算機的發展，當下可以被視為數據收集和應用的時代。隨著科學研究的不斷深入，偏振光的原理及應用越來越受到人們的關注，對社會發展和進步起到越來越重要的作用。 偏振信息作為光波的四大基本信息之一，包含著獨*的物理信息，對偏振信息的高精度測量在諸多領域有著廣泛的應用。偏振光學應用的核心基于偏振信息的測量和處理。因此，在偏振光技術領域的研究，集中在偏振信息測量和偏振成像信息處理這兩個核心環節。在偏振信息測量領域，高測量精度是始終的追求。在偏振成像信息處理領域，以提升成像質量為目標的偏振信息優化處理方法是主要的發展方向。本書將針對偏振測量和偏振成像這兩大環節，介紹其基本理論和昀新的研究進展。 參考文獻 [1]廖廷彪. 偏振光學[M].北京: 科學出版社 ，2003. [2]Goldstein D H. Polarized Light[M]. New York: CRC Press，2017. [3]Pye J D. Polarised Light in Science and Nature[M]. New York: CRC Press，2015. [4]Whittaker E T. A History of the Theories of Aether and Electricity from the Age of Descartes to the Close of the Nineteenth Century[M]. New York: Longmans， Green and Company，1910. [5]Driggers R G. Encyclopedia of Optical Engineering[M]. New York: CRC Press，2003. [6]Buchwald J Z， Robert F. The Oxford Handbook of the History of Physics[M]. London: OUP Oxford Press，2013. [7]Yeh P. Extended Jones matrix method[J]. JOSA，1982，72（4）:507-513. [8]Parke N G. Optical algebra[J]. Journal of Mathematics and Physics，1949，28（1-4）:131-139. [9]李多， 楊婷， 劉大禾. 從諾貝爾物理學獎看光學的發展[J].大學物理 ，2006，25（5）:42.
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