基于光学相关器的混沌介质偏振图像获取方法

摘要

本发明提出了一种基于光学相关器的混沌介质偏振图像获取方法，旨在提高偏振图像获取的准确性，实现步骤为：采集多幅混沌介质偏振图像，并将这些图像中每两幅偏振状态互相垂直的偏振图像分为一组；采用光学相关器计算每组偏振图像的相关平面；计算每组混沌介质偏振图像中参考图像和目标图像间的相似性评价参数PCE；画出PCE值的变化曲线，并找出PCE值的变化曲线上PCE值最小时对应的一组混沌介质偏振图像。本发明无需精确定位太阳和探测器镜头方向，降低了图像获取的困难程度，且没有人为的将原本不相关的正交的混沌子图像变得有一定的相关性，提高了获取的偏振图像的准确性。

说明书

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，涉及一种偏振图像获取方法，具体涉及基于光学相关器的混沌介质偏振图像获取方法，可用于获取成像效果最好的混浊介质偏振图像用于清晰场景重建。

背景技术

光学相关技术基于4f系统，主要由两种相关器实现，分别为JTC(Joint TransformCorrelator)和VLC(Vanderlugt correlator)。从本质上讲，这两种相关器都需要对图像做傅里叶变换，并在频域对图像进行处理，并最终获取图像的相关平面，并对相关平面进行分析。

JTC主要特征是参考图像与目标图像同时输入光学运算系统，在第一个傅立叶变换平面上记录联合变换功率谱，联合变换功率经过第二次傅立叶后获得一对相关输出。JTC调节简单，但其光能利用率低。

VLC主要特征在第一个傅立叶频谱面放置参考图像的傅立叶变换共轭谱函数，自相关时会在探测面上产生一个很亮的相关峰。VLC在光能利用率、多目标识别等方面有巨大优势。

光波是一种横波，其在自由空间的传播只有横向分量没有纵向分量，光矢量振动方向和传播方向始终互相垂直。其横波特性可用以下参数表征：(1)振幅，(2)波长，(3)光波的振动方向。偏振表征了光波的矢量性，一般人们把偏振理解为电磁矢量的振动方向与传播方向的非对称特性。偏振是光波不同于强度、相位、光谱的另一维属性，一切物体都具有由其表面特性决定的偏振调制特性，也称偏振特性。一切物质，包括大气中各类微粒，在反射、散射和辐射电磁波的过程当中，均会由于自身表面特性如表面粗糙度、纹理等的不同，产生不同的偏振调制能力，即使相同物质，也可能因为受到环境干扰而发生自身状态的改变，而这种改变就会体现在偏振特性的微小差别上。可以说，这种偏振特性是由物质表面特性所决定的物质固有属性。因而，对物体的偏振特性的探测即为偏振成像。

近年来，图像处理技术发展迅速，去除混沌介质对图像影响的方法被广泛研究，在利用偏振信息去除混沌介质对图像影响时，要求获取一组正交的混沌介质偏振图像，即最好偏振图像I_||和最差偏振图像I_⊥。例如Yoav>||，旋转到与之前偏振片透光方向垂直的方向可得最差偏振图像I_⊥，拍摄难度较大。Mudge和Virgen在2013年3月在OSA>||和最差偏振图像I_⊥，此方法需要探测三个方向的偏振方位角图像，并计算出正交的偏振图像，此方法人为的将原本不相关的正交的混沌子图像变得有一定的相关性，造成获得的偏振图像不够准确，重建出的清晰场景效果较差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于光学相关器的混沌介质偏振图像获取方法，通过偏振图像采集装置采集场景的多幅混沌介质偏振图像，并将这些图像中每两幅偏振状态互相垂直的偏振图像分为一组，得到多组偏振图像，利用光学相关器构建每组中两幅偏振图像间的相关性，然后利用参数PCE衡量图像间的相似程度，获取最优的一组混沌介质偏振图像，旨在提高偏振图像获取的准确性。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下步骤：

(1)对采集的多幅混沌介质偏振图像进行分组：采集多幅混沌介质偏振图像，并将这些图像中每两幅偏振状态互相垂直的偏振图像分为一组，得到多组偏振图像；

(2)采用光学相关器计算每组偏振图像的相关平面：

2a)将每组偏振图像中的一幅作为参考图像，另一幅作为目标图像，并对目标图像进行傅里叶变换，得到多个频谱图像；

2b)利用每组偏振图像中的参考图像计算POF滤波器，得到多个POF滤波器，并将每组偏振图像中的参考图像对应的POF滤波器与目标图像对应的频谱图像相乘，得到相关平面；

(3)计算每组混沌介质偏振图像中参考图像和目标图像间的相似性评价参数PCE：

3a)找出相关平面中像素值最大点的位置，并以该点为中心，分别向八个方向各延伸t个像素，得到相关平面的相关峰；

3b)计算相关平面相关峰的能量E_peak和相关平面的能量E_{correlationplane}；

3c)根据相关平面相关峰的能量E_peak和相关平面的能量E_{correlationplane}，计算每组混沌介质偏振图像中参考图像和目标图像间的相似性评价参数PCE；

(4)获取最优的混沌介质偏振图像：

利用各组混沌介质偏振图像中参考图像和目标图像间的相似性评价参数PCE，画出PCE值的变化曲线，并找出PCE值的变化曲线上PCE值最小时对应的一组混沌介质偏振图像，得到成像效果最好的偏振图像。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明由于采用光学相关器计算图像间的相关平面，并根据相关平面，利用参数PCE定量化图像间的相似程度，通过分析参数PCE，获取最优的一组偏振图像，无需精确定位太阳和探测器镜头方向，降低了图像获取的困难程度，且没有人为的将原本不相关的正交的混沌偏振子图像变得有一定的相关性，与现有的混沌介质偏振图像获取方法相比，提高了获取的偏振图像的准确性。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明仿真中使用的偏振雾霾图像示意图；

图3是本发明中的相关平面示意图；

图4是本发明中PCE的变化曲线图；

图5是本发明采用不同偏振雾霾图像获取方法的仿真结果。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。

参照图1，基于光学相关器的混沌介质偏振图像获取方法，包括如下步骤：

步骤1，采集的多幅偏振雾霾图像进行分组，具体实现过程为：搭建偏振成像系统，每隔5°旋转偏振片，并采集不同偏振方位角下该场景的偏振图像，获得36幅偏振雾霾图像，并将这些图像中每两幅偏振状态互相垂直的偏振图像分为一组，得到18组偏振图像。

步骤2，采用VLC光学相关器计算每组偏振图像的相关平面，如图3所示，是本发明中的相关平面示意图：通过计算参考图像和目标图像的相关性，会在相关平面上产生具有一定特征的尖峰，它取决于参考图像和目标图像的相似性，通过如下步骤实现：

步骤2a，将每组偏振图像中的一幅作为参考图像，另一幅作为目标图像，并对目标图像进行傅里叶变换，得到多个频谱图像；

步骤2b，利用每组偏振图像中的参考图像计算POF滤波器，得到多个POF滤波器，具体为：

基于采集的多幅偏振雾霾图像，通过分析参考图像的信息特征，采用POF滤波器对参考图像进处理，POF是经典匹配滤波器的优化版本，此滤波器可使相关平面上出现非常尖锐的峰，稳定性好，其计算公式如下：

其中，u和v表示频率平面的坐标，R^*(u,v)代表参考图像的频谱图像的共轭，|R(u,v)|表示参考图像的频谱图像的模值，*表示共轭运算，||表示取模运算。

步骤3，计算每组偏振雾霾图像中参考图像和目标图像间的相似性评价参数PCE，通过如下步骤实现：

步骤3a，找出相关平面中像素值最大点的位置，并以该点为中心，分别向八个方向各延伸t个像素，得到相关平面的相关峰，具体为：在18组偏振雾霾图像中，任选一组偏振状态互相垂直的图像，并计算出此组偏振图像的相关平面，找出相关平面中像素值最大点的位置，并以该点为中心，分别向该中心点正上方、右上方、右方、右下方、下方、左下方、左方及左上方各延伸t个像素，t的取值范围为正整数，t取不同的值可得到不同的PCE，并画出PCE随着t的变化趋势曲线，然后计算曲线上每个点的切线的斜率，对比这些斜率的大小，找出斜率变化最小时的切点所对应的t值，即可得到相关平面的相关峰，此处计算得到的t为3，则其在相关平面中所占的区域大小为：3×3；

步骤3b，计算相关平面相关峰的能量E_peak和相关平面的能量E_{correlationplane}，其计算公式分别为：

其中，(x₀,y₀)表示相关平面上像素值最大的位置，C(x,y)表示点(x,y)处相关平面相关峰的像素值，t表示设置的相关平面上像素值最大的位置的邻近像素的数目，(N,M)代表相关平面的大小，C(x,y)表示点(x,y)处相关平面的像素值；

步骤3c，根据相关平面相关峰的能量E_peak和相关平面的能量E_{correlationplane}，计算每组偏振雾霾图像中参考图像和目标图像间的相似性评价参数PCE，其计算公式为：

参数PCE表征了两幅偏振图像之间的相似程度，若PCE值较大，则表示目标图像与参考图像之间有较强的相关性，反之，PCE值较小，则表示目标图像与参考图像之间的相关性较弱。

步骤4，获取最好的混沌介质偏振图像，具体为：

利用各组偏振雾霾图像中参考图像和目标图像间的相似性评价参数PCE，画出PCE值的变化曲线，并找出PCE值的变化曲线上PCE值最小时对应的一组偏振雾霾图像，得到成像效果最好的偏振图像，由于PCE的值表征了两幅偏振雾霾图像的相似程度，而在重建清晰场景的过程中，两幅偏振图像的相关性越小，清晰场景的重建效果越好，因而PCE的值最小时，得到的成像效果最好。PCE随着不同组偏振雾霾图像变化的曲线图如图4所示，由图4可看出，第10组图像的PCE值最小，表明此组的两幅偏振图像的相似程度最小，则该组便是要寻找的最优的一组偏振状态互相垂直的雾霾图像。

以下结合仿真实验，对本发明的技术效果进行详细描述：

1、仿真条件及内容：

(1)仿真条件

本发明的仿真实验是在CPU为Intel(R)Core(TM)i3-3220 3.30GHZ、内存4G、WINDOWS7、32位操作系统进行的。采用Matlab2012a软件仿真工具。

本实施例的输入图像为在西安市某区域采集的偏振雾霾图像，图像共包含36幅图像，图像格式为TIF。

(2)仿真内容

采用本发明和现有的利用精确定位太阳和探测器镜头方向的方法及利用斯托克斯矢量计算的方法，对图2所示的偏振雾霾图像分别进行仿真，其结果如图5(a)，图5(b)，图5(c)所示。

2、仿真结果分析

参照图5(a)可以看出，利用精确定位太阳和探测器镜头方向的方法获取两幅偏振状态互相垂直的偏振雾霾图像重建的清晰场景，虽然在一定程度上能够去除雾霾对图像的影响，但是图像的恢复效果很差。

参照图5(b)可以看出，利用斯托克斯矢量计算的方法获取两幅偏振状态互相垂直的偏振雾霾图像重建的清晰场景,图像的色彩恢复的较好，其场景重建结果的图像的色彩恢复的较好，但雾霾对图像的影响仍旧存在。

参照图5(c)可以看出，利用本发明提出的基于光学相关器的混沌介质偏振图像获取方法，所获取的偏振状态互相垂直的偏振雾霾图像重建的清晰场景，可以看出，去雾图像显著提高了原图的对比度和色彩，建筑物更加清晰可见。