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解決方案

偏振光學(xué)成像去霧:“擦去”照片上的霧霾

星之球科技 來源:中國光學(xué)期刊網(wǎng)2017-04-26 我要評論(0 )   

隨著污染的日益嚴(yán)重,霧霾現(xiàn)象越來越普遍,在霧霾天氣影響下,光學(xué)成像系統(tǒng)的能見度和所采集圖像對比度均大幅度降低。如何恢復(fù)和提高霧霾氣象條件下的光學(xué)成像質(zhì)量,即...

隨著污染的日益嚴(yán)重,霧霾現(xiàn)象越來越普遍,在霧霾天氣影響下,光學(xué)成像系統(tǒng)的能見度和所采集圖像對比度均大幅度降低。如何恢復(fù)和提高霧霾氣象條件下的光學(xué)成像質(zhì)量,即去霧技術(shù),逐漸成為了一個研究熱點。

目前,去霧技術(shù)主要分為兩大類:1)圖像處理去霧技術(shù),通過對光學(xué)系統(tǒng)采集的圖像進(jìn)行增強(qiáng)或復(fù)原操作,提高圖像的質(zhì)量;2)光學(xué)去霧技術(shù),通過對光學(xué)成像系統(tǒng)的改造和成像算法的優(yōu)化,減小霧霾對成像質(zhì)量的影響。
 
基本原理
 
其中,光學(xué)去霧技術(shù)通過對光學(xué)成像系統(tǒng)進(jìn)行改造,采集多幅含有不同光學(xué)特征的同一場景圖像,從多幅圖像中獲取目標(biāo)反射光信息和大氣光信息并將其分離,進(jìn)而通過算法融合出一幅復(fù)原后的去霧圖像。由于霧霾等散射顆粒散射太陽光形成的大氣光都具有部分偏振特性,因此,偏振光學(xué)成像去霧(效果如圖1)適用于各種場景的各類霧霾天氣,應(yīng)用范圍廣泛,成為研究熱點之一。


(a) 霧霾圖像 (b) 去霧效果圖  圖1 偏振去霧效果

偏振光學(xué)成像去霧技術(shù)主要分為被動偏振光學(xué)成像去霧技術(shù)和主動偏振光學(xué)成像去霧技術(shù)。
 
被動偏振光學(xué)成像去霧技術(shù)主要基于霧霾氣象狀況下的大氣物理退化模型(如圖2所示),從采集的多幅不同偏振方向的圖像中精確估算大氣光強(qiáng)和無窮遠(yuǎn)處大氣光強(qiáng)兩個關(guān)鍵參數(shù),反演退化過程,獲得退化前的場景清晰圖像。對于霧霾氣象環(huán)境而言,一般采用被動偏振光學(xué)成像去霧技術(shù)。
 
 
圖2 大氣物理退化模型示意圖(場景目標(biāo)反射光強(qiáng)(L)經(jīng)過霧霾區(qū)域,會受到霧霾顆粒的強(qiáng)散射和吸收作用,到達(dá)探測器的直接透射光強(qiáng)(D)隨傳輸距離呈指數(shù)衰減)
 
主動偏振光學(xué)成像去霧技術(shù)不考慮大氣物理退化模型,根據(jù)主動光在散射介質(zhì)中的偏振傳輸特性進(jìn)行清晰成像。例如水下環(huán)境,其衰減系數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于霧霾環(huán)境且環(huán)境光照較弱,在這種情況下,采取主動成像方案就成為了比較常規(guī)的選擇。
 
特點
 
偏振光學(xué)成像去霧技術(shù)經(jīng)過了二十多年的發(fā)展,理論上已經(jīng)較為成熟,實驗上得到了良好的去霧效果,環(huán)境適應(yīng)性和算法可靠性也都得到了證明:
 
1、Mie氏散射條件,這意味著偏振光學(xué)成像去霧技術(shù)的適用范圍廣;
 
2、偏振光學(xué)成像去霧技術(shù)從偏振光物理模型出發(fā),保證了目標(biāo)和場景信息的真實性和保真度,具有良好的去霧成像效果;
 
3、與圖像處理去霧技術(shù)不同,偏振光學(xué)成像去霧技術(shù)不需要通過像素間灰度值的關(guān)系判斷目標(biāo)和噪聲,因此,濃霧霾天氣條件下的去霧效果更有優(yōu)勢;
 
4、算法相對簡單,實時性好。
 
偏振光學(xué)成像去霧技術(shù)一直以來都是以應(yīng)用為目標(biāo)的,實用化將是其主要的發(fā)展趨勢。偏振光學(xué)成像去霧技術(shù)想要實現(xiàn)實用化,除了對偏振去霧算法進(jìn)行優(yōu)化,最大的挑戰(zhàn)來自于偏振成像系統(tǒng)的硬件配套,將偏振去霧算法與偏振光學(xué)成像系統(tǒng)的有效結(jié)合是偏振光學(xué)成像去霧技術(shù)得以實用化的關(guān)鍵。與強(qiáng)度型光學(xué)相機(jī)接收光強(qiáng)度信息一樣,目標(biāo)反射光偏振信息的獲取需要由偏振光學(xué)成像系統(tǒng)來完成。
 
研究進(jìn)展
 
2001年,美國哥倫比亞大學(xué)的Schechner等提出了偏振光學(xué)成像去霧技術(shù),首次將光波的大氣物理退化模型引入偏振去霧處理中,獲得了高質(zhì)量的去霧圖像。
 
2011年,廈門大學(xué)的張曉玲團(tuán)隊在偏振差分成像去霧技術(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合了圖像處理去霧技術(shù),得到了較好的去霧效果。該技術(shù)也被證明了可以很好地應(yīng)用于水下去散射成像應(yīng)用領(lǐng)域。
 
2015年,長春理工的段錦團(tuán)隊將基于Stokes矢量(即一種用光的強(qiáng)度信息描述偏振特性的探測方法)的偏振成像去霧技術(shù)與基于偏振差分的偏振成像去霧技術(shù)進(jìn)行了對比,發(fā)現(xiàn)前者在去霧圖像對比度復(fù)原方面更好,且對于彩色圖像偏振去霧而言,能見度可提升70%以上。
 
近幾年,中科院西安光機(jī)所研究團(tuán)隊在實用化方面開展了深入的研究工作,研制出了小型化的全偏振態(tài)同時探測實時彩色偏振相機(jī),并開展了實時偏振去霧的相關(guān)研究工作。圖3所示為偏振相機(jī)及拍攝輸出的偏振圖像。

偏振光學(xué)成像去霧:“擦去”照片上的霧霾
偏振光學(xué)成像去霧:“擦去”照片上的霧霾
圖3 偏振相機(jī)及拍攝輸出的偏振圖像
 
總之,偏振光學(xué)成像去霧技術(shù)具有獨特的優(yōu)勢,但同時在實用性上也面臨著巨大的挑戰(zhàn),還有很多關(guān)鍵問題亟待解決。相信在不久的將來,偏振光學(xué)成像去霧技術(shù)會走入人們?nèi)粘I?,為人們生活帶來極大的便利。
 

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霧霾天氣光學(xué)去霧
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