基于稀疏低秩特性的水下非均匀光场偏振成像技术研究

针对浑浊水体偏振成像时由于强散射作用导致的背景散射光分布不均匀且目标信息被淹没,无法有效解译,难以实现清晰化成像的问题,提出基于稀疏低秩特性的水下非均匀光场偏振成像技术.该技术利用散射光场中偏振信息的共模抑制特性消除非均匀性,结合水下散射光场中背景信息纹理单一、信息相关性高以及目标信息空间占比小的特点,建立偏振域的稀疏-低秩信息分析处理模型,有效分离目标和背景信息,重建高对比度清晰目标图像.实验结果表明,基于稀疏低秩特性的水下非均匀光场偏振成像技术不仅能够有效地提升浑浊水下图像的对比度,复原细节信息,而且能够有效地抑制非均匀强散射,在水下偏振成像领域具有良好的应用前景.     

基于双层多指标优化的水下偏振成像技术

无先验水下主动偏振成像方法能够实现目标信息光偏振度和后向散射光偏振度的自动获取,但该方法在反演过程中仅追寻高对比度这一单一指标,有时会导致自动获取的两项偏振反演参数过于相近,使图像复原效果不理想,且常伴有大量噪声.针对上述仅追求单一指标导致复原图像质量不理想的问题,本文提出一种基于双层多指标优化的水下偏振成像方法.首先,第1层以互信息和对比度为目标函数,基于多目标遗传优化算法自动获取偏振参数最优解集;其次,选择信息熵为第2层目标函数,遍历最优解集,获取偏振参数最终解,并将其代入成像模型,获取复原图像;最终,根据所获偏振参数之差,选取适当数字图像处理手段进一步提升复原图像质量.实验结果表明,无论背景区域存在与否,无论目标物偏振度高低,本方法均能有效增强图像细节,平衡各项图像质量评价指标,得到综合质量较高的复原图像.     

一种全局参数估计的水下主动偏振去雾算法

为改善水下主动光照明条件下后向散射光对成像的影响，通过分析水下主动偏振成像模型，提出一种基于拟合函数的全局参数估计的水下主动偏振去雾算法。该算法结合图像增强作为图像预处理，再设定二元多项式函数，利用最小二乘法进行后向散射光偏振度变量的拟合求解，得到对比度更高、信息更丰富的水下复原图像。实验结果表明:该算法可有效改善主动光照明条件下的水下图像质量，提高图像对比度，复原被淹没的细节信息，复原图像的图像增强测量值较以往算法相比提升70%，且能适用于不同浓度介质的情况。     

烟雾环境下的偏振差成像方法

基于激光主动成像的烟雾环境下的目标探测具有重要研究意义,有效抑制光的散射作用是提高烟雾环境下成像质量的关键。根据光的偏振理论,仿真分析了光子单次散射的偏振特性与散射角的变化关系,并利用蒙特卡罗方法模拟了光在烟雾环境中传输的偏振特性,提出了利用偏振差法来抑制光散射作用,最后进行了简单的成像实验。结果表明,光在烟雾中传输时散射光主要由小角度散射光构成,仍然保留了初始激光的部分偏振特性,相比于直接灰度成像,偏振差法能够有效滤除小角度散射光的影响,增强成像目标的细节信息和图像的对比度。     

浅海被动水下偏振成像探测方法

针对传统被动水下偏振成像方法忽略水体对光的吸收效应,成像结果中存在严重的色彩失真,且并未深入发掘利用背景散射光中包含的场景信息的问题.提出浅海被动水下偏振成像探测方法,该方法从水体中背景散射光的传输特性出发,分析场景深度信息与散射光的物理关系,建立基于深度信息的水下Lambertian反射模型,实现无色彩畸变的水下目标场景清晰成像探测.实验结果表明,该方法能够提供接近水下目标真实色彩、符合人眼视觉特性的清晰探测结果,提高水下成像探测能力.     

基于频谱信息的浑浊水下偏振成像技术

水体中悬浮粒子对光的散射导致浑浊水下成像质量下降。偏振光学成像技术可基于偏振信息分离散射光和信号光,是浑浊水下成像的有效方法。然而,现有的水下偏振成像技术主要从空域分离散射光和信号光,对于散射光的抑制效果较为有限。利用散射光和信号光在频域的差异性,基于对偏振图像频谱信息的处理实现了对后向散射光的有效抑制,从而实现了成像清晰度的显著提升。在不同浑浊程度水体环境下对于不同物体开展了多组实验,实验结果表明,所提方法相对于传统的水下偏振成像方法可更好地抑制后向散射光和凸显物体信号光,最终实现在浑浊水体环境下的清晰成像,尤其对于高浑浊水体,成像清晰度提升效果明显。     

水下目标物偏振成像特性研究

偏振图像比传统强度图像包含更丰富的物体表面反射及散射信息。用萨尔萨(SALSA)相机在自然光照下获取水下偏振图像，研究不同材质物体、放置深度、牛奶浓度及波段因素对水下目标物偏振成像的影响。结果表明:蓝色波段偏振成像能够较好地获取水下物体的边界轮廓等信息; 不同材质的目标物在水下呈现不同的偏振特性, 紫铜偏振度最高达0.69;在1.40 mg/L牛奶浑浊度的水下，偏振图像仍能通过比较目标物的偏振度(degree of polarization，DOP)信息来检测出水下目标物，瓷片的DOP仅降低0.31;此外，在水下约40 cm深度下，偏振成像获取的图像比强度图像轮廓更为清晰，如铁的偏振对比度比强度对比度高5.26%。     

分级多尺度变换的水下偏振图像融合法

提出了一种分级多尺度融合的水下偏振图像处理方法.首先,利用非负矩阵分解对偏振参量图像进行融合增强,得到所含局部特征信息完整且冗余度低的偏振参量融合图像;在此基础上,基于二维经验模式分解分别将偏振参量融合图像与偏振强度图像进行多尺度变换,对得到的高低频子图像分别进行加权平均融合,融合权重是采用穷举搜索法计算得到;最后,将高低频融合结果反变换得到最终融合图像.实验仿真结果表明该融合方法在增强图像细节信息及提高水下偏振图像对比度方面具有显著效果.     

高对比度目标的电磁逆散射超分辨成像

提出了一种适用于高对比度目标的超分辨成像方法,通过结合对比度源反演方法与基于轨道角动量的超分辨技术,实现对高对比度目标的超分辨成像.首先采用基于轨道角动量的成像方法求解出对比度函数,将其作为对比度源反演方法的迭代初值,虽然初值结果与实际目标相差较大,但是由于初值中已经包含了关于目标的倏逝波信息,再利用这个初值开始迭代便可以得到超分辨重建结果,这种方法具有一定的抗噪声能力.本文研究表明,为了实现超分辨成像,一方面需要将目标对应的倏逝波信息转化到测量数据中,另一方面还要保证成像算法能够充分利用这些信息.本文所引申出的关于超分辨信息的概念对于逆散射超分辨成像的研究具有一定的借鉴意义.     

Reconstruction method of computational ghost imaging based on non-local generalized total variation北大核心CSCD

鬼成像是一种能够透过大雾等恶劣环境的成像技术。针对传统鬼成像重建图像存在噪声较多、图像对比度较低等问题,将非局部广义全变分方法用于鬼成像的图像重建之中,提出基于非局部广义全变分的计算鬼成像重建方法。所提方法构造了一种非局部相关性权重设计梯度算子,将其代入全变分重建算法中,使得重建的图像能有效去除噪声的同时实现细节较好的还原。首先在不同条件下进行仿真模拟,得到所提方法的峰值信噪比相对其他方法提升1 dB左右,且具有更好的主观视觉效果,进而设计并搭建实验平台对算法的有效性进行验证,实验结果证明了所提方法在去除噪声和细节重建等方面的优越性。     

基于Stokes矢量的实时偏振差分水下成像研究

偏振差分水下成像能够有效地克服光散射效应造成的图像退化问题, 在水下物体探测与识别领域具有重要应用价值. 传统的偏振差分方法靠光学检偏器的无规则机械转动来实现对散射背景的共模抑制, 限制了其在水下成像过程中的实时探测性能. 本文通过分析偏振差分探测原理来建立偏振差分成像模型, 从理论上提出了基于Stokes矢量的计算偏振差分水下实时成像系统, 并进行了实验验证. 研究结果表明, 基于Stokes矢量的计算偏振差分成像不仅与传统的偏振差分方法具有相同的水下探测效果, 更重要的是可以实现快速成像过程. 该方法可以应用到目前的偏振成像仪器系统, 实现无需人-机互动的自动化实时偏振差分水下成像, 进一步提高水下物体探测与识别的效率.     

一种分焦平面偏振成像系统光源标定方法北大核心CSCD

水下偏振成像技术是目前水下成像研究的热点,由于自然光在水中衰减大,水下成像系统多采用主动照明方式。针对分焦平面偏振成像系统中偏振照明光源与偏振探测像元偏振方向不匹配引起采集图像偏振信息存在的偏差,进而影响目标图像增强质量的问题,提出了一种分焦平面偏振成像系统光源标定方法。阐述了偏振光源的标定原理,然后给出偏振光源标定的实施步骤,最后采用偏振去雾算法和图像质量评价方法对标定前后的水下目标图像进行了图像增强和图像质量评价。评价结果表明,标定后的增强图像质量优于未标定的增强图像质量,平均梯度最大提升了2.48倍。该标定方法简单有效,实用性强,适用于分焦平面偏振成像系统偏振光源标定。     

高斯型弱散射屏产生的像面散斑场的分布特性研究

弱散射屏产生的远场散斑由一个中央亮斑和一个分布于亮斑周围而与正态散斑类似的散斑结构, 根据弱散射屏远场的散斑图样, 人们假设弱散射屏产生的像面散斑为均匀背景与正态散斑两者相干叠加的结果, 但这种假设与实际像面散斑存在歧异, 基于上述情况, 本文利用4f高通滤波光学成像系统, 研究了高斯型弱散射屏产生的像面散斑场的统计特性, 得出只有表面均方根粗糙度与入射光波的波长相差不多时上述假设才是可行的结论. 关键词： 弱散射屏 f光学成像系统')" href="#">4f光学成像系统 像面散斑     

不同光照条件下水下成像背景光的建模与研究

由于光在水中传输时的衰减和散射效应, 水下成像系统通常很难达到令人满意的成像效果, 而成像过程中由于光散射产生的背景光则是造成水下图像退化的主要原因. 本文对自然光照和人工光照两种不同光照条件下的水下成像背景光进行了建模和仿真分析. 结果显示: 自然光照下的无穷远处背景光与衰减系数成反比, 与散射系数成正比; 人工光照下的无穷远处背景光则与衰减系数、散射系数和相机-光源距离有关. 两种光照条件下的背景光都可以用无穷远处背景光的指数衰减表达式来表示. 水下图像背景光的强度主要与水体光学参数、相机-景物的距离、相机-光源的距离及相机成像角等因素有关. 本文的研究结论不仅可用于水下成像系统的设计与优化, 也可用来从水下图像背景光中估计水体光学参数、相机-景物距离等图像信息.     

国家自然科学基金(40776059)资助

为了克服水下探测中后向散射光背景噪音的影响,提出了非均匀光场水下探测方法,推导得出非均匀光场的照度分布函数与接收口径、目标与接收器的距离以及海水的体积衰减系数几个因素有关.通过搭建集束光水下图像系统,对其产生的非均匀光场的分布特性和水下探测特性进行了水池实验.观测结果为,在0.6倍能见度下,可分辨1 mm细节,在1倍能见度时,可分辨目标轮廓,在1.5倍能见度时,可探测到目标.结果证明,该系统具有宽视角、全景深、图像清晰度高等特点.     

Divergent-beam Lidar imaging in turbid water

Although there are rapid developments of underwater robotics vehicles in recent years, the underwater visual sensing or/and underwater imaging is still regarded as a major undertaking challenge, particularly in turbid water condition. Currently, a divergent-beam underwater Lidar imaging (UWLI) system has been finished and it precisely captured nano-seconds fast-gated images in highly turbid water. This permits the receiver to collect only the image-containing light pulse returned by the target and thus reduce the water-scattering related noise of underwater image dramatically. The end result is greatly improved intensity and contrast of the detected images. Based on our newly designed series targets, we are the first to successfully demonstrate UWLI in such a short 3 m water tank, and show the fast range-gated phenomenon in water much more clearly. The attenuation coefficients in turbid waters are 1.0 m and 2.3 m⁻¹, respectively.     

X-ray phase-sensitive microscope imaging with a grating interferometer: Theory and simulation

A general theoretical framework is presented to explain the formation of the phase signal in an x-ray microscope integrated with a grating interferometer, which simultaneously enables the high spatial resolution imaging and the improved image contrast. By using this theory, several key parameters of phase contrast imaging can be predicted, for instance, the fringe visibility and period, and the conversion condition from the differential phase imaging (DPI) to the phase difference imaging (PDI). Additionally, numerical simulations are performed with certain x-ray optical components and imaging geometry. Comparison with the available experimental measurement [Appl. Phys. Lett. 113 063105 (2018)] demonstrates the accuracy of this developed quantitative analysis method of x-ray phase-sensitive microscope imaging.     

基于梯度和小波变换的水下距离选通图像去噪

水体的散射效应、激光光斑、成像器件的非理想化等因素使得图像出现大量无规律粒状噪声,它们增加了水下距离选通图像的背景噪声,模糊了目标轮廓,掩盖了目标细节,降低了图像的信噪比。针对上述问题本文提出了一种基于梯度和小波变换的去噪方法。首先对图像进行余弦小波变换,得到不同频率空间的图像集。低频空间引入新的图像梯度强化方法以提高图像的纹理信息量;对应非均匀性条带的LH或HL空间做曲面拟合处理以消除非均匀性条带的影响;在HH空间去噪过程中,低层空间做非局部均值处理以保留图像相似信息,高层空间做分数阶积分处理以保留图像细节信息。最后小波逆变换得到结果图像。从实验水槽中采集水下图像进行算法验证,将改进方法与已有算法比对分析。实验表明,本文所研究的水下去噪算法,能够平滑噪声且更大限度地保留图像细节纹理,在客观评价指标上提升了6%。