热红外偏振成像技术在目标识别中的实验研究

简要分析了热红外偏振探测与热红外强度探测在物理含义方面的区别,由此提出了一种利用偏振信息在红外图像中识别目标的新方法。通过热红外偏振成像系统获得了目标的偏振图像,并由计算机提取出了图像中的偏振信息。由于目标与自然背景的热红外偏振特性有较大的差异,所以通过分析这些信息,可以更好的识别目标。实验结果表明,该方法不仅可以很好地识别自然背景中的人造目标,而且对热红外伪装目标的识别也很有效。     

基于偏振信息的遥感图像大气散射校正

大气散射严重影响了航空遥感图像的质量。为了提高航空遥感图像的识别能力,提出一种基于偏振信息的航空遥感图像大气散射校正方法。大气散射具有显著的偏振特性,而对于垂直探测的地物辐射信号偏振度非常低,该方法正是利用大气散射偏振特性与地物目标偏振特性的差别,从图像中提取地物目标辐射信息,从而提高遥感图像的质量。通过机载多波段偏振CCD相机获取航空偏振遥感图像数据,并采用一组443 nm波段的航空偏振图像数据进行图像大气散射校正实验,实验结果表明该方法能有效地进行航空遥感图像的大气散射校正,从而提高了航空遥感图像的识别能力。     

基于偏振光谱成像的目标识别方法研究

为提高伪装目标识别的准确性,提出将光谱信息与偏振信息相融合的伪装目标识别方法。基于液晶可调谐滤光片（LCTF）搭建了偏振光谱成像系统,通过实验对绿色植物中隐藏的假植株进行偏振光谱探测实验。利用主成分分析法（PCA）对各偏振方向的目标光谱图像进行波段选择,获取对应的光谱融合图像后进行偏振度计算,最终得到被测目标的偏振光谱融合图像。实验结果表明:得到的偏振光谱融合图像与光谱融合图像相比,信息熵提高了72%,平均梯度提高了250%。     

基于最大和最小光强图像的偏振去雾方法

相对于传统光学探测技术，偏振探测在目标探测、识别方面有着独特的优势。针对雾、霾等天气下图像退化的问题，提出一种利用偏振信息的图像去雾方法，通过获取3个角度下目标的偏振图像，求解出场景目标的斯托克斯矢量，从斯托克斯矢量与穆勒矩阵的关系出发，分析偏振图像光强随着偏振角度的变化规律，获取最大和最小光强下的正交偏振图像，利用偏振滤波和亮通道先验方法分别估算大气光偏振度和其无穷远处大气光强值，最终重构出无雾图像。实验结果表明，在雾霾天气下，利用获取的正交偏振图像能够重构出清晰的图像，且重构图像的平均梯度和边缘强度均提升了约3倍，灰度标准差提升了约88%。     

多尺度水下偏振成像方法

水下偏振成像技术利用散射光偏振特性能够有效提高水下成像质量,在水下目标探测和识别领域具有重要应用价值.针对该技术在背景散射光和目标信息光分离时由于噪声放大现象导致重建图像质量受限的问题,提出多尺度水下偏振成像方法.该方法利用图像分层处理思想,结合小波变换的多尺度特性,对体现图像高对比度的基础层和低对比度但细节信息丰富的细节层分别进行处理,重建高对比度、高信噪比的清晰场景图像.实验结果表明,多尺度水下偏振成像方法不仅能够大幅提高对比度,复原图像细节信息,而且能够有效抑制放大噪声,提高重建图像的信噪比,在水下偏振成像领域具有良好应用前景.     

引信红外偏振成像探测机理及关键技术

目标处于复杂场景时会对目标探测带来负面影响的干扰,会给目标识别带来了很大的影响。红外偏振成像探测是利用人造目标与自然目标以及真实目标与伪装目标的红外辐射偏振特征的差异来提高目标识别效果的。在复杂背景下识别和攻击目标是引信智能化的重要体现,因此探讨如何将红外偏振探测技术应用于引信是十分必要的。在分析红外偏振成像探测机理的基础上,对该技术用于引信的关键技术问题进行了分析,为引信红外偏振成像探测的研究奠定了基础。     

偏振图像的探测及处理

利用CCD探测物体反射光的偏振信息,再通过适当的图像变换,得到物体的偏振图像。通过和物体原光强图像相比,可看出物体的偏振图像具有普通成像技术所不具有的优势,在目标识别、植被探测等方面都具有广泛的应用前景。在主要进行的三组实验中,不同情况下的植被树叶被作为对象并拍摄了它们的偏振图像,并通过与树叶光强图像的对比,显示了偏振图像的优势所在。     

利用目标和大气偏振信息的雾天图像重构方法

结合目标偏振信息和大气偏振信息的差异, 提出了一种利用目标和大气偏振信息的雾天图像重构方法。首先, 从光强图像中分离大气光图像和目标光图像, 分别解析大气光偏振信息和目标光偏振信息, 构建偏振去雾模型。然后, 采用融合图像梯度信息的高斯滤波方法估算大气光强和目标光强, 并分别计算大气光偏振度和目标光偏振度。采用3σ法则阈值分割方法, 在大气光图像空间内估算无穷远处大气光强。最后, 重构出目标图像。在不同天气环境下开展外场实验, 结果表明, 该方法在雾霾、雨、雪天气下能够较好地恢复出目标信息, 重构后图像的信息熵提升约40%, 灰度标准差提升了约90%, 平均梯度和边缘强度提高了3倍。     

基于偏振信息探究水下环境气泡群对目标成像的影响

水下光学成像是海底探索和目标识别的一个重要方式.由于海浪、船舶尾流以及海洋生物游动与呼吸等原因,存在着大量的气泡.气泡群的光散射作用往往会使水下目标成像效果受限、难以识别,并且一般的光学技术难以消除气泡对成像的影响.针对上述问题,本文先从理论上推导和仿真了入射光线在水下单气泡、气泡群中以及目标表面的光强和偏振信息的变化;然后在构建了水下气泡实验平台的基础上探究了光源入射角度的改变以及成像波段的变化对气泡环境中目标偏振成像的影响;研究了不同金属材质目标物的强度和偏振信息的变化趋势;分析了水下目标在不同气泡群厚度条件下强度和偏振信息的变化趋势;最后利用偏振特征提取与视觉信息保留的图像融合方法抑制气泡对水下目标成像的影响.实验结果显示气泡群中目标成像会受到多种因素的影响,利用偏振图像融合方法会使气泡群受到较好的抑制,并提高了水下目标的清晰度.     

基于偏振菲涅尔反射比分布的主动偏振成像目标辨别方法

由于偏振特性是材料自身所决定的物理特性,其偏振图像含有丰富的目标信息,利用偏振信息对目标进行识别一直是国内外目标探测领域的研究热点,而主动偏振成像较之被动偏振成像更具有信噪比高以及可控性好等优势。在详细分析了偏振菲涅尔反射比分布的理论基础上,提出了一种利用探测物体表面的偏振菲涅尔反射比的主动偏振成像方法。该方法在发射端将偏振方向正交的两种偏振态的光源交替照射到目标场景中,在探测端用分别装有两个偏振方向垂直的偏振片的CCD采集偏振图像。同时,将探测端架构在不同的探测方向采集目标经主动光源照射后的偏振数据,最后将这些数据传输到计算中心,通过最优化拟合技术反演出不同目标的光学常数,由于不同目标的表面材质不同,其反映出的光学常数就不同,从而达到辨识不同材质目标的目的。实验分别采用了仿真数据和实测数据来验证该方法的有效性。仿真实验显示,所提出的方法利用材料的光学常数对不同材料进行区分不仅是科学的而且更方便有效。实测数据进一步验证了该方法能够较好的恢复出目标的相关光学常数,尤其在区分金属和非金属材料方面表现突出,并且探测方法结构简单实用,在目标探测、伪装识别等领域中有较大应用前景。     

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%。     

Single-shot polarization-imaging digital holography based on simultaneous phase-shifting interferometry

We propose single-shot digital holography which is capable of simultaneously capturing both the information of multiple phase-shifted holograms and the distribution of the polarization. In this technique, a single image sensor records both the information required for phase-shifting interferometry and that of the polarization states of objects using an array of polarizers. The essence of the technique is the capability of imaging the distribution of the polarization of three-dimensional objects with a single-shot exposure by using the space-division multiplexing of holograms. The validity of the proposed technique was confirmed by the preliminary experiments.     

Stokes参量数字全息法实现相位物体成像

为实现对相位物体的无损检测和成像,克服数字同轴全息相位物体成像技术在消除零级像和孪生像的干扰时存在的系列问题,提出一种基于Stokes参量的新的数字同轴全息技术。该方法区别于传统的利用干涉光场来记录原始像项的数字全息方法,通过测量物参光合成光束的Stokes参量来分别得到这两束光的振幅和相位差,从而准确、唯一地获得原始像项;再利用数字再现即可重构物光的振幅和相位信息。实验中对弱吸收的相位样品进行了测量,得到样品清晰的振幅和相位分布。结果表明,采用该方法对相位物体进行数字全息再现,可以克服传统同轴全息图中零级像和共轭像对相位物体信息的严重干扰,对于提取相位物体的振幅和相位信息是可行和有效的。     

自适应多波段偏振图像融合研究

为综合利用不同波段的偏振信息，以便有效地去除背景杂波的影响，提高目标检测的效果，提出一种基于伪彩色映射和窗口线偏振度熵为系数的自适应加权多波段偏振参量图像融合方法.该方法是根据目标和杂乱背景的特性及多波段成像偏振探测的基本原理，利用目标偏振特征的波长依赖性，不同波段偏振图像所反映场景信息的差异，同一波段Stokes参量图像之间的关系，以及线偏振度图像所反映的有关人造物与自然背景之间的关系.将其应用于不同真实场景下多波段偏振图像，仿真结果和评价指标表明，该方法在背景抑制方面取得了良好的效果.     

几种地物反射光的偏振特性

偏振测量具有很多普通的光强度测量不具备的优点，是研究地表、大气，探索太空的良好辅助手段。为了获得可见一红外偏振光谱，从而考察利用偏振遥感识别目标的可行性，采用求取斯托克斯参量的方法，分别对草地、黄色环氧板、沥青楼顶、绿帆布、水泥路面及铁板六个样品做了反射光偏振特性测量，并对它们的偏振光谱进行了详细比较，分析了其形成原因。结果表明偏振特性与目标的性质、测量波长、观测角度均有很大关系，偏振测量在遥感和目标识别方面具有重要的意义。     

用Stokes参量法实现数字同轴偏振全息的研究

提出了一种基于Stokes参量的数字同轴偏振全息方法.在实验中用一束线偏振光和一束椭圆偏振光作为参考光, 分别与物光进行干涉,通过拍摄在两个相互垂直方向上的全息图,计算出物光在这两个方向的振幅和相位信息, 从而得到物光的Stokes参量和物体的全偏振信息,实现对各向异性物体偏振态空间分布的图像重建. 实验结果表明,该方法可用于物体的全偏振特性的测量.这种方法在求出物光Stokes参量的同时, 也可消除零级像和共轭像的干扰,因此也可用于同轴或离轴全息.     

基于非负矩阵分解和IHS颜色模型的偏振图像融合方法

针对传统偏振图像伪彩色融合方法存在的不足,提出了一种基于非负矩阵分解和IHS(Intensity Hue Saturation)颜色模型的图像融合方法.首先将偏振信息解析得到的各偏振参量图像作为原始数据集进行非负矩阵分解,得到三幅特征基图像,这些特征基图像包含了场景的大部分偏振信息|然后将三幅特征基图像经直方图匹配之后,分别映射到IHS颜色模型的三个颜色通道,最后变换到RGB颜色空间,得到融合后的图像.实验结果表明,该方法不仅具有较好的色彩表达能力,而且有效地突出了目标的细节信息,提高了图像的可判读性.     

基于偏振测量的雾天图像场景分割

现有场景分割方法主要依赖于图像亮度、颜色和纹理等特征,然而在雾天图像中提取这些特征将变得困难且不稳定.基于此本文提出了适用于雾天图像场景分割的特征矢量,以及相应的特征提取算法.特征矢量由目标偏振度、深度和颜色三部分组成.特征提取算法分别为:用去相关的方法从图像偏振度分离出大气偏振度和目标偏振度;根据雾天退化模型和雾天图像偏振表示形式推导出场景深度信息;利用两幅偏振图像求出非偏振彩色图像,从而得到场景的颜色信息.将这些特征构成的特征矢量用于基于图的分割算法中,并从两个方面比较了仅使用颜色特征和使用本文特征矢量的分割结果.最后得出结论:对于雾天图像而言,这些特征比通常的颜色特征更加有效和鲁棒.     

Polarization imaging for 3D inspection of highly reflective metallic objects

In the field of industrial vision, the 3D inspection of highly reflective metallic objects is still a delicate task. The specular reflections prevent the use of a 3D laser scanner, whereas the phase shifting-based 3D systems are more adapted to inspect surfaces with low curvature. This paper deals with a new automated 3D inspection system based on polarization analysis. Studying the state of polarization of the reflected light is very useful for obtaining information on the normals of the surface. An extension of the shape from polarization method from dielectric to metallic surfaces is demonstrated. Then, an improved relaxation algorithm is provided in order to reconstruct the shape from the normal field given by the polarization analysis. Finally, applications to shape defect detection are discussed and the efficiency of the system in discriminating defects on highly reflective metallic objects made by stamping and polishing is presented. The text was submitted by the authors in English.