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        水下目標(biāo)偏振光學(xué)成像實(shí)驗(yàn)研究

        2021-07-27 06:24:24郭銀景苑嬌嬌侯佳辰馬新瑞呂文紅
        實(shí)驗(yàn)室研究與探索 2021年6期
        關(guān)鍵詞:偏振度渾濁度偏振光

        郭銀景, 吳 琪, 苑嬌嬌, 侯佳辰, 劉 琦, 馬新瑞, 呂文紅

        (山東科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院;交通學(xué)院,山東青島266590)

        0 引 言

        水下光學(xué)成像在水下目標(biāo)探測(cè)[1-2]、海洋資源勘探[3]等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用,然而,由于水體對(duì)可見(jiàn)光的吸收和散射作用,造成成像對(duì)比度下降,因此克服水體散射對(duì)水下成像的影響是亟待解決的問(wèn)題[4]。偏振光學(xué)成像技術(shù)作為新興的水下光學(xué)成像技術(shù),可以解決水中懸浮顆粒的雜散光問(wèn)題,同時(shí)能夠獲取目標(biāo)物的偏振特性信息。與傳統(tǒng)水下成像技術(shù)相比,偏振光學(xué)成像技術(shù)根據(jù)光波偏振態(tài)的變化分析目標(biāo)光強(qiáng)圖像以及偏振度、偏振角等參數(shù)圖像,從而滿(mǎn)足對(duì)探測(cè)目標(biāo)的紋理結(jié)果、表面狀態(tài)和材料類(lèi)型等信息需求。

        Schechner等[5-6]對(duì)水下偏振成像技術(shù)進(jìn)行研究,實(shí)驗(yàn)采用安裝偏振器的探測(cè)器,圖像強(qiáng)度隨偏振角度不同發(fā)生信息變化。Yang等[7]提出利用主動(dòng)非偏振照明的偏振成像技術(shù)提高渾濁水下圖像的可見(jiàn)度的方法。Tian等[8]提出基于偏振度和多視角圖像后向散射強(qiáng)度的物體輻射檢索方法。曹念文等[9]開(kāi)展了偏振成像技術(shù)對(duì)提高成像清晰度、成像距離的實(shí)驗(yàn),得出偏振圖像清晰度與距離的定量關(guān)系。吳中芳等[10]、鮑富成等[11]開(kāi)展水下實(shí)驗(yàn)探討水下偏振成像特性,采用較為昂貴的SALA相機(jī),分析對(duì)比偏振圖像目物體表面信息。張若蘭等[12]提出短相干照明和偏振相結(jié)合的水下遠(yuǎn)距離成像方法,為遠(yuǎn)距離深海光學(xué)監(jiān)測(cè)提供了新的研究思路?,F(xiàn)有偏振成像研究實(shí)驗(yàn)中探測(cè)實(shí)驗(yàn)成本較高,并且圖像數(shù)據(jù)處理過(guò)程較為復(fù)雜。本文以高分辨率、低實(shí)驗(yàn)成本以及高便捷性為目標(biāo)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái),研究目標(biāo)物在水下的偏振成像特性,探討成像觀測(cè)角度、成像距離、材料以及渾濁度對(duì)偏振成像目標(biāo)探測(cè)的影響。

        1 實(shí)驗(yàn)原理

        1.1 偏振成像基本原理

        光的偏振態(tài)通常用Stokes矢量表示,描述的光可以是完全偏振光、部分偏振光和完全非偏振光,由于Stokes矢量與光強(qiáng)成正比,可以直接被探測(cè)器探測(cè)。研究人員利用Stokes-Mueller形式表征偏振光通過(guò)不同散射介質(zhì)的傳輸特性[13],Stokes矢量量化表達(dá)式為

        式中:Eox、Eoy分別表示電場(chǎng)x、y方向的振幅;φ表示兩個(gè)方向之間的相位差;I表示總光強(qiáng),代表目標(biāo)物體的反射率;Q表示0°與90°方向線偏振光之差;U表示45°與90°方向線偏振光強(qiáng)度之差;Q和U反映目標(biāo)物表面不同的粗糙程度以及紋理等目標(biāo)輻射信息;V代表總光強(qiáng)的圓偏振,該分量近似為0[14]。通常,確定3個(gè)Stokes參量就可以得到光線的偏振態(tài)。線偏振度DOLP和偏振角AOP計(jì)算如下:

        1.2 圖像信息提取

        采用多種圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo),包括圖像熵H、標(biāo)準(zhǔn)差D、對(duì)比度C以及峰值信噪比(Peak Signal to Noise Ratio,PSNR)對(duì)Stokes參數(shù)圖像I,Q,U以及線偏振度圖像DOLP、偏振角圖像AOP進(jìn)行信息分析。通常來(lái)說(shuō),圖像熵H值越大,圖像的質(zhì)量越高;標(biāo)準(zhǔn)差D越大,圖像信息反差越大,圖像越清晰;對(duì)比度C表征圖像整體亮暗區(qū)域之間的比率,亮暗漸變層次越多,圖像信息越豐富;PSNR是評(píng)價(jià)圖像的客觀標(biāo)準(zhǔn),可直觀反映圖像信噪比的變化情況,其值越大表示圖像失真越小。

        2 實(shí)驗(yàn)材料

        實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示,CCD探測(cè)器連接上位機(jī),通過(guò)旋轉(zhuǎn)偏振片采集不同角度的偏振圖像。本實(shí)驗(yàn)基于LabVIEW開(kāi)發(fā)攝像和拍攝單幀圖像兩種拍攝狀態(tài)。攝像狀態(tài)下滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求,能夠及時(shí)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)狀態(tài);拍攝單幀圖像可實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的保存功能,以完成后續(xù)對(duì)實(shí)驗(yàn)圖像的特性分析。偏振成像實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的器材料如表1所示。

        圖1 實(shí)驗(yàn)原理示意圖

        表1 實(shí)驗(yàn)材料

        3 實(shí)驗(yàn)方案

        搭建好實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后,調(diào)整CCD探測(cè)器鏡頭光圈和焦距,根據(jù)LED照明光源情況,設(shè)置合適曝光時(shí)間。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中注意入射光路和接受光路之間保持一定的夾角,以降低成像過(guò)程中的噪聲干擾。在探究成像觀測(cè)角度、放置距離、不同水體渾濁度變化對(duì)水下目標(biāo)偏振成像的影響實(shí)驗(yàn)中,選用金屬直尺為目標(biāo)物。

        (1)初步偏振成像實(shí)驗(yàn)在清水環(huán)境中進(jìn)行,第1種成像方案采用0°、60°、120°偏振圖像;第2種成像方案采用0°、45°、90°、135°偏振圖像。

        (2)偏振成像實(shí)驗(yàn)在清水環(huán)境中進(jìn)行,調(diào)整水下目標(biāo)的放置距離為20,30,40,50 cm,選擇最佳偏振成像觀測(cè)角度后,依次采集隨放置距離變化的偏振成像數(shù)據(jù),確定合適目標(biāo)成像距離。

        (3)配制氧化鈣濃度分別為120,240,360,480 mg/L的渾濁水體,采用最佳成像觀測(cè)角度與成像距離,依次采集在不同水體渾濁下目標(biāo)偏振成像實(shí)驗(yàn)圖像。

        (4)探討不同材質(zhì)目標(biāo)對(duì)水下目標(biāo)偏振成像的影響時(shí),保持目標(biāo)物體放置距離與成像觀測(cè)角度一致,放置金屬直尺、印字陶瓷、塑料以及印花皮質(zhì)4種不同材質(zhì)的目標(biāo)物體,觀察在理想水體中偏振成像信息差異。

        4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

        4.1 不同成像觀測(cè)角度的偏振圖像

        不同成像觀測(cè)角度下獲取到的偏振圖像如圖2、3所示。目標(biāo)物在不同偏振態(tài)的光波下具有不同的偏振信息,圖4為兩種成像方案下獲取偏振圖像的信息指標(biāo)變化直觀顯示狀圖。對(duì)于提出的兩種成像方案,計(jì)算得到的偏振圖像Q、U都能夠大部分直觀獲取目標(biāo)物信息,但方案1金屬直尺刻度信息及輪廓清晰完整,線偏振度圖像DOLP與偏振角圖像DOP能反映圖像偏振信息,在保持圖像細(xì)節(jié)紋理等信息有明顯優(yōu)勢(shì)。

        圖2 第1種成像方案圖像采集

        圖4 兩種成像方案圖像信息指標(biāo)對(duì)比

        4.2 不同成像距離的偏振圖像

        圖5 所示為偏振圖像I,Q,U以及線偏振度DOLP、偏振角AOP圖像標(biāo)準(zhǔn)差D、信息熵H、對(duì)比度C以及峰值信噪比PSNR的實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化曲線??梢钥闯?,隨成像距離增大,偏振圖像標(biāo)準(zhǔn)差呈減小趨勢(shì),說(shuō)明目標(biāo)距離放置越遠(yuǎn),水體后向散射光干擾越強(qiáng),CCD

        圖3 第2種成像方案圖像采集

        圖5 不同成像距離偏振圖像質(zhì)量指數(shù)變化折線圖

        探測(cè)器接收到的目標(biāo)反射光就越少。綜合多指標(biāo)變化來(lái)看,選取30 cm處偏振圖像為最佳成像距離,圖像主觀其細(xì)節(jié)信息,亮暗層次變化豐富,且信息熵H、信噪比PSNR等滿(mǎn)足指標(biāo)需求。

        4.3 不同目標(biāo)材質(zhì)的偏振圖像

        根據(jù)上述探究實(shí)驗(yàn)分析,選取最佳成像觀測(cè)角度0°,60°,120°,并在目標(biāo)距離30 cm處對(duì)金屬直尺、印花塑料、羽毛球以及木塊等進(jìn)行偏振成像。圖6為各目標(biāo)物的偏振分量圖像。一般來(lái)說(shuō),塑料通常會(huì)有較高的退偏能力[15],而光滑的金屬則相反。根據(jù)表2信息,可以看到塑料、布條等偏振光總光強(qiáng)圖像I對(duì)比度指標(biāo)高于金屬直尺、玻璃等,且在水體環(huán)境中經(jīng)過(guò)反射、散射的光,使得表面較為粗糙的目標(biāo)物其線偏振度圖像DOLP以及偏振角圖像AOP邊緣信息層次明顯。

        圖6 不同材質(zhì)的目標(biāo)物水下偏振圖像I、Q、U以及線偏振度圖像DOLP、偏振角圖像AOP圖像

        表2 不同成像距離偏振圖像對(duì)比度指標(biāo)

        4.4 不同水體渾濁度的偏振圖像

        隨著氧化鈣濃度的逐漸增大,光波受渾濁水體的吸收作用及水中懸浮顆粒的后向散射作用增強(qiáng),圖像噪聲加大,直至目標(biāo)物金屬直尺刻度消失在濃度較高的水體中。水體中不規(guī)則顆粒的散射作用導(dǎo)致偏振圖像I,Q,U退偏作用顯著。偏振圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果如圖7所示,隨著水體濁度的不斷增大,信息指標(biāo)逐漸減小,背景噪聲干擾較強(qiáng),目標(biāo)物包含的細(xì)節(jié)信息顯著丟失,但偏振圖像I,Q,U信息指標(biāo)數(shù)值相對(duì)較大,包含較為豐富的圖像信息。

        圖7 不同渾濁度下偏振圖像質(zhì)量指數(shù)變化折線圖

        5 結(jié) 語(yǔ)

        偏振成像實(shí)驗(yàn)分別從目標(biāo)成像觀測(cè)角度、目標(biāo)物距離、目標(biāo)材質(zhì)以及水體渾濁度等4個(gè)方面進(jìn)行,獲取斯托克斯矢量參數(shù)圖像,就圖像信息指標(biāo)分析偏振圖像信息質(zhì)量,得到以下結(jié)論:經(jīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析,采集0°、60°、120°偏振角度圖像更優(yōu),實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便;隨著目標(biāo)物距離的不斷增大,目標(biāo)物在成像過(guò)程中逐漸變小,偏振成像圖像信息指標(biāo)衰減緩慢,在相對(duì)較遠(yuǎn)成像距離偏振成像信息仍有較豐富的紋理信息;不同材質(zhì)的目標(biāo)物在水體中的偏振特性表現(xiàn)出較大差異,木塊等粗糙表面目標(biāo)物線偏振度圖像所包含的信息普遍比金屬直尺等具有光滑表面目標(biāo)物豐富;隨著水體渾濁度的增大,獲取圖像背景噪聲顯著,從而導(dǎo)致目標(biāo)物體不清晰,根據(jù)對(duì)比度C的計(jì)算分析可知,偏振圖像在渾濁水域仍能獲取水下目標(biāo)物邊界及輪廓基本信息。

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