基于穆勒矩阵与斯托克斯矢量的水下图像复原研究

作     者：李嘉琦 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡浩丰;廖志杰

授予年度：2021年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：偏振成像 穆勒矩阵 斯托克斯矢量 去散射成像 图像复原 

摘      要：作为光波的基本物理特性之一,偏振因其具有“弱光强化、强光弱化的光强度不敏感性及多维度等特点,在光强和光谱等信息低效的应用领域有着显著的优势。尤其是在浑浊水下、雾霾等复杂散射环境中,偏振成像技术体现出更优越的光学信息提取、识别和处理能力。作为典型的偏振表征参数,斯托克斯矢量和穆勒矩阵常用以联合表征光和物质的偏振特性以及光物相互作用(反射、透射等)前后的偏振态变化。本文主要工作如下:1、基于经典的水下散射偏振成像模型,提出了一种基于穆勒矩阵的水下去散射偏振成像系统。通过计算背景区域的穆勒矩阵,调节偏振产生装置的偏振状态,使得后向散射光的偏振度最大;利用偏振分析装置有效抑制后向散射光中的偏振分量,达到了较好的抑制散射光效果。通过不同条件下的实验对该方法进行了验证,并通过量化数据图像增强值(EME)和标准差(STD)与传统水下偏振成像方法进行了对比。结果均表明该方法抑制散射光的效果更好,图像复原度更高,可有效提升水下成像质量和可视距离。2、针对传统偏振差分成像自由度低、图像质量提升受限的问题,提出了一种三自由度偏振差分成像算法。在不限制偏振片方位角范围的前提下,引入修正参数,增加了偏振差分成像的自由度。本文还通过设计不同场景下的实验,与两种经典的偏振差分成像算法进行对比,该方法迈克尔逊对比度(Contrast ratio)达到0.851,相应增强比高达170.2%。结果表明三自由度偏振差分方法复原得到的图像失真度低、清晰度高,能进一步提升偏振差分成像的去散射成像效果。3、利用LabVIEW软件,本文分别设计了基于两种不同类型偏振相机(分焦平面和分振幅)的偏振成像软件平台。将三自由度偏振差分算法整合到软件系统中,实现了相机的自动控制、偏振信息的实时获取和展示,以及去散射成像结果的同步显示等功能。同时针对实际应用中对脱离相机使用的需求,设计了一种从本地文件读取偏振图像并实现去散射成像的模块。将去散射成像算法与实际应用相结合,对水下偏振成像的发展与实用化具有重要意义。