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基于深度学习复杂环境的偏振成像技术研究进展(特邀)

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红外与激光工程 2024年第3期53卷 1-18页

作者：胡浩丰黄一钊朱震马千文翟京生李校博天津大学海洋科学与技术学院天津300072 天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072

偏振成像技术通过偏振信息的获取和解译,可以有效抑制复杂环境干扰,提升成像质量,增强目标感知能力,对于复杂环境下的光学成像探测具有独特优势。然而,在散射、低照度等复杂环境下,偏振图像退化机理呈现非线性特征,偏振信息解译方法复... 详细信息

偏振成像技术通过偏振信息的获取和解译,可以有效抑制复杂环境干扰,提升成像质量,增强目标感知能力,对于复杂环境下的光学成像探测具有独特优势。然而,在散射、低照度等复杂环境下,偏振图像退化机理呈现非线性特征,偏振信息解译方法复杂度高。深度学习方法具有强大的特征提取和学习能力,通过学习大规模数据隐藏的映射规律获得偏振信息的复原效果,特别适合偏振成像这种多维度、相互关联的复杂信号处理问题。文中基于偏振成像的基本原理以及复杂环境偏振成像技术的范式,针对散射和噪声这两类典型的成像环境,介绍了深度学习偏振成像技术的研究进展,同时阐述了深度学习赋能复杂环境偏振成像任务的优势,最后对该领域的未来发展方向作以展望。

关键词：偏振成像深度学习图像去散射图像去噪

基于深度神经网络的水下图像偏振信息复原方法

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光学学报 2024年第12期44卷 53-62页

作者：刘贺东韩宜霖李校博程振洲刘铁根翟京生胡浩丰天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072 天津大学海洋科学与技术学院天津300072

偏振度和偏振角等偏振信息能够反映目标的偏振特性,根据偏振态的差异可以辨别目标,因此偏振信息在水下探测与识别等领域有重要应用。传统的水下偏振成像方法能够对水下图像进行散射抑制并复原光强图像,但这些方法忽略了对偏振信息的复原... 详细信息

偏振度和偏振角等偏振信息能够反映目标的偏振特性,根据偏振态的差异可以辨别目标,因此偏振信息在水下探测与识别等领域有重要应用。传统的水下偏振成像方法能够对水下图像进行散射抑制并复原光强图像,但这些方法忽略了对偏振信息的复原,造成偏振信息的丢失。因此,提出基于通道注意力机制的水下图像偏振信息复原神经网络,以拓展水下偏振成像的功能,将偏振度和偏振角信息进行复原。同时设计了基于偏振参量的内容与风格损失函数,进一步提升偏振复原效果。实验结果表明,该网络可有效地抑制水下图像的散射光,同时能较好地恢复线性偏振度和偏振角信息。所提方法对浑浊水下偏振成像技术的进一步应用具有重要意义。

关键词：偏振成像水下成像偏振信息复原深度学习注意力机制

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基于偏振约束的四维块匹配偏振图像去噪算法

激光与光电子学进展 2024年第16期61卷 233-241页

作者：董昌吉刘贺东李校博程振洲刘铁根翟京生张瑞涛胡浩丰天津大学海洋科学与技术学院海洋经济技术产业化联合研究中心天津300072 天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072 天津大学海洋科学与技术学院天津300072 深之蓝海洋科技股份有限公司天津300072

为了解决偏振图像对噪声的高敏感性和常规偏振图像去噪技术难以在消除噪声的同时保证偏振信息精确恢复的问题,提出一种基于偏振约束的四维块匹配(PBM4D)偏振图像去噪算法。首先利用偏振斯托克斯关系对偏振图像进行扩增,并将图像在偏振... 详细信息

为了解决偏振图像对噪声的高敏感性和常规偏振图像去噪技术难以在消除噪声的同时保证偏振信息精确恢复的问题,提出一种基于偏振约束的四维块匹配(PBM4D)偏振图像去噪算法。首先利用偏振斯托克斯关系对偏振图像进行扩增,并将图像在偏振维度上合成为三维数据;接着根据偏振信息的相似性进行四维块匹配,保证偏振信息的完整性,从而充分发挥不同偏振通道间的物理相关性;最后在四维变换域中采用协同滤波来抑制噪声。对比实验结果表明,与其他传统偏振图像去噪技术相比,所提算法在不同信噪比情况下都能有效抑制偏振图像的噪声,特别是在处理线性偏振度和偏振角图像方面,所提算法表现良好。所提算法能够很好地保持偏振图像的物理相关性,因此可以精确恢复不同偏振特性物体的偏振信息。

关键词：偏振图像图像去噪协同滤波四维块匹配偏振信息复原

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基于区域细节强化的偏振去散射方法（特邀）

激光与光电子学进展 2024年第2期 256-267页

作者：胡浩丰孙鑫翟京生李校博天津大学未来技术学院天津大学海洋科学与技术学院天津大学精密仪器与光电子工程学院

在散射环境下获取的图像质量退化严重，细节对比度降低，极大地限制了光学成像技术在诸多领域的应用。由于散射光具有部分偏振特性，基于偏振成像的去散射技术近年来得到了广泛的关注及应用。但传统的偏振去散射方法的复原效果十分依赖... 详细信息

在散射环境下获取的图像质量退化严重，细节对比度降低，极大地限制了光学成像技术在诸多领域的应用。由于散射光具有部分偏振特性，基于偏振成像的去散射技术近年来得到了广泛的关注及应用。但传统的偏振去散射方法的复原效果十分依赖对场景偏振参数的准确估计，对强散射的复杂场景难以取得理想的去散射效果。为了克服这一缺点，提高偏振去散射方法在不同环境中的适用性，着眼于偏振图像的区域细节，提出一种基于区域细节强化的偏振去散射新方法。该方法结合对比度和Stokes矢量来确定两幅待复原的偏振子图，通过频域处理估计模型的关键参量，然后利用散射退化模型反解出未退化图像，最终融合形成去散射图。实验结果表明：所提方法在不同种类散射环境（雾霾或浑浊水体）和不同散射强度下均具有良好的复原效果，提高了偏振算法的适用性；同时，充分利用了偏振图像的强度分布特点，能够突出原图中的强偏振区域，可同时复原高低偏振目标物体，增强图像的细节信息。

关键词：偏振光学图像退化散射偏振成像对比度区域细节

基于偏振成像的水下图像复原技术研究最新进展

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红外与激光工程 2019年第6期48卷 68-80页

作者：胡浩丰李校博刘铁根天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室

在水下环境中,悬浮的散射颗粒对光场的散射和吸收作用导致成像清晰度显著下降。基于偏振成像的水下图像复原技术是实现水下清晰成像的有效方法之一。该技术利用散射光的偏振特性,分离场景光和散射光,估计散射光强和透射系数,实现成像清... 详细信息

在水下环境中,悬浮的散射颗粒对光场的散射和吸收作用导致成像清晰度显著下降。基于偏振成像的水下图像复原技术是实现水下清晰成像的有效方法之一。该技术利用散射光的偏振特性,分离场景光和散射光,估计散射光强和透射系数,实现成像清晰化。近年来,偏振成像技术已广泛、高效地应用于水下图像复原和水下目标识别等诸多领域。水下偏振图像复原技术作为光学成像技术和图像处理技术的交叉领域,引起了广泛的关注并取得了大量优秀的研究成果。文中主要介绍了基于偏振成像的水下复原技术的基本原理、偏振信息处理方法和最新发展现状,综述了近年来偏振水下图像复原技术代表性的改进型方法。

关键词：偏振成像水下图像复原散射介质成像

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三自由度偏振差分水下成像技术

光学学报 2021年第3期41卷 216-221页

作者：胡浩丰李嘉琦李校博刘铁根天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室天津300072

影响水下成像质量的核心因素是后向散射光的干扰。偏振差分水下成像技术能够显著抑制后向散射光,是在水下散射环境中获取清晰图像的有效方法。传统的偏振差分方法是基于两个正交偏振方向上的偏振图像进行差分的,该方法虽然对后向散射光... 详细信息

影响水下成像质量的核心因素是后向散射光的干扰。偏振差分水下成像技术能够显著抑制后向散射光,是在水下散射环境中获取清晰图像的有效方法。传统的偏振差分方法是基于两个正交偏振方向上的偏振图像进行差分的,该方法虽然对后向散射光有明显的抑制效果,但其调制自由度低,限制了成像质量的进一步提升。针对这一问题,提出一种改进型偏振差分水下成像方法,该方法基于两个最优偏振方向的偏振图像进行差分,并通过引入差分项的权重系数,最终实现具有三个自由度的偏振差分水下成像。实验结果显示,该方法相对于传统的偏振差分成像方法,可更好地抑制后向散射光、凸显物体信号光,最终实现了更高质量的水下清晰成像。

关键词：散射偏振后向散射光偏振差分三自由度

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一种基于圆偏光的偏振去雾成像优化方法

红外与激光工程 2019年第11期48卷 263-267页

作者：王辉王进李校博胡浩丰刘铁根天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室天津大学光纤传感研究所

在经典的偏振成像去雾方法中,后向散射光的偏振度估计值是影响去雾效果的关键。基于圆偏振光在米氏散射介质中良好的保偏特性,提出一种适用于强散射环境下的偏振成像去雾方法。研究不同偏振态的光源照明时,不同散射强度下,CCD接收到的... 详细信息

在经典的偏振成像去雾方法中,后向散射光的偏振度估计值是影响去雾效果的关键。基于圆偏振光在米氏散射介质中良好的保偏特性,提出一种适用于强散射环境下的偏振成像去雾方法。研究不同偏振态的光源照明时,不同散射强度下,CCD接收到的光场偏振度变化规律,在此基础上提出了一种快速简易的散射光偏振度估计方法。该方法在不增加系统复杂度的情况下,提高了偏振成像去雾的效果。实验结果显示,在强散射条件下文中方法获得的去雾图像EME值比传统方法高20.4%。此外,该方法不需要传统偏振去雾方法中对背景区域的判断,降低了算法复杂度。

关键词：偏振成像去雾偏振度圆偏振光

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基于无监督学习的偏振图像去噪方法

光学学报 2023年第4期43卷 54-63页

作者：胡浩丰金慧烽李校博翟京生刘铁根天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072 天津大学光电信息技术教育部重点实验室天津300072 天津大学海洋科学与技术学院天津300072

提出一种基于无监督学习的偏振图像去噪方法,该方法打破了监督学习下深度学习需要严格配对图像的限制,使用非配对偏振图像训练一个偏振特化的循环生成对抗网络。该网络通过所提出的基于偏振信息的损失函数统计学习噪声图像和清晰图像的... 详细信息

提出一种基于无监督学习的偏振图像去噪方法,该方法打破了监督学习下深度学习需要严格配对图像的限制,使用非配对偏振图像训练一个偏振特化的循环生成对抗网络。该网络通过所提出的基于偏振信息的损失函数统计学习噪声图像和清晰图像的映射。实验结果表明,该网络可以有效地抑制室内外不同环境下偏振图像的噪声,同时能较好地恢复线性偏振度和偏振角。所提方法对复杂噪声环境下的偏振成像应用具有重要意义。

关键词：图像处理偏振成像偏振图像去噪无监督学习生成对抗网络

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基于偏振相机的全斯托克斯偏振仪优化研究

光学学报 2020年第3期40卷 161-168页

作者：黎海育李抄李校博王辉胡浩丰刘铁根天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室天津300072 军事科学院系统工程研究院卫勤保障技术研究所天津300160 河北师范大学物理科学与信息工程学院河北石家庄050024

通过在分焦平面(DoFP)偏振相机前置相位延迟器,可将线偏振斯托克斯矢量的测量拓展为全斯托克斯矢量(FSV)的测量。针对基于DoFP相机的FSV偏振仪,提出了两种分别利用矩阵分解和伪逆模型估算FSV的优化策略。针对不同的FSV估算模型,这两种... 详细信息

通过在分焦平面(DoFP)偏振相机前置相位延迟器,可将线偏振斯托克斯矢量的测量拓展为全斯托克斯矢量(FSV)的测量。针对基于DoFP相机的FSV偏振仪,提出了两种分别利用矩阵分解和伪逆模型估算FSV的优化策略。针对不同的FSV估算模型,这两种优化策略在两次光强采集的条件下可最小化测算方差,从而实现了测量精度的最优化。特别地,利用DoFP相机固有的测量冗余特性,提出了基于两次光强采集的波片相位延迟量自标定解析解,该自标定算法可在实际应用中替代波片相位延迟量标定环节,同时为动态变化环境下的实时偏振测量提供技术支撑。

关键词：物理光学偏振偏振仪分焦平面相机全斯托克斯矢量自标定