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水下偏振成像及图像处理方法研究

水下偏振成像及图像处理方法研究

作者：鲍富成长春理工大学

学位级别：硕士

水下资源十分丰富,但是由于水体对光的吸收、散射等,传统的强度相机采集的图像所包含的信息应用价值很低早已不能满足研究者的需求,因此能够获得清晰度相对较高的图像成为该领域亟需解决的问题。与可见光图像相比,偏振图像由于不同目标... 详细信息

水下资源十分丰富,但是由于水体对光的吸收、散射等,传统的强度相机采集的图像所包含的信息应用价值很低早已不能满足研究者的需求,因此能够获得清晰度相对较高的图像成为该领域亟需解决的问题。与可见光图像相比,偏振图像由于不同目标物表面具有不同偏振特性,在一定程度上可以将目标物与实际背景区分开来,从而提高了图像的利用价值。为了获取更多更有价值的信息,可以通过对偏振图像经过多尺度变换等方法的融合,实现对图像的增强,进一步提升图像的成像质量。本文主要研究内容分为两个方面,分别为水下目标物偏振成像特性和图像处理方法研究。在偏振光学等的理论基础上,设计了一系列水下偏振成像实验来研究水下偏振成像特性。通过改变目标物材质、水深、水体浑浊度等变量的方式,用萨尔萨偏振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。计算出偏振分量图像,通过比较可见光图像、偏振度图像及偏振分量图像的偏振度、对比度、信息熵等客观分析不同材质的目标物在浅水下的偏振成像特性。在水下偏振成像实验的基础上,设置环境采集可见光图像和偏振度图像作为源图像。利用NSCT变换,将图像进行多尺度分解,然后对低频系数和高频系数的局部区域能量、局部区域空间域等采取不同的约束条件,并进行图像的重构得到最终的融合图像,比较分析融合成像的效果,判定融合图像实现了对源图像的增强。

关键词：水下偏振成像偏振融合 NSCT变换图像增强

基于波片调制法水下偏振成像技术研究(特邀)

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光电技术应用 2023年第5期38卷 50-56页

作者：蔡树向冯巍巍蔡宗岐王焕卿徐东升梁星辉烟台大学机电汽车工程学院山东烟台中国科学院海岸带环境过程与生态修复重点实验室(烟台海岸带研究所) 山东省海岸带环境过程重点实验室中国科学院烟台海岸带研究所山东烟台中国科学院大学北京

为了更好地对海洋牧场水下环境及海珍品进行监测,通过532 nm激光光源与波片调制相结合的方法集成了一套水下偏振成像系统,并使用米勒矩阵法对偏振图像进行处理。以海参为目标物并模拟海洋牧场水体环境进行了实验,通过成像系统获取偏振... 详细信息

为了更好地对海洋牧场水下环境及海珍品进行监测,通过532 nm激光光源与波片调制相结合的方法集成了一套水下偏振成像系统,并使用米勒矩阵法对偏振图像进行处理。以海参为目标物并模拟海洋牧场水体环境进行了实验,通过成像系统获取偏振图像后,依据推导出的米勒矩阵公式进行图像融合。通过对比融合后的米勒矩阵图像和原图像对比度、信息熵等参数,证明米勒矩阵法能够有效地消除背景散射光的影响,提高成像对比度,进而提高成像质量。

关键词：水下偏振成像波片调制米勒矩阵图像散射

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激光成像水下偏振成像的特征融合技术研究

激光杂志 2017年第5期38卷 94-98页

作者：李明杰刘小飞张英华三亚学院海南三亚572022 中石油管道分公司吉林松原138000

对激光水下偏振成像的特征融合处理,可提高激光成像的识别能力。提出一种基于小波域向量量化的激光水下偏振成像特征融合技术。首先采用点到线模型进行LBG扩展,再量化分解激光成像水下偏振成像的矢量,其次采用二级小波变换进行水下偏振... 详细信息

对激光水下偏振成像的特征融合处理,可提高激光成像的识别能力。提出一种基于小波域向量量化的激光水下偏振成像特征融合技术。首先采用点到线模型进行LBG扩展,再量化分解激光成像水下偏振成像的矢量,其次采用二级小波变换进行水下偏振成像的低频分量选取,最后进行水下偏振成像小波域子矢量点到线模型的计算,采用小波域向量量化方法实现特征融合。最后进行仿真实验,结果表明,采用本文方法进行激光水下偏振成像特征融合的峰值信噪比较高,降低了计算复杂度,图像成像质量得到改善。

关键词：激光成像水下偏振成像小波变换特征融合

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基于压缩感知的水下偏振光成像技术研究

基于压缩感知的水下偏振光成像技术研究

作者：王朋中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)

学位级别：硕士

海洋观测技术是海洋工程技术的前提,因此要实现海洋资源和能源的开发利用,必须大力发展海洋观测技术。水下光学成像技术作为海洋观测的重要手段,是目前世界上发达国家研究和发展的重点。偏振光成像技术是一种接收目标偏振信息来探测和... 详细信息

海洋观测技术是海洋工程技术的前提,因此要实现海洋资源和能源的开发利用,必须大力发展海洋观测技术。水下光学成像技术作为海洋观测的重要手段,是目前世界上发达国家研究和发展的重点。偏振光成像技术是一种接收目标偏振信息来探测和识别目标的成像方式,是一项具有重大应用价值的前沿技术。在水下成像领域,针对水下恶劣的成像环境,采用偏振成像技术可以滤除后向散射光,提高探测器接收信号的信噪比,从而提高目标图像质量,因此水下偏振成像技术成为国内外研究热点之一。由于水下偏振成像技术的极限作用距离比较短,这就限制了传统偏振成像技术在水下远距离目标探测成像方面的应用。为了突破传统水下偏振成像在作用距离上的限制,实现更远距离的目标成像,将偏振成像技术与压缩感知采样技术结合起来是克服这种缺陷的有效办法。利用水下压缩感知采样技术成像作用距离远的优点弥补水下偏振成像作用距离近的缺点;利用水下偏振成像能够滤除后向散射光,提高目标信噪比的优点提高水下压缩感知成像采样的目标信噪比,二者相互结合实现更远距离,清晰成像。压缩感知采样技术是以信号的稀疏性或可压缩性为前提,通过采集少量的非相关压缩采样值以及重构算法就可以实现信号的高精度重构恢复。压缩感知采样方式将信号处理的技术负担从传感器转移到数据处理上来,极大的降低了系统对于传感器的要求,因此在光学成像方面有很大的应用潜力。根据水下偏振成像技术和压缩感知采样技术提出了基于压缩感知的水下偏振光成像技术。分析了它的工作原理;设计了该成像系统的样机;根据搭建的压缩感知水下偏振成像系统完成了空气中和水中的成像实验,实验结果证明了该水下成像技术的可行性,并将该水下成像技术的成像效果与传统水下偏振成像和水下压缩感知成像的效果进行了对比,结果证明该水下成像技术的极限成像距离比传统水下偏振成像的极限成像距离远,能够实现更远距离目标成像;在相同的成像距离处,该水下成像技术获得的目标图像比水下压缩感知成像的目标图像清晰,能够实现清晰成像。最后分析了影响成像质量的几种因素,并针对性的提出了改善成像性能的措施。

关键词：水下偏振成像压缩感知理论 DMD阵列采样矩阵重构算法

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基于散射退偏效应的水下清晰化成像方法

基于散射退偏效应的水下清晰化成像方法

作者：张仕超西安电子科技大学

学位级别：硕士

水下偏振成像技术以其简单的系统结构、低廉的实现成本在水下清晰化成像领域中显示出巨大的潜力。但现有水下偏振成像技术在场景清晰化成像过程中通常仅关注场景中的线偏振成分,忽略了圆偏振成分对图像清晰化过程的影响。当浑浊水体中... 详细信息

水下偏振成像技术以其简单的系统结构、低廉的实现成本在水下清晰化成像领域中显示出巨大的潜力。但现有水下偏振成像技术在场景清晰化成像过程中通常仅关注场景中的线偏振成分,忽略了圆偏振成分对图像清晰化过程的影响。当浑浊水体中目标偏振度与后向散射光偏振度数值相近时,现有的水下偏振成像方法对目标偏振度估计不准确,导致重建图像中低退偏目标存在的区域恢复不出信息。为解决上述问题,本文提出一种基于散射退偏效应的水下穆勒矩阵清晰化成像方法。该方法利用穆勒矩阵探测场景中的光强和偏振信息,基于浑浊水体中退偏系数的变化特性,对浑浊水下场景的光强传输透射率图进行最优估计,最后根据水下穆勒矩阵清晰成像模型重建出浑浊水下清晰化成像结果。本文中创新性的研究工作包括:1.探究了浑浊水下场景中由散射退偏效应导致的退偏系数的变化特性,验证了利用退偏系数进行浑浊水下清晰化成像的可行性。探究发现,在散射微粒直径与波长相近且分布均匀的米氏散射条件下,浑浊水体中后向散射的退偏系数与测量距离之间存在负指数关系,且浑浊水下场景中目标与目标间、目标与背景间的退偏系数存在差异;2.探究了浑浊水体后向散射光强度与退偏系数之间的关系,发现浑浊水体后向散射光强度值与退偏系数值之间近似满足线性关系。这是利用退偏系数图估计水下光强传输透射率图的现实依据;3.把穆勒矩阵与基于Jaffe-Mc Glamery图像分析的传统水下偏振成像模型相结合,构建了水下穆勒矩阵清晰成像模型,并提出了相应的成像算法和处理流程。实验结果显示了所提方法在浑浊水体中对复杂偏振特性表面目标进行清晰成像的有效性。基于散射退偏效应的水下穆勒矩阵清晰成像方法,成功地把穆勒矩阵引入到水下清晰化成像领域中,解决了浑浊水下复杂偏振特性表面目标的清晰成像问题,进一步扩展了水下成像技术的研究思路和实现途径,为新型水下成像设备的开发奠定了相关研究基础。

关键词：水下偏振成像穆勒矩阵成像散射退偏退偏系数

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融合光场的偏振水下图像复原技术研究

融合光场的偏振水下图像复原技术研究

作者：田雨中北大学

学位级别：硕士

水下成像技术及水下图像复原方法已经在生产生活中获得了应用。基于偏振信息的水下图像复原方法可以有效提高散射介质中的成像质量。然而,现有的方法受限于采集系统的结构,很难得到真实的场景后向散射分布,主要通过常数假设或拟合的方... 详细信息

水下成像技术及水下图像复原方法已经在生产生活中获得了应用。基于偏振信息的水下图像复原方法可以有效提高散射介质中的成像质量。然而,现有的方法受限于采集系统的结构,很难得到真实的场景后向散射分布,主要通过常数假设或拟合的方式来对后向散射进行估计,导致复原后的图像失真较严重。针对上述问题,本文提出一种融合光场的偏振水下图像复原算法,将光场合成孔径成像技术与偏振成像技术进行结合,在一次采集过程中获取场景的多视角信息,同时得到各视角对应的偏振信息,有效增加了单次成像获得的信息维度,得到场景中真实的后向散射分布情况,从而完成每个子视角图像的初始复原操作。接着利用光场相关算法进行复原优化及目标前景遮挡去除,提高水下目标识别效果。设计并搭建了相关的实验环境,采集多组水下光场-偏振融合图像进行图像复原操作,通过与现有方法的对比,本文方法在信噪比及细节保真上都具有一定的优势,证明了本文方法的可行性及优越性。最后,在光场-偏振融合算法的基础上,我们验证了偏振光及非偏振光照明对水下图像复原效果的影响。介绍并描述了偏振光的几种常用表征方法,研究散射介质浓度以及水下目标的保偏特性对偏振光退偏效果的影响,设计并搭建实验平台,通过改变散射介质的浓度、水下拍摄目标的保偏特性这两种变量,观察偏振光及非偏振光照明下图像的复原效果,提升光场-偏振融合算法的复原质量,同时为后续提升水下图像复原质量提供了理论支持。

关键词：水下图像复原后向散射光场成像水下偏振成像

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结构相似性的水下偏振图像复原

中国图象图形学报 2018年第7期23卷 1033-1041页

作者：范新南陈建跃张学武史朋飞张卓河海大学物联网工程学院常州213022

目的针对水下偏振图像存在雾状模糊和场景细节不明显的问题,以水体透射率图与目标反射光图像存在的相互独立性为基础,提出一种基于结构相似性的水下偏振图像复原方法,旨在提高水下偏振图像的清晰度、对比度和色彩真实度。方法首先,获取... 详细信息

目的针对水下偏振图像存在雾状模糊和场景细节不明显的问题,以水体透射率图与目标反射光图像存在的相互独立性为基础,提出一种基于结构相似性的水下偏振图像复原方法,旨在提高水下偏振图像的清晰度、对比度和色彩真实度。方法首先,获取同一水下场景下具有正交偏振方向且分别具有最大和最小光强的两幅偏振图像;然后根据透射率图与目标反射光之间的统计无关性,使用结构相似性推导求解透射率的关系式,并通过偏振差分图像计算透射率的初始值,利用该关系式进行水体透射率的迭代求解;最后将透射率代入偏振成像模型得到目标反射光图像,进而进行颜色校正得到复原图像。结果选取多组正交的水下偏振图像作为研究对象,采用本文提出的方法与另两种偏振复原算法对其进行复原处理,使用对比度、信息熵、灰度平均梯度、峰值信噪比、增强量以及时间等量化指标进行评估。对比实验结果表明,本文算法在对比度、信息熵、灰度平均梯度、增强量以及颜色恢复上都优于另两种偏振图像复原方法,并有较大幅度的提高;灰度平均梯度和对比度较YY算法提高了一倍左右;本文复原图像的色彩分布较均匀使得图像的信息含量大,信息熵高;而突出的EME也证明本文算法的结果纹理清晰、对比度高以及图像复原程度好;提出算法的复原效果有显著的改善,但算法运行时间较长,实时性有待提高。结论本文基于水下偏振成像模型的分析以及透射率图与目标反射光图像之间的统计无关性,从水体透射率的估计出发进行图像复原,有效地解决了水下偏振图像细节模糊、对比度低的问题。通过对算法实验效果的主客观分析表明,本文算法能有效地复原水下偏振图像,得到对比度高、细节明显和色彩丰富的恢复图像。

关键词：水下偏振成像图像复原结构相似性透射率图像处理