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偏振光学成像去雾:“擦去”照片上的雾霾

2017-04-25 09:08
林契于宸
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随着污染的日益严重,雾霾现象越来越普遍,在雾霾天气影响下,光学成像系统的能见度和所采集图像对比度均大幅度降低。如何恢复和提高雾霾气象条件下的光学成像质量,即去雾技术,逐渐成为了一个研究热点。

目前,去雾技术主要分为两大类:1)图像处理去雾技术,通过对光学系统采集的图像进行增强或复原操作,提高图像的质量;2)光学去雾技术,通过对光学成像系统的改造和成像算法的优化,减小雾霾对成像质量的影响。

基本原理

其中,光学去雾技术通过对光学成像系统进行改造,采集多幅含有不同光学特征的同一场景图像,从多幅图像中获取目标反射光信息和大气光信息并将其分离,进而通过算法融合出一幅复原后的去雾图像。由于雾霾等散射颗粒散射太阳光形成的大气光都具有部分偏振特性,因此,偏振光学成像去雾(效果如图1)适用于各种场景的各类雾霾天气,应用范围广泛,成为研究热点之一。

   (a) 雾霾图像 (b) 去雾效果图
图1 偏振去雾效果

偏振光学成像去雾技术主要分为被动偏振光学成像去雾技术和主动偏振光学成像去雾技术。

被动偏振光学成像去雾技术主要基于雾霾气象状况下的大气物理退化模型(如图2所示),从采集的多幅不同偏振方向的图像中精确估算大气光强和无穷远处大气光强两个关键参数,反演退化过程,获得退化前的场景清晰图像。对于雾霾气象环境而言,一般采用被动偏振光学成像去雾技术。


图2 大气物理退化模型示意图(场景目标反射光强(L)经过雾霾区域,会受到雾霾颗粒的强散射和吸收作用,

到达探测器的直接透射光强(D)随传输距离呈指数衰减)

主动偏振光学成像去雾技术不考虑大气物理退化模型,根据主动光在散射介质中的偏振传输特性进行清晰成像。例如水下环境,其衰减系数要远远高于雾霾环境且环境光照较弱,在这种情况下,采取主动成像方案就成为了比较常规的选择。

特点

偏振光学成像去雾技术经过了二十多年的发展,理论上已经较为成熟,实验上得到了良好的去雾效果,环境适应性和算法可靠性也都得到了证明:

1、Mie氏散射条件,这意味着偏振光学成像去雾技术的适用范围广;

2、偏振光学成像去雾技术从偏振光物理模型出发,保证了目标和场景信息的真实性和保真度,具有良好的去雾成像效果;

3、与图像处理去雾技术不同,偏振光学成像去雾技术不需要通过像素间灰度值的关系判断目标和噪声,因此,浓雾霾天气条件下的去雾效果更有优势;

4、算法相对简单,实时性好。

偏振光学成像去雾技术一直以来都是以应用为目标的,实用化将是其主要的发展趋势。偏振光学成像去雾技术想要实现实用化,除了对偏振去雾算法进行优化,最大的挑战来自于偏振成像系统的硬件配套,将偏振去雾算法与偏振光学成像系统的有效结合是偏振光学成像去雾技术得以实用化的关键。与强度型光学相机接收光强度信息一样,目标反射光偏振信息的获取需要由偏振光学成像系统来完成。

研究进展

2001年,美国哥伦比亚大学的Schechner等提出了偏振光学成像去雾技术,首次将光波的大气物理退化模型引入偏振去雾处理中,获得了高质量的去雾图像。

2011年,厦门大学的张晓玲团队在偏振差分成像去雾技术的基础上,结合了图像处理去雾技术,得到了较好的去雾效果。该技术也被证明了可以很好地应用于水下去散射成像应用领域。

2015年,长春理工的段锦团队将基于Stokes矢量(即一种用光的强度信息描述偏振特性的探测方法)的偏振成像去雾技术与基于偏振差分的偏振成像去雾技术进行了对比,发现前者在去雾图像对比度复原方面更好,且对于彩色图像偏振去雾而言,能见度可提升70%以上。

近几年,中科院西安光机所研究团队在实用化方面开展了深入的研究工作,研制出了小型化的全偏振态同时探测实时彩色偏振相机,并开展了实时偏振去雾的相关研究工作。图3所示为偏振相机及拍摄输出的偏振图像。


图3 偏振相机及拍摄输出的偏振图像

总之,偏振光学成像去雾技术具有独特的优势,但同时在实用性上也面临着巨大的挑战,还有很多关键问题亟待解决。相信在不久的将来,偏振光学成像去雾技术会走入人们日常生活,为人们生活带来极大的便利。

文章信息:梁健,巨海娟,张文飞,任立勇,屈恩世,偏振光学成像去雾技术综述,DOI: 10.3788/aos201737.0400001。

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