基于偏振數字圖像的特征提取及處理方法研究

摘要：一般的成像就只能探測一定光波段的強度，而偏振成像探測可以獲得目標的光譜、強度、偏振態等參數。以一種人工目標為研究對象，對其進行單波段偏振成像探測試驗，結果表明，目標的偏振信息參數能夠較好的描述物體不同的表面取向，是一種能較好地把人工目標從自然背景中識別出來的手段，提高了背景與目標的對比度，可以作為人工目標識別的輔助方法。

關鍵詞：偏振成像 對比度 目標識別

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0070-01

1 引言

從實際成像的應用來講，由于光在傳播的過程中，將會受到一定的晨霧的散射和反射，使成像系統的獲得的圖像變得模糊、能見度低、對比度下降以至于難以探測、區分目標信息，從而丟失大量重要信息，不能及時對當前情況做出及時、準確的判斷。利用偏振成像系統檢測并分析這些偏振信息，可以反演出目標的本征屬性，特別是以偏振度參數圖像顯示的目標狀態特征，能夠較好的表征不同材質尤其是人工目標區別于背景的特征[1]。

2 偏振度參數的物理意義及數學描述

在一般情況下，場矢量的變化既非完全規則，亦非完全無規則，因而我們可以說這光是部分偏振的。這種光通常由非偏振光經反射散射而產生[2]。表示光的偏振態有兩種方法，一種是由美國物理學家Jones R C[3]在1941年第一次提出的矢量法，用來表示完全偏振光的方法；另一種則是Stokes[4]于1852年引進的矢量法，用來表示部分偏振光研究中的具有光強度量綱的參量，由于都是實數，計算較為簡單方便。在偏振遙感技術應用領域中，一般都采用矢量來描述準單色平面波的偏振狀態。

3 偏振成像檢測機理

光的偏振態可以由斯托克斯矢量表示，

式中，參量顯然代表總光強，、代表總光強中的線偏振部分，等于右旋和左旋圓偏振光檢測裝置透射光強度之差。 用斯托克斯參量表示時，原有波的偏振度也即DOP，

由此可見，斯托克斯參量正像相干矩陣一樣，給系統分析準單色波的偏振態提供了一個有力工具。

4 實驗儀方法及結果分析

系統的組成主要是控制兩個LCVR的輸入電壓，設置4組不同的相位延遲值，來得到4幅不同偏振態的圖像強度值，利用矩陣反演得到斯托克斯矢量的4個分量，經數據處理及視覺系統，實現目標的全偏振探測。其中光學鏡頭為長春理工大學設計，P為孔徑為2cm的偏振片，該系統可分時獲得同一波段（532nm）的四幅不同偏振態的強度圖像，儀器的光學系統的焦距為1300mm，采用1392×1040面陣CCD探測器，量化精度為15bit。

實驗仿真是針對對比度很低的綠草地和綠色涂層板，將它們放在一起來區分并識別綠色草地和綠色涂層板，所以只進行532nm波段的研究，采用偏振融合方法來提高綠色涂層板的對比度。限于篇幅，以下將對所獲得的圖像進行兩種方法的融合算法，為了顯示及圖片處理方便，將實驗獲取得偏振圖像轉換為雙精度，灰度等級為256，在532nm波段對一塊涂層板（尺寸為180cm×150cm×3cm）的鋼板樣品進行探測。為了減少他們之間的反射輻射強度差，選擇了實驗樣板顏色相近的草地作為背景。

由于偏振圖像獨特的偏振特性，如圖1中偏振強度圖像（a）反映圖像的整體分布良好，但是圖像的邊緣信息、紋理信息比較弱，而偏振度圖像（b）相反，它反映的是邊緣和紋理信息豐富?？紤]上述各個偏振特性圖像的特性，因此將（a）和（b）相互融合處理可以獲得符合人類視覺效果的融合圖像。通過對（a）和（b）進行融合后，得到（c）和（d），如圖2中（c）、（d）所示，長方形線框區域突顯了樣板在草地中的位置和形狀大小。通過對偏振度參數圖像處理和分析，認為使用偏振度參數來描述實驗對象，可以使背景與目標的對比度明顯增大，從而較好地反映物體表面狀態特征，增強了對目標的探測和識別能力。

參考文獻

[1]孫曉兵，洪津，喬延利.一種基于偏振角參數圖像的特征提取方法研究[J].2005.4.

[2]馬科斯·玻恩，埃米爾·沃耳夫.光學原理（第七版）[M].北京：電子工業出版社，2009.523-525.

[3]姚啟鈞.光學教程[M].北京：高等教育出版社，1981.321～327.

[4]周秀驥，陶善昌，姚克亞.高等.大氣物理學[M].北京：氣象出版社，1991.740～746.

收稿日期：2016-08-23

作者簡介：喬娟（1990—），女，內蒙古巴彥淖爾人，在讀碩士研究生，主要從事數字圖像處理方面的研究。