郭銀景， 吳 琪， 苑嬌嬌， 侯佳辰， 劉 琦， 馬新瑞， 呂文紅

（山東科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院；交通學(xué)院，山東青島266590）

0 引 言

水下光學(xué)成像在水下目標(biāo)探測［1-2］、海洋資源勘探［3］等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，然而，由于水體對可見光的吸收和散射作用，造成成像對比度下降，因此克服水體散射對水下成像的影響是亟待解決的問題［4］。偏振光學(xué)成像技術(shù)作為新興的水下光學(xué)成像技術(shù)，可以解決水中懸浮顆粒的雜散光問題，同時能夠獲取目標(biāo)物的偏振特性信息。與傳統(tǒng)水下成像技術(shù)相比，偏振光學(xué)成像技術(shù)根據(jù)光波偏振態(tài)的變化分析目標(biāo)光強(qiáng)圖像以及偏振度、偏振角等參數(shù)圖像，從而滿足對探測目標(biāo)的紋理結(jié)果、表面狀態(tài)和材料類型等信息需求。

Schechner等［5-6］對水下偏振成像技術(shù)進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)采用安裝偏振器的探測器，圖像強(qiáng)度隨偏振角度不同發(fā)生信息變化。Yang等［7］提出利用主動非偏振照明的偏振成像技術(shù)提高渾濁水下圖像的可見度的方法。Tian等［8］提出基于偏振度和多視角圖像后向散射強(qiáng)度的物體輻射檢索方法。曹念文等［9］開展了偏振成像技術(shù)對提高成像清晰度、成像距離的實(shí)驗(yàn)，得出偏振圖像清晰度與距離的定量關(guān)系。吳中芳等［10］、鮑富成等［11］開展水下實(shí)驗(yàn)探討水下偏振成像特性，采用較為昂貴的SALA相機(jī)，分析對比偏振圖像目物體表面信息。張若蘭等［12］提出短相干照明和偏振相結(jié)合的水下遠(yuǎn)距離成像方法，為遠(yuǎn)距離深海光學(xué)監(jiān)測提供了新的研究思路?，F(xiàn)有偏振成像研究實(shí)驗(yàn)中探測實(shí)驗(yàn)成本較高，并且圖像數(shù)據(jù)處理過程較為復(fù)雜。本文以高分辨率、低實(shí)驗(yàn)成本以及高便捷性為目標(biāo)搭建實(shí)驗(yàn)平臺，研究目標(biāo)物在水下的偏振成像特性，探討成像觀測角度、成像距離、材料以及渾濁度對偏振成像目標(biāo)探測的影響。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 偏振成像基本原理

光的偏振態(tài)通常用Stokes矢量表示，描述的光可以是完全偏振光、部分偏振光和完全非偏振光，由于Stokes矢量與光強(qiáng)成正比，可以直接被探測器探測。研究人員利用Stokes-Mueller形式表征偏振光通過不同散射介質(zhì)的傳輸特性［13］，Stokes矢量量化表達(dá)式為

式中：Eox、Eoy分別表示電場x、y方向的振幅；φ表示兩個方向之間的相位差；I表示總光強(qiáng)，代表目標(biāo)物體的反射率；Q表示0°與90°方向線偏振光之差；U表示45°與90°方向線偏振光強(qiáng)度之差；Q和U反映目標(biāo)物表面不同的粗糙程度以及紋理等目標(biāo)輻射信息；V代表總光強(qiáng)的圓偏振，該分量近似為0［14］。通常，確定3個Stokes參量就可以得到光線的偏振態(tài)。線偏振度DOLP和偏振角AOP計算如下：

1.2 圖像信息提取

采用多種圖像質(zhì)量評價指標(biāo)，包括圖像熵H、標(biāo)準(zhǔn)差D、對比度C以及峰值信噪比（Peak Signal to Noise Ratio，PSNR）對Stokes參數(shù)圖像I，Q，U以及線偏振度圖像DOLP、偏振角圖像AOP進(jìn)行信息分析。通常來說，圖像熵H值越大，圖像的質(zhì)量越高；標(biāo)準(zhǔn)差D越大，圖像信息反差越大，圖像越清晰；對比度C表征圖像整體亮暗區(qū)域之間的比率，亮暗漸變層次越多，圖像信息越豐富；PSNR是評價圖像的客觀標(biāo)準(zhǔn)，可直觀反映圖像信噪比的變化情況，其值越大表示圖像失真越小。

2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示，CCD探測器連接上位機(jī)，通過旋轉(zhuǎn)偏振片采集不同角度的偏振圖像。本實(shí)驗(yàn)基于LabVIEW開發(fā)攝像和拍攝單幀圖像兩種拍攝狀態(tài)。攝像狀態(tài)下滿足實(shí)時性要求，能夠及時觀測實(shí)驗(yàn)狀態(tài)；拍攝單幀圖像可實(shí)現(xiàn)對圖像的保存功能，以完成后續(xù)對實(shí)驗(yàn)圖像的特性分析。偏振成像實(shí)驗(yàn)過程中使用的器材料如表1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)原理示意圖

表1 實(shí)驗(yàn)材料

3 實(shí)驗(yàn)方案

搭建好實(shí)驗(yàn)平臺后，調(diào)整CCD探測器鏡頭光圈和焦距，根據(jù)LED照明光源情況，設(shè)置合適曝光時間。在實(shí)驗(yàn)過程中注意入射光路和接受光路之間保持一定的夾角，以降低成像過程中的噪聲干擾。在探究成像觀測角度、放置距離、不同水體渾濁度變化對水下目標(biāo)偏振成像的影響實(shí)驗(yàn)中，選用金屬直尺為目標(biāo)物。

（1）初步偏振成像實(shí)驗(yàn)在清水環(huán)境中進(jìn)行，第1種成像方案采用0°、60°、120°偏振圖像；第2種成像方案采用0°、45°、90°、135°偏振圖像。

（2）偏振成像實(shí)驗(yàn)在清水環(huán)境中進(jìn)行，調(diào)整水下目標(biāo)的放置距離為20，30，40，50 cm，選擇最佳偏振成像觀測角度后，依次采集隨放置距離變化的偏振成像數(shù)據(jù)，確定合適目標(biāo)成像距離。

（3）配制氧化鈣濃度分別為120，240，360，480 mg/L的渾濁水體，采用最佳成像觀測角度與成像距離，依次采集在不同水體渾濁下目標(biāo)偏振成像實(shí)驗(yàn)圖像。

（4）探討不同材質(zhì)目標(biāo)對水下目標(biāo)偏振成像的影響時，保持目標(biāo)物體放置距離與成像觀測角度一致，放置金屬直尺、印字陶瓷、塑料以及印花皮質(zhì)4種不同材質(zhì)的目標(biāo)物體，觀察在理想水體中偏振成像信息差異。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 不同成像觀測角度的偏振圖像

不同成像觀測角度下獲取到的偏振圖像如圖2、3所示。目標(biāo)物在不同偏振態(tài)的光波下具有不同的偏振信息，圖4為兩種成像方案下獲取偏振圖像的信息指標(biāo)變化直觀顯示狀圖。對于提出的兩種成像方案，計算得到的偏振圖像Q、U都能夠大部分直觀獲取目標(biāo)物信息，但方案1金屬直尺刻度信息及輪廓清晰完整，線偏振度圖像DOLP與偏振角圖像DOP能反映圖像偏振信息，在保持圖像細(xì)節(jié)紋理等信息有明顯優(yōu)勢。

圖2 第1種成像方案圖像采集

圖4 兩種成像方案圖像信息指標(biāo)對比

4.2 不同成像距離的偏振圖像

圖5 所示為偏振圖像I，Q，U以及線偏振度DOLP、偏振角AOP圖像標(biāo)準(zhǔn)差D、信息熵H、對比度C以及峰值信噪比PSNR的實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化曲線?？梢钥闯?，隨成像距離增大，偏振圖像標(biāo)準(zhǔn)差呈減小趨勢，說明目標(biāo)距離放置越遠(yuǎn)，水體后向散射光干擾越強(qiáng)，CCD

圖3 第2種成像方案圖像采集

圖5 不同成像距離偏振圖像質(zhì)量指數(shù)變化折線圖

探測器接收到的目標(biāo)反射光就越少。綜合多指標(biāo)變化來看，選取30 cm處偏振圖像為最佳成像距離，圖像主觀其細(xì)節(jié)信息，亮暗層次變化豐富，且信息熵H、信噪比PSNR等滿足指標(biāo)需求。

4.3 不同目標(biāo)材質(zhì)的偏振圖像

根據(jù)上述探究實(shí)驗(yàn)分析，選取最佳成像觀測角度0°，60°，120°，并在目標(biāo)距離30 cm處對金屬直尺、印花塑料、羽毛球以及木塊等進(jìn)行偏振成像。圖6為各目標(biāo)物的偏振分量圖像。一般來說，塑料通常會有較高的退偏能力［15］，而光滑的金屬則相反。根據(jù)表2信息，可以看到塑料、布條等偏振光總光強(qiáng)圖像I對比度指標(biāo)高于金屬直尺、玻璃等，且在水體環(huán)境中經(jīng)過反射、散射的光，使得表面較為粗糙的目標(biāo)物其線偏振度圖像DOLP以及偏振角圖像AOP邊緣信息層次明顯。

圖6 不同材質(zhì)的目標(biāo)物水下偏振圖像I、Q、U以及線偏振度圖像DOLP、偏振角圖像AOP圖像

表2 不同成像距離偏振圖像對比度指標(biāo)

4.4 不同水體渾濁度的偏振圖像

隨著氧化鈣濃度的逐漸增大，光波受渾濁水體的吸收作用及水中懸浮顆粒的后向散射作用增強(qiáng)，圖像噪聲加大，直至目標(biāo)物金屬直尺刻度消失在濃度較高的水體中。水體中不規(guī)則顆粒的散射作用導(dǎo)致偏振圖像I，Q，U退偏作用顯著。偏振圖像質(zhì)量評價指標(biāo)結(jié)果如圖7所示，隨著水體濁度的不斷增大，信息指標(biāo)逐漸減小，背景噪聲干擾較強(qiáng)，目標(biāo)物包含的細(xì)節(jié)信息顯著丟失，但偏振圖像I，Q，U信息指標(biāo)數(shù)值相對較大，包含較為豐富的圖像信息。

圖7 不同渾濁度下偏振圖像質(zhì)量指數(shù)變化折線圖

5 結(jié) 語

偏振成像實(shí)驗(yàn)分別從目標(biāo)成像觀測角度、目標(biāo)物距離、目標(biāo)材質(zhì)以及水體渾濁度等4個方面進(jìn)行，獲取斯托克斯矢量參數(shù)圖像，就圖像信息指標(biāo)分析偏振圖像信息質(zhì)量，得到以下結(jié)論：經(jīng)實(shí)驗(yàn)對比分析，采集0°、60°、120°偏振角度圖像更優(yōu)，實(shí)驗(yàn)操作簡便；隨著目標(biāo)物距離的不斷增大，目標(biāo)物在成像過程中逐漸變小，偏振成像圖像信息指標(biāo)衰減緩慢，在相對較遠(yuǎn)成像距離偏振成像信息仍有較豐富的紋理信息；不同材質(zhì)的目標(biāo)物在水體中的偏振特性表現(xiàn)出較大差異，木塊等粗糙表面目標(biāo)物線偏振度圖像所包含的信息普遍比金屬直尺等具有光滑表面目標(biāo)物豐富；隨著水體渾濁度的增大，獲取圖像背景噪聲顯著，從而導(dǎo)致目標(biāo)物體不清晰，根據(jù)對比度C的計算分析可知，偏振圖像在渾濁水域仍能獲取水下目標(biāo)物邊界及輪廓基本信息。