基于偏振数字图像的特征提取及处理方法研究

摘要：一般的成像就只能探测一定光波段的强度，而偏振成像探测可以获得目标的光谱、强度、偏振态等参数。以一种人工目标为研究对象，对其进行单波段偏振成像探测试验，结果表明，目标的偏振信息参数能够较好的描述物体不同的表面取向，是一种能较好地把人工目标从自然背景中识别出来的手段，提高了背景与目标的对比度，可以作为人工目标识别的辅助方法。

关键词：偏振成像 对比度 目标识别

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0070-01

1 引言

从实际成像的应用来讲，由于光在传播的过程中，将会受到一定的晨雾的散射和反射，使成像系统的获得的图像变得模糊、能见度低、对比度下降以至于难以探测、区分目标信息，从而丢失大量重要信息，不能及时对当前情况做出及时、准确的判断。利用偏振成像系统检测并分析这些偏振信息，可以反演出目标的本征属性，特别是以偏振度参数图像显示的目标状态特征，能够较好的表征不同材质尤其是人工目标区别于背景的特征[1]。

2 偏振度参数的物理意义及数学描述

在一般情况下，场矢量的变化既非完全规则，亦非完全无规则，因而我们可以说这光是部分偏振的。这种光通常由非偏振光经反射散射而产生[2]。表示光的偏振态有两种方法，一种是由美国物理学家Jones R C[3]在1941年第一次提出的矢量法，用来表示完全偏振光的方法；另一种则是Stokes[4]于1852年引进的矢量法，用來表示部分偏振光研究中的具有光强度量纲的参量，由于都是实数，计算较为简单方便。在偏振遥感技术应用领域中，一般都采用矢量来描述准单色平面波的偏振状态。

3 偏振成像检测机理

光的偏振态可以由斯托克斯矢量表示，

式中，参量显然代表总光强，、代表总光强中的线偏振部分，等于右旋和左旋圆偏振光检测装置透射光强度之差。 用斯托克斯参量表示时，原有波的偏振度也即DOP，

由此可见，斯托克斯参量正像相干矩阵一样，给系统分析准单色波的偏振态提供了一个有力工具。

4 实验仪方法及结果分析

系统的组成主要是控制两个LCVR的输入电压，设置4组不同的相位延迟值，来得到4幅不同偏振态的图像强度值，利用矩阵反演得到斯托克斯矢量的4个分量，经数据处理及视觉系统，实现目标的全偏振探测。其中光学镜头为长春理工大学设计，P为孔径为2cm的偏振片，该系统可分时获得同一波段（532nm）的四幅不同偏振态的强度图像，仪器的光学系统的焦距为1300mm，采用1392×1040面阵CCD探测器，量化精度为15bit。

实验仿真是针对对比度很低的绿草地和绿色涂层板，将它们放在一起来区分并识别绿色草地和绿色涂层板，所以只进行532nm波段的研究，采用偏振融合方法来提高绿色涂层板的对比度。限于篇幅，以下将对所获得的图像进行两种方法的融合算法，为了显示及图片处理方便，将实验获取得偏振图像转换为双精度，灰度等级为256，在532nm波段对一块涂层板（尺寸为180cm×150cm×3cm）的钢板样品进行探测。为了减少他们之间的反射辐射强度差，选择了实验样板颜色相近的草地作为背景。

由于偏振图像独特的偏振特性，如图1中偏振强度图像（a）反映图像的整体分布良好，但是图像的边缘信息、纹理信息比较弱，而偏振度图像（b）相反，它反映的是边缘和纹理信息丰富。考虑上述各个偏振特性图像的特性，因此将（a）和（b）相互融合处理可以获得符合人类视觉效果的融合图像。通过对（a）和（b）进行融合后，得到（c）和（d），如图2中（c）、（d）所示，长方形线框区域突显了样板在草地中的位置和形状大小。通过对偏振度参数图像处理和分析，认为使用偏振度参数来描述实验对象，可以使背景与目标的对比度明显增大，从而较好地反映物体表面状态特征，增强了对目标的探测和识别能力。

参考文献

[1]孙晓兵，洪津，乔延利.一种基于偏振角参数图像的特征提取方法研究[J].2005.4.

[2]马科斯·玻恩，埃米尔·沃耳夫.光学原理（第七版）[M].北京：电子工业出版社，2009.523-525.

[3]姚启钧.光学教程[M].北京：高等教育出版社，1981.321～327.

[4]周秀骥，陶善昌，姚克亚.高等.大气物理学[M].北京：气象出版社，1991.740～746.

收稿日期：2016-08-23

作者简介：乔娟（1990—），女，内蒙古巴彦淖尔人，在读硕士研究生，主要从事数字图像处理方面的研究。