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偏振光谱图像去雾技术研究

更新时间：2019-12-25 16:57:38 大小：2M 上传用户：zhiyao6查看TA发布的资源 标签：偏振光谱 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

空气污染严重影响了成像质量,雾霾天气下成像的对比度和分辨率下降.利用不同波段偏振光谱数据的图像去雾研究国内外尚未见报道;运用偏振光谱去雾技术对光谱数据立方体研究具有重要意义.在中重度雾霾天气下,利用光谱仪,获取了380～1 000 nm的可见近红外偏振光谱数据,研究了450,550,650,750和850 nm五个波长下偏振图像和去雾结果.结果表明,波长对图像目标与背景的灰度差值影响显著,去雾后图像的灰度动态范围和平滑度都有显著提升;去雾后图像远景对比度平均提升了5倍,其中450 nm图像对比度最低,但对比度提升量最大,提高了7.13倍;850 nm图像对比度最高,但对比度提升量最小,提高了3.86倍;去雾后不同波长图像的灰度动态范围均有明显展宽,展宽范围为13.5％～28.6％,而图像近景动态范围展宽为33.3％～44.0％.分析了图像复原过程中可能出现的估计误差,根据其产生机理提出了对大气散射光的偏振度和无穷远处的大气散射光强度的校正方法,并总结出了最佳校正系数的选取规律,对未知条件下的图像去雾提出指导.通过斯托克斯参数从原始数据中提取偏振信息,基于大气散射光与景物透射光偏振特性差异对图像去雾,偏振光谱图像去雾技术为光谱图像去雾研究提供一种新手段,也为图像去雾技术的发展提供一种新思路.


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，
第
，
，
Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．８ ２３３１２３３８  
ｐｐ  
第
卷
３７  
ꢀ
期
８
光
谱
学
与
光
谱
分
析
ꢀ ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ  
－
，
Ａｕｕｓｔ ２０１７  
ｇ
ꢀ
年
月
Ｓｅｃｔｒｏｓｃｏ ａｎｄＳｅｃｔｒａｌＡｎａｌｓｉｓ  
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ ꢀ ｐ ꢀｐ  
ｐｙ  
２０１７  
ꢀꢀꢀ  
８
ꢀ
ｙ
ꢀ
ꢀ
偏振光谱图像去雾技术研究  
，
１２  
１
＊
，
刘学斌  
夏
璞
ꢀ
，
，
中国科学院西安光学精密机械研究所 中国科学院光谱成像技术重点实验室 陕西 西安  
１．  
７１０１１９  
ꢀ
，
中国科学院大学 北京  
２．  
１０００４９  
ꢀ
， 。  
空气污染严重影响了成像质量 雾霾天气下成像的对比度和分辨率下降 利用不同波段偏振光谱  
ꢀ
摘
要
ꢀ
；
数据的图像去雾研究国内外尚未见报道 运用偏振光谱去雾技术对光谱数据立方体研究具有重要意义  
。
在
， ，  
中重度雾霾天气下 利用光谱 仪 获 取 了  
，
的 可 见 近 红 外 偏 振 光 谱 数 据 研 究 了  
，
４５０ ５５０  
，
３８０ １０００ｎｍ  
～ ꢀ  
，
和
６５０ ７５０ ８５０ｎｍ  
。 ，  
五个波长下偏振图像和去雾结果 结果表明 波长对图像目标与背景的灰度差值影响显  
， ；  
去雾后图像的灰度动态范围和平滑度都有显著提升 去雾后图像远景对比度平均提升了  
，
倍 其中  
著
５
４５０  
， ，  
图像对比度最低 但对比度提升量最大 提高了  
；
倍
８５０ｎｍ  
，
图像对比度最高 但对比度提升量最  
ｎｍ  
７．１３  
，
提高了  
； ，  
去雾后不同波长图像的灰度动态范围均有明显展宽 展宽范围为  
，
而
１３．５％ ２８．６％  
小
倍
３．８６  
～
。 ，  
分析了图像复原过程中可能出现的估计误差 根据其产生机理  
图像近景动态范围展宽为  
３３．３％ ４４．０％  
～
，
提出了对大气散射光的偏振度和无穷远处的大气散射光强度的校正方法 并总结出了最佳校正系数的选取  
， 。 ，  
规律 对未知条件下的图像去雾提出指导 通过斯托克斯参数从原始数据中提取偏振信息 基于大气散射光  
，
与景物透射光偏振特性差异对图像去雾 偏振光谱图像去雾技术为光谱图像去雾研究提供一种新手段  
，
也
。
为图像去雾技术的发展提供一种新思路  
； ； ；  
关键词 图像去雾 光谱学 偏振 气溶胶  
ꢀ
：
：
文献标识码  
Ａ
：
／
（
）
中图分类号  
ＴＰ７５１  
ꢀꢀ  
ＤＯＩ １０．３９６４ ．ｉｓｓｎ．１００００５９３２０１７０８２３３１０８  
ꢀꢀꢀ  
ｊ
－
－
－
，
图像 利用偏振光谱数据对可见和近红外多波段图像去雾研  
［， ］  
１０１１  
－
４
。
究未见报道  
本工作利用斯托克斯参数和穆勒矩阵提  
引
言
ꢀ
，
取偏振信息 根据大气散射光与景物透射光偏振特性差异复  
［
］
１２  
。
－
， ；  
原目标辐射光 通过修正因子实现最佳偏振去雾 研究了不  
目前严重的大气污染导致雾霾问题不断加重  
雾霾  
ꢀꢀ  
［］  
３
，
气溶胶粒子的散射会使  
，
天气下 大气溶胶浓度显著提升  
、 。  
同波长 视场近区和视场远区的成像特点和去雾特性 不仅  
， ，  
景物光发生退化 严重影响了成像的对比度和分辨率 普通  
，
研究了谱段对偏振去雾的规律性 而且为图像多谱段最佳去  
，
成像手段无法在雾霾天气下获取清晰图像 给信息提取和解  
。 ，  
雾融合提供基础 扩展偏振光谱数据的应用 提高雾霾天气  
。 ，  
析带来很大困难 偏振是光的固有特性 雾霾中景物透射光  
，
下光谱数据立方体各个波段的图像质量 进而为偏振光谱全  
，
和大气散射光的偏振特性不同 因此基于偏振信息的图像去  
。
光探测提供一种新手段  
［］  
４
。
雾正成为图像复原的新手段  
［
］
５７  
，
－
：
图像去雾方 法 分 为 两 大 类 基 于 图 像 增 强 的 方 法  
实验部分  
１
ꢀ
、 ；  
如联合双边滤波 地平线检测和黑色通道等 基于图像复原  
［
］
８９  
。
基 于 图 像 增 强 的 去 雾 方 法 不 考 虑  
－
，
的方法 如偏振 成 像  
偏振去雾技术原理  
１．１  
ꢀ
， ，  
雾霾退化图像的物理过程 仅针对退化后图像本身 通过算  
，
雾霾天气下成像系统接收到的总光强 由两部分组成  
Ｉ
， 。  
法提升对比度 部分细节信息的丢失不可避免 偏振去雾充  
，
第一部分由景物辐射产生 称其为景物透射光  
；
第二部分  
Ｄ
，
分考虑了图像退化的物理过程 可以恢复图像的细节信息  
。
， ，  
由环境光源产生 经过大气溶胶的散射到达成像系统 称其  
国内外对偏振去雾的研究主要集中在单一的普通可见光  
。
为大气散射光  
大气溶胶除了会在图像中引入大气散射光  
Ａ
：
，
：
修订日期  
２０１６０６０７  
收稿日期  
２０１６０２２４  
－ －  
ꢀ
ꢀ
ꢀ
－
－
：
（
，
，
）
资助  
１１３２７３０３ ６１４０５２３９ ６１５０１４５６  
基金项目 国家自然科学基金项目  
：
夏
，
，
年生 中国科学院西安光学精密机械研究所博士研究生  
：
ｅｍａｉｌ ｘｉａｕ ｏｔ．ａｃ．ｃｎ  
ꢀꢀ ｐ ＠ ｐ  
作者简介  
璞
１９８９  
ꢀ
－
：
ｅｍａｉｌ ｌｘｂ ｏｔ．ａｃ．ｃｎ  
－
通讯联系人  
＊
ꢀꢀ  
＠ ｐ  
光谱学与光谱分析  
第
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ  
卷
３７  
２３３２  
， ，  
干扰外 也会对景物光产生退化 假设在目标与成像系统间  
，
，
推 扫 纵 向 物 理 分 辨 率 为  
１．５ｎｍ  
光 谱 分 辨 率 为  
１０００ｎｍ  
ꢀ
，
没有任何大气溶胶 探测器接收到的光为目标辐射光  
。
，
像元 可获得  
１００４  
ꢀ
， ，  
和
０° ４５° ９０° １３５°  
景
个不同谱段的  
线
Ｌ
４１３  
，
物透射光为非偏振光 其强度 随着距离的增加而减小  
Ｄ
，
大
。 ，  
偏振图像 需要对比同一场景中不同的偏振图像 要求试验  
，
气散射光为部分偏振光 其强度 随着目标距离的增加而增  
Ａ
，
平台有很好的稳定性 选择美国  
公司  
型电  
ＰＴＵ Ｄ４８Ｅ  
－
ＦＬＩＲ  
， ，  
利用二者偏振特性的差异 可从总光强中剥离大气散射  
， 。  
控云台 保证采集的画面稳定一致 全部原始数据在相同的  
大
［
］
２
提出偏 振 图 像  
１
，
光分量 实现图像去雾复原  
。
、
积分时间 镜头孔径及探测器灵敏度下采集  
。
等
Ｓｃｈｅｃｈｎｅｒ  
，
复原 得到目标辐射光为  
偏振光谱数据于 日在中科院西安光机所  
年
月
１
２０１６  
号楼顶推扫 地理坐标为  
２
２９  
。
１０８°５１′５６″Ｎ ３４°１０′２４″Ｅ  
‖
Ｉ
‖
⊥
⊥
（
Ｉ Ｉ  
－
）／  
Ｐ
，
和
雾霾  
Ｉ
＋
－
（）  
１
Ｌ
＝
‖
⊥
（
Ｉ
）／  
Ａ
ｐ
１
－
Ｉ
－
∞
；
对成像质量的影响程度主要与其浓度有关 采用空气质量指  
⊥
Ｉ
‖
，
Ｉ
（） ，  
中
１
式
为线偏振片的方向垂直于入射面时的图像  
（
，
）
对雾霾进行评价  
ａｉｒ ｕａｌｉｔ ｉｎｄｅｘ ＡＱＩ  
ꢀｑ  
，
数
值 包 含 了  
ＡＱＩ  
日上午 点  
１０ ５４  
ｙ
ꢀ
，
为线偏振片的方向平行于入射面时的图像  
为无穷远处  
Ａ∞  
，
如天空区域 目标的大气散射光强度 为大气散射光的偏  
ｐ
。
的评价参数 数据推扫完成于  
月
ｍ２．５  
１
２９  
，
对 于 图 像 采 集 区 域 移 动 目 标 进 入 视 场  
ｐ
（
）
，
ＡＱＩ  
。
分
值为  
１９３  
。 ，  
振度 在雾霾环境下 搭载线偏振片的成像系统接收的总光  
，
统一以 原始图像为基准 对存在移动目标干扰的区域进行  
０°  
，
强会随偏振片的角度 改变 当线偏振片的方向与入射面平  
α
。
单独处理 根据  
，
卫星定位数据 仪器观测视场近区的一  
ＧＰＳ  
‖
‖
（
＝
α θ  
） ，  
时 大气散射光  
；
最小 当线偏振片的方向与入  
Ａ
行
，
幢三层建筑距离观测点  
仪器观测视场远区的五幢高  
１４８ｍ  
⊥
⊥
（
＝
α θ  
） ，  
时 大气散射光  
。
最大  
射面垂直  
Ａ
。
１．１ｋｍ  
层建筑距离观测点  
，
利用斯托克斯参数和穆勒矩阵 通过获取  
， ，  
０° ４５° ９０°  
和
，
四幅固定方向的线偏振图像对图像进行去雾 无需手动  
１３５°  
结果与讨论  
２
ꢀ
。
操作和主观评判来确定偏振图像的最佳和最差状态 斯托克  
斯方程为  
， ， ，  
和
４５０ ５５０ ６５０ ７５０ ８５０ｎｍ  
选择  
五个波长的图像进  
ꢀꢀ  
（） （ ）  
Ｉ０ Ｉ９０  
＋
Ｓ
＝
＝
＝
Ｓ
０
。
行去雾分析 分别给出了每个波长  
， ，  
和
０° ４５° ９０° １３５°  
线偏振  
烄
（） （ ）  
Ｉ０ Ｉ９０  
（）  
２
Ｓ
１
烅
－
，
图像和去雾后图像 并采用灰度直方图和水平线检测法对去  
（ ） （ ）  
Ｓ
烆 ２  
Ｉ４５ Ｉ１３５  
－
。
雾结果进行分析  
（） ，  
中
２
，
。
表示光的线偏振特性 利用  
Ｓ
２
式
为总光强  
和
Ｓ
０
１
偏振图像及去雾结果  
２．１  
ꢀ
Ｓ
１
２
，
，
（）—  
线偏振图像如图 图  
４５０ｎｍ ０° ４５° ９０° １３５° １ａ  
的
和
⊥
‖
，
斯托克斯参数 可求解偏振角  
，
偏振角  
＝
ａｒｃｔａｎ  
θ
θ
２
Ｓ
１
（）  
。
所示 雾霾严重影响了位于图像中心的视场近区三层建  
１ｄ  
π
⊥
＝
θ
，
通过穆勒矩阵可得任意偏振方向 的光强为  
α
（
筑 距离观测点  
） ，  
的清晰度 视场远区的五栋高层建筑  
１４８ｍ  
＋
２
（
） 。  
基本淹没在背景中 图 像 去 雾 时 偏 置  
１．１ｋｍ  
距离观测点  
１
（）  
Ｉ
α ＝  
（
）
Ｓｃｏｓ２ Ｓｃｏｓ２  
α＋ α  
（）  
３
Ｓ
＋
０
１
２
，
，
图像去雾复原  
１．１  
系数 取值为  
ε
１
校正系数  
取值为  
ε
２
２．１  
２
⊥
‖
和式  
θ
⊥
Ｉ
‖
Ｉ
（）  
所示  
１ｅ  
。
图
（）  
的灰度直方图如图  
１ｆ  
（） ，  
结果如图  
所示 图  
，
（）  
可求解  
３
。
由
和
１ａ  
θ
（）  
的灰度直方图如图  
１ｅ  
（）  
所示 原始线偏振图像与去雾后  
１
ｇ
，
，
当传输距离趋于无穷远时 总光强中的景物透射光分量  
，
图像的灰度直方图进行对比 灰度动态范围展宽了  
，
去
， ，  
几乎被完全衰减掉 只剩下大气散射光分量 此时总光强  
１９％  
Ｉ
⊥
＝ Ｉ －  
。
，
选择由  
雾后灰度直方图更加平滑 图像纵向分辨率为  
１００４  
ꢀ
，
（
等于无穷远处的 大 气 散 射 光 强 度  
并 可 通 过  
Ａ∞  
‖
求解大气散射光的偏振度  
ｐ
‖
⊥
，
行像素做水平线检测 该线完整经过视场远区  
上往下第  
）／（  
）
。
ｐ
，
３２９  
需要说明的是  
Ｉ
Ｉ ＋Ｉ  
－ ｚ  
β
ｅ
， ，  
的左起第一栋和第五栋大楼 不经过其他目标 水平线检测  
上述  
和
是在天空区域的大气衰减系数  
等于零的理  
Ａ∞  
ｐ
（）  
所示 结果表明 去雾后左起第一栋大楼和第五栋  
１ｈ  
，
，
如图  
，
想状态下得到的 一般情况下天空中会存在水蒸气等直径较  
。
大楼的对比度分别提升了  
倍和  
倍
时图像  
４５０ｎｍ  
，
大粒子 这些粒子在接收到目标的辐射后会作为光源向外二  
７．１３  
６．９２  
［ ，  
１０  
］
１３  
。
。
不同区域的灰度值见表  
１
，
次辐射能量 同时完全去除散射也会形成暗深的天空  
，
，
（）—  
线偏振图像如图 图  
５５０ｎｍ ０° ４５° ９０° １３５° ２ａ  
的
和
，
为校正估计误差 分别引入偏置系数  
和校正系数  
对全  
ε
２
ꢀꢀ  
ε
１
（）  
。
所示 图像去雾时偏置系数  
，
校正系数  
１．９  
取值为  
，
有
２ｄ  
局参数  
和
进行修正  
ε
１
ε
２
Ａ∞  
ｐ
，
图像去雾复原结果如图  
１．５  
（）  
所示  
２ｅ  
。 （）  
图 线偏  
２ａ  
取值为  
（）  
４
＝ ε  
ｐ１  
ｐｃ  
（）  
所示 灰度直方图的动态范围  
２ｆ  
，
振图像的灰度直方图如图  
（）  
５
Ａ∞  
Ａ
ε
２
∞
＝
ｃ
；
（）  
去雾后图 的灰度直方图如图  
２ｅ  
（）  
所示 灰度直  
２
ｇ
，
为
（）  
和式  
４
（） ，  
中
５
ｐ
１８５  
式
和
ｃ
ｃ分别为偏置和校正后的大气散射  
Ａ∞  
。
方图的灰度动态范围为  
由上往下第  
行像素水平线  
３２９  
。
２１０  
光偏振度和无穷远处的大气散射光强度 可将  
和
的取  
Ａ∞  
值稍微放大 并需同时考虑提升图像复原质量和抑制噪声两  
），  
ｐ
（）  
所示 结果显示视场远区左起第一栋和第五栋  
２ｈ  
，
检测如图  
，
，
倍 但由于  
６．０２ ５５０ｎｍ  
大楼的对比度分别提升了  
倍和  
。
（
０
４．９２  
方面问题 为保证  
值在合理的范围内  
的取  
ε
１
１
＜
＜
ｐｃ  
ｐ
ｃ
，
图像 去雾后  
原始线偏振图像的对比度优于  
／ ；  
ｐ
。
Ｓ
＜
０
４５０ｎｍ  
５５０ｎｍ  
值范围为  
而
的取值则应保证  
Ａ∞  
ε
２
１
１
＜ε ＜  
１
ｃ
。
图像  
图像的对比度优于  
、
仪器 场景与方法  
４５０ｎｍ  
１．２  
ꢀ
，
试验采用 可 见 近 红 外 偏 振 成 像 光 谱 仪 谱 段 为  
３８０  
～

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