水下目標偏振光學(xué)成像實驗研究

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)的變化分析目標光強圖像以及偏振度、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)進行研究，實驗采用安裝偏振器的探測器，圖像強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、成像距離的實驗，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］開展水下實驗探討水下偏振成像特性，采用較為昂貴的SALA相機，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)合的水下遠距離成像方法，為遠距離深海光學(xué)監(jiān)測提供了新的研究思路?，F(xiàn)有偏振成像研究實驗中探測實驗成本較高，并且圖像數(shù)據(jù)處理過程較為復(fù)雜。本文以高分辨率、低實驗成本以及高便捷性為目標搭建實驗平臺，研究目標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探測的影響。

1 實驗原理

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，代表目標物體的反射率；Q表示0°與90°方向線偏振光之差；U表示45°與90°方向線偏振光強度之差；Q和U反映目標物表面不同的粗糙程度以及紋理等目標輻射信息；V代表總光強的圓偏振，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，包括圖像熵H、標準差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；標準差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準，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 實驗材料

實驗原理如圖1所示，CCD探測器連接上位機，通過旋轉(zhuǎn)偏振片采集不同角度的偏振圖像。本實驗基于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)下滿足實時性要求，能夠及時觀測實驗狀態(tài)；拍攝單幀圖像可實現(xiàn)對圖像的保存功能，以完成后續(xù)對實驗圖像的特性分析。偏振成像實驗過程中使用的器材料如表1所示。

圖1 實驗原理示意圖

表1 實驗材料

3 實驗方案

搭建好實驗平臺后，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。在實驗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偏振成像的影響實驗中，選用金屬直尺為目標物。

（1）初步偏振成像實驗在清水環(huán)境中進行，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）偏振成像實驗在清水環(huán)境中進行，調(diào)整水下目標的放置距離為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偏振成像實驗圖像。

（4）探討不同材質(zhì)目標對水下目標偏振成像的影響時，保持目標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)的目標物體，觀察在理想水體中偏振成像信息差異。

4 實驗結(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圖像標準差D、信息熵H、對比度C以及峰值信噪比PSNR的實驗結(jié)果變化曲線?？梢钥闯?，隨成像距離增大，偏振圖像標準差呈減小趨勢，說明目標距離放置越遠，水體后向散射光干擾越強，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反射光就越少。綜合多指標變化來看，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等滿足指標需求。

4.3 不同目標材質(zhì)的偏振圖像

根據(jù)上述探究實驗分析，選取最佳成像觀測角度0°，60°，120°，并在目標距離30 cm處對金屬直尺、印花塑料、羽毛球以及木塊等進行偏振成像。圖6為各目標物的偏振分量圖像。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圖像I對比度指標高于金屬直尺、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

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，圖像噪聲加大，直至目標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)量評價指標結(jié)果如圖7所示，隨著水體濁度的不斷增大，信息指標逐漸減小，背景噪聲干擾較強，目標物包含的細節(jié)信息顯著丟失，但偏振圖像I，Q，U信息指標數(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

偏振成像實驗分別從目標成像觀測角度、目標物距離、目標材質(zhì)以及水體渾濁度等4個方面進行，獲取斯托克斯矢量參數(shù)圖像，就圖像信息指標分析偏振圖像信息質(zhì)量，得到以下結(jié)論：經(jīng)實驗對比分析，采集0°、60°、120°偏振角度圖像更優(yōu)，實驗操作簡便；隨著目標物距離的不斷增大，目標物在成像過程中逐漸變小，偏振成像圖像信息指標衰減緩慢，在相對較遠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物邊界及輪廓基本信息。