1、編號 偏振成像與偏振圖像融合技術(shù)與方法Technology and Method of Polarization Imaging and Polarization Image Fusion學(xué) 生 姓 名專 業(yè)學(xué) 號學(xué) 院 2014年06月摘 要：偏振成像技術(shù)能在雜亂背景下提高目標(biāo)的識別率，對于人造假目標(biāo)和偽裝具有獨(dú)特的辨別能力，同時(shí)能提高圖像的對比度和清晰度。在過去的十幾年中，成像偏振技術(shù)獲得了迅速的發(fā)展，應(yīng)用的范圍也在不斷地?cái)U(kuò)大，己經(jīng)成為信息獲取領(lǐng)域中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。本文主要論述了偏振成像技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景，對偏振光的基本理論進(jìn)行了研究。通過用數(shù)學(xué)表達(dá)式和矩陣對多源圖像融合技術(shù)進(jìn)行了詳

2、細(xì)的理論描述。關(guān)鍵詞：偏振成像 圖像融合 斯托克斯參量 瓊斯矩陣AbstractPolarization imaging has the ability to identify false targets and enhance images taken in poor visibility and even restore clear-day visibility of scene. In the past several years, polarization imaging has been developed rapidly, the scope of application in c

3、ontinually expanding, already became in the field of information for a research hotspot. This article mainly discusses the technology development status and the application prospect of polarized light and studies the basic theory of polarized light technology. By using mathematical expression and th

4、e matrix of the source image fusion technology detailed description of the theory.Keywords：Polarization Imaging; Polarization Image Fusion; Stokes parameter; Jones matrix 第一章 緒論1.1引言光波是電磁波的一個(gè)波段，光波的信息包括：振幅（光強(qiáng)）、頻率（波長）、位相、偏振態(tài)（光波電磁場的振動(dòng)方向）4 種獨(dú)立的信息。一般的成像技術(shù)只探測一定光波段的強(qiáng)度。能夠探測景物光波偏振態(tài)的成像技術(shù)，就是偏振成像。偏振成像是在實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)偏振

5、信息的基礎(chǔ)上利用所得到的信息進(jìn)行目標(biāo)重構(gòu)增強(qiáng)的過程，它能夠提供更多維度的目標(biāo)信息，是一項(xiàng)具有巨大應(yīng)用價(jià)值的前沿技術(shù)，特別適合于隱身、偽裝、虛假目標(biāo)的探測識別，在霧霾、煙塵等惡劣環(huán)境下能提高光電探測裝備的目標(biāo)探測識別能力。偏振成像技術(shù)研究的主要內(nèi)容包括：什么是偏振光？自然光是非偏振光，還是偏振光？用什么參數(shù)描述偏振光？光的傳播方式（自發(fā)輻射、反射、散射、透射和衍射）如何影響光的偏振特性，如何定量描述？Fresnel 公式、Jones 矩陣、Mueller 矩陣在光波偏振現(xiàn)象中有何應(yīng)用？Rayleigh 散射和 Mie散射對光波的起偏作用及其異同點(diǎn)是什么？人造（目標(biāo)）物體與自然（背景）物體的偏振特

6、性有何差異？偏振成像的工作原理是什么？有哪些技術(shù)方案可以實(shí)現(xiàn)偏振成像？在設(shè)計(jì)偏振成像系統(tǒng)時(shí)，空間和時(shí)間分辨率如何權(quán)衡？偏振信息如何進(jìn)行圖像融合處理,以及可視化顯示？誤偏振信息的來源是什么，如何校正之？偏振成像有什么用途？不同波段的偏振成像有何差別？如何研制偏振光學(xué)元器件？如何研制偏振探測器？偏振光學(xué)元件和偏振成像整機(jī)性能如何描述和檢測？偏振成像如何建模和仿真？在設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，偏振光線如何追跡？如何建立偏振點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，偏振傳遞函數(shù)和噪聲等效線偏振度數(shù)學(xué)模型，如何測量之？總之偏振成像是一種新的成像技術(shù)，需要建立一套完整的理論體系，及專業(yè)配套的技術(shù)體系。本文主要對偏振成像與偏振圖像融合技術(shù)與方法進(jìn)

7、行研究。1.2 偏振成像的發(fā)展偏振圖像發(fā)展歷史如表1所示。早在 20 世紀(jì) 70 年代，美國就開始進(jìn)行偏振成像技術(shù)的研究工作，經(jīng)過了40多年的發(fā)展，目前已發(fā)展了多種偏振成像探測技術(shù)，它們可根據(jù)實(shí)現(xiàn)年代、技術(shù)方案、核心器件等不同分為 5 類：機(jī)械旋轉(zhuǎn)偏振光學(xué)元件，分振幅型偏振成像裝置，液晶可調(diào)濾光片型偏振成像裝置，分孔徑型偏振成像裝置，分焦平面型和通道調(diào)制型偏振成像裝置。2012 年之前，人們探索實(shí)現(xiàn)了線偏振成像。2012 年 2 月，美國報(bào)道了圓偏振濾光片的研究成果，有望將來實(shí)現(xiàn)全偏振成像。開展該研究的機(jī)構(gòu)主要有美國 NASA JPL，Moxtek 公司，Arizo-na 大學(xué)、科羅拉多礦業(yè)大

8、學(xué)、華盛頓大學(xué)圣路易斯分校等，其技術(shù)難點(diǎn)主要是微型線/圓偏振片陣列的工作機(jī)理、優(yōu)化設(shè)計(jì)及其與 CCD 相機(jī)像元的精確配準(zhǔn)等，大多處于探索階段，性能指標(biāo)離實(shí)用還有一定距離。通道調(diào)制型偏振成像裝置的雛形出現(xiàn)于 2003 年，它利用位相延遲器將不同位相因子分別同時(shí)調(diào)制到各線/圓偏振分量上，通過成像透鏡傅里葉變換在探測器面陣上分開，再通過計(jì)算機(jī)解調(diào)實(shí)現(xiàn)全偏振成像探測。2003年日本北海道大學(xué)實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)單色光實(shí)時(shí)探測，2008 年實(shí)現(xiàn)了單色偏振成像，2011 年美國 Arizona 大學(xué)將其工作波段擴(kuò)展到 50 nm，提升了光通量和探測距離，但受器件結(jié)構(gòu)限制，成像質(zhì)量尚待提高。國外對偏振成像技術(shù)的研究已

9、經(jīng)取得了豐碩的成果，目前還沒有普及，國內(nèi)在該領(lǐng)域尚處于起步探索階段。表1 偏振圖像發(fā)展歷史年代類型典型特征典型應(yīng)用領(lǐng)域1970旋轉(zhuǎn)偏振片型時(shí)序式，機(jī)械旋轉(zhuǎn)體積中等，( 準(zhǔn)) 靜態(tài)成像氣象探測等1980分振幅型多光路、多探測器體積龐大，可實(shí)時(shí)成像地物探測等1990液晶調(diào)制型時(shí)序式，電控旋轉(zhuǎn)體小但光通量低，( 準(zhǔn)) 靜態(tài)成像科學(xué)實(shí)驗(yàn)等1990后期分孔徑型多光路、單探測器體積小，實(shí)時(shí)線偏振成像近地空間監(jiān)測等2000-分焦平面型單光路單探測器全偏振、實(shí)時(shí)成像、小型集成化著重面向應(yīng)用2003-通道調(diào)制型單光路、單探測器全偏振、實(shí)時(shí)成像、輕小模塊化著重面向應(yīng)用第二章 偏振成像的技術(shù)與方法在介質(zhì)中傳輸?shù)墓猓?/p>

10、與介質(zhì)發(fā)生相互作用后，其偏振狀態(tài)的斯托克斯參數(shù)或瓊斯矩陣會發(fā)生變化，改變的程度與介質(zhì)的物理特性（如其介質(zhì)特性、結(jié)構(gòu)特征、粗糙度、水分含量、觀察角、輻照度等條件）密切相關(guān)。 橢圓偏振光可看作是電矢量和沿同一方向Z傳播的線偏光的合成。 (2-1)將2-1式合并成一個(gè)方程： (2-2)式中，分別為振幅，表示兩波的相對位相差，為兩光波的角頻率，t為時(shí)間。式2-2為一橢圓方程。即合成的矢量的端點(diǎn)在波的平面內(nèi)描繪的軌跡呈現(xiàn)橢圓形，取向和旋轉(zhuǎn)方向由，和決定。當(dāng)=，2-2式表征一正橢圓偏振光，且當(dāng)=時(shí)，為圓偏振光，當(dāng)=0，或()=0時(shí)，橢圓偏振光退化成線偏振光。圖2-1中描繪了不同位相差的橢圓軌跡圖。圖2-1

11、橢圓偏振光軌跡圖2.1 瓊斯矩陣當(dāng)偏振光通過一個(gè)或幾個(gè)偏振元件后的偏振態(tài) 可以用一個(gè) 22矩陣來表示： （2-3）這個(gè)22矩陣J為偏振元件的傳輸矩陣，也稱瓊斯矩陣，其元素僅與器件有關(guān)，若偏振光依次通過N個(gè)偏振元件，它們的傳輸矩陣分別為（i=1，2，3，n）則從第N個(gè)偏振元件出射的光的瓊斯矢量顯然為 （2-4）因此瓊斯矩陣表征了器件對偏振光的變換特性，如果瓊斯矩陣中的元素受到某信息量的調(diào)制，則該器件出射的偏振光的偏振態(tài)相應(yīng)的受到調(diào)制，由此可以檢測出被測物信息的特征。這就是利用偏振光檢測的基本原理。2.2 斯托克斯參量當(dāng)描述部分偏振光或測量光的偏振態(tài)時(shí)，優(yōu)先選用斯托克斯參量，由于斯托克斯參量用光強(qiáng)

12、來表示，可以直接測量，計(jì)算較為簡便。由參量S(， )可以得到表示偏振特性的偏振度和偏振角。下面給出用光強(qiáng)表示的斯托克斯參量： （2-5） 式中、分別表示通過放置在垂直光傳播方向上的線偏振片并且偏振片透光軸方向分別為X、Y、+45、-45后的光強(qiáng)。、分別表示通過右旋（）和左旋（）圓偏振片的光強(qiáng)。表示總的入射光強(qiáng)。表示x分量和y分量的光強(qiáng)差。表示+45和-45偏振分量的光強(qiáng)差。表示右旋和左旋圓偏振分量的光強(qiáng)差。斯托克斯參數(shù)的參量表征的是橢圓偏振,金屬反射的電磁波在某些方向上橢圓偏振比較強(qiáng),所以對橢圓偏振的測量在軍事上有極其重要的意義,正在日益受到重視。偏振度(Degree of polarizat

13、ion，縮寫為DOP)：偏振光的能量與全部光能的比例。 （2-6）偏振方向(polarization Orientation，簡稱POR)：橢圓主軸與傳統(tǒng)坐標(biāo)系軸之間的夾角： （2-7）偏振橢率： （2-8）這里偏振度P是一個(gè)0到1之間的無量綱數(shù)，P=0時(shí)，表示光是非偏振光；P=1時(shí)，表示光是全偏振光；0 P 1時(shí)，表示光是部分偏振光。偏振角表示入射光的偏振方向相對于x軸的夾角。對于部分偏振光來說，就是能量最大的偏振方向相對于x軸的夾角。2.3米勒矩陣用米勒矩陣表示法研究部分偏振光在消偏振光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)的傳播問題顯得簡單明了,其適用范圍顯然還包括光學(xué)系統(tǒng)是非消偏振以及入射光是部分偏振或全偏振這些特

14、殊場合。偏振光學(xué)系統(tǒng)的組合矩陣與元件的特征矩陣都是4x4的米勒矩陣。利用線性原理和被考的光學(xué)元件的特性,很容易求出某一光學(xué)元件的米勒矩陣。從光學(xué)系統(tǒng)出射的光波斯托克斯矢量,可以用光學(xué)系統(tǒng)的米勒矩陣左乘入射光波的斯托克斯矢量得到,即 (2-9)當(dāng)光波順序受級連的N個(gè)光學(xué)系統(tǒng)(元件)作用時(shí),總的組合效果由以下米勒矩陣來描述: (2-10)式中是第k個(gè)光學(xué)分量元件對光波施加作用的米勒矩陣,1、2、N是分量元件與光波相遇的次序。對于透鏡、球面鏡這種形狀為軸向?qū)ΨQ,且與入射光束方向垂直放置的光學(xué)成像偏振技術(shù)及其應(yīng)用元件,在理想情況下并不改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)。應(yīng)用米勒矩陣表示式可以很容易得到光學(xué)系統(tǒng)的與偏振

15、相關(guān)的強(qiáng)度透射率公式。其原因是總強(qiáng)度即為斯托克斯矢量的第一個(gè)分量。第三章 偏振圖像融合的技術(shù)與方法圖像融合是數(shù)據(jù)融合范圍內(nèi)主要以圖像為研究對象的領(lǐng)域 它把對同一目標(biāo)或場景用不同傳感器所獲得的圖像或用同一傳感器用不同方式所獲得的多重圖像合成一幅圖像在這幅圖像中能反映多重原始圖像中的信息以達(dá)到對目標(biāo)和場景更精確更全面地分析和判斷。由于圖像融合是數(shù)據(jù)融合的子集必然具有數(shù)據(jù)融合的優(yōu)點(diǎn)能夠提高傳感器系統(tǒng)的有效性和信息的使用效益。圖像融合技術(shù)在軍事、遙感、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用有著廣泛的應(yīng)用同時(shí)也占有重要的地位。3.1多源圖像融合圖像融合是二十世紀(jì)70年代后期提出的新概念，是多傳感器信息融合中可視信息部

16、分的融合。所謂圖像融合是指綜合兩個(gè)或多個(gè)源圖像的信息，以獲取對同一場景的更為精確、更為全面、更為可靠的圖像描述。在某些情況下，由于受照明、環(huán)境條件(如噪聲、云、煙霧、雨等)、目標(biāo)狀態(tài)(例如運(yùn)動(dòng)、密集目標(biāo)、偽裝目標(biāo)等)、目標(biāo)位置(如遠(yuǎn)近、障礙物等)以及傳感器固有特性等因素的影響，通過單一傳感器所獲得的圖像信息不足以用來對目標(biāo)或場景進(jìn)行更好的檢測、分析和理解，這正是圖像融合要解決的問題。圖像融合充分利用了多個(gè)待融合圖像中包含的冗余信息和互補(bǔ)信息，更符合人或機(jī)器的視覺特性，有利于對圖像的進(jìn)一步分析、目標(biāo)的檢測、識別或跟蹤。多源圖像融合是一門綜合了傳感器、圖像處理、信號處理、顯示、計(jì)算機(jī)和人工智能等技

17、術(shù)的現(xiàn)代高新技術(shù)。由于圖像融合系統(tǒng)具有突出的探測優(yōu)越性(時(shí)空覆蓋寬、目標(biāo)分辨力與測量維數(shù)高、重構(gòu)能力好、冗余性、互補(bǔ)性、時(shí)間優(yōu)越性以及相對低成本性等)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于軍事、遙感、機(jī)器人視覺和醫(yī)學(xué)圖像處理等領(lǐng)域中，在國際上技術(shù)先進(jìn)的國家受到高度重視并取得相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展。人們獲取圖像的途徑越來越多，使圖像融合處理的圖像種類也越來越多，如雷達(dá)與紅外圖像融合、紅外圖像與可見光圖像融合、雷達(dá).與雷達(dá)圖像融合、不同波段紅外圖像融合、CT、PET、MRI等的圖像融合、單傳感器多譜段圖像融合、單傳感器圖像序列的融合、圖像與非圖像的融合等。3.2圖像融合的層次一般遙感圖像的處理流程主要有：圖像預(yù)處理(基于單個(gè)像元

18、)；特征提??；分類；結(jié)果評價(jià)與應(yīng)用。按照融合在處理流程中所處的階段，以及所作用的對象的不同，可以將圖像融合分為3個(gè)層次；像元級融合、特征級融合、分類(決策)級融合。 3.2.1像元級融合像元級融合是在圖像預(yù)處理階段的融合。將兩個(gè)圖像空間配準(zhǔn)，然后將兩圖像上各像元的物理量進(jìn)行加權(quán)求和，所得的值為新圖像該坐標(biāo)上的像元值。它主要是增加圖像中有用的信息成分，以便改善如分割、特征提取等處理的效果。3.2.2特征級融合特征級融合是在圖像特征提取階段的融合。對不同圖像進(jìn)行特征提取，按各圖像上相同類型的特征進(jìn)行融合處理； 它使得能夠以高的致信度來提取有用的圖像特征。3.2.3分類(決策) 級融合分類(決策)級

19、融合：這是更高水平的融合。首先按照應(yīng)用的要求對各圖像進(jìn)行分類，確定各類別中的特征影像，再按此進(jìn)行融合處理。它使得來源于不同傳感器的圖像在最高抽象層次上得到有效的利用。3.3融合效果評價(jià)影像融合的一個(gè)重要步驟是對融合的效果進(jìn)行評價(jià)。目前，在信息融合的研究中普遍存在重技術(shù)方法， 輕質(zhì)量評價(jià)的現(xiàn)象，缺乏對融合效果系統(tǒng)、全面的評價(jià)。理想的融合過程應(yīng)該既有對新的信息的攝入，又有對原有有用信息的繼承和保留。因此，效果評價(jià)應(yīng)該包括創(chuàng)新性和繼承性兩個(gè)方面。我們認(rèn)為，從信息理論與圖像處理的角度，應(yīng)當(dāng)從以下幾個(gè)方面對融合的效果進(jìn)行評價(jià)：3.3.1圖像信息量增加： 信息熵信息量增加是圖像融合最基本的要求，這可以通過

20、融合前后圖像信息熵的變化反映出來。圖像信息熵的含義為圖像的平均信息量，其表達(dá)式為： （3-1）其中：為某一像元值在圖像中出現(xiàn)的概率，N 像元值范圍(一般為0255)。3.3.2圖像質(zhì)量的改進(jìn)： 清晰度圖像質(zhì)量的改進(jìn)可以用平均梯度表示，它反映了影像的清晰程度，同時(shí)還反映出圖像中微小細(xì)節(jié)反差和紋理變換特征。其公式為： （3-2）式中：、分別為像元( i，j ) 在x、y 方向上的一階差分。3.3.3光譜信息的繼承： 偏差度卡斯特等人用偏差指數(shù)(Difference Index)來反映融合后圖像與原始圖像在光譜信息上的匹配程度。例如， 高空間分辨率影像A 與低空間分辨率多光譜影像B 進(jìn)行融合生成影像C，偏差指數(shù)定義為融合后圖像C與原始圖像B差值的絕對值與原始圖像B的影像值的比值： （3-3）如果偏差指數(shù)D較小，則說明融合后的圖像C在提高了空間分辨率的同時(shí)