隨著污染的日益嚴重,霧霾現(xiàn)象越來越普遍,在霧霾天氣影響下,光學成像系統(tǒng)的能見度和所采集圖像對比度均大幅度降低。如何恢復和提高霧霾氣象條件下的光學成像質(zhì)量,即去霧技術(shù),逐漸成為了一個研究熱點。
目前,去霧技術(shù)主要分為兩大類:1)圖像處理去霧技術(shù),通過對光學系統(tǒng)采集的圖像進行增強或復原操作,提高圖像的質(zhì)量;2)光學去霧技術(shù),通過對光學成像系統(tǒng)的改造和成像算法的優(yōu)化,減小霧霾對成像質(zhì)量的影響。
基本原理
其中,光學去霧技術(shù)通過對光學成像系統(tǒng)進行改造,采集多幅含有不同光學特征的同一場景圖像,從多幅圖像中獲取目標反射光信息和大氣光信息并將其分離,進而通過算法融合出一幅復原后的去霧圖像。由于霧霾等散射顆粒散射太陽光形成的大氣光都具有部分偏振特性,因此,偏振光學成像去霧(效果如圖1)適用于各種場景的各類霧霾天氣,應用范圍廣泛,成為研究熱點之一。
(a) 霧霾圖像 (b) 去霧效果圖 圖1 偏振去霧效果
偏振光學成像去霧技術(shù)主要分為被動偏振光學成像去霧技術(shù)和主動偏振光學成像去霧技術(shù)。
被動偏振光學成像去霧技術(shù)主要基于霧霾氣象狀況下的大氣物理退化模型(如圖2所示),從采集的多幅不同偏振方向的圖像中精確估算大氣光強和無窮遠處大氣光強兩個關(guān)鍵參數(shù),反演退化過程,獲得退化前的場景清晰圖像。對于霧霾氣象環(huán)境而言,一般采用被動偏振光學成像去霧技術(shù)。
圖2 大氣物理退化模型示意圖(場景目標反射光強(L)經(jīng)過霧霾區(qū)域,會受到霧霾顆粒的強散射和吸收作用,到達探測器的直接透射光強(D)隨傳輸距離呈指數(shù)衰減)
主動偏振光學成像去霧技術(shù)不考慮大氣物理退化模型,根據(jù)主動光在散射介質(zhì)中的偏振傳輸特性進行清晰成像。例如水下環(huán)境,其衰減系數(shù)要遠遠高于霧霾環(huán)境且環(huán)境光照較弱,在這種情況下,采取主動成像方案就成為了比較常規(guī)的選擇。
特點
偏振光學成像去霧技術(shù)經(jīng)過了二十多年的發(fā)展,理論上已經(jīng)較為成熟,實驗上得到了良好的去霧效果,環(huán)境適應性和算法可靠性也都得到了證明:
1、Mie氏散射條件,這意味著偏振光學成像去霧技術(shù)的適用范圍廣;
2、偏振光學成像去霧技術(shù)從偏振光物理模型出發(fā),保證了目標和場景信息的真實性和保真度,具有良好的去霧成像效果;
3、與圖像處理去霧技術(shù)不同,偏振光學成像去霧技術(shù)不需要通過像素間灰度值的關(guān)系判斷目標和噪聲,因此,濃霧霾天氣條件下的去霧效果更有優(yōu)勢;
4、算法相對簡單,實時性好。
偏振光學成像去霧技術(shù)一直以來都是以應用為目標的,實用化將是其主要的發(fā)展趨勢。偏振光學成像去霧技術(shù)想要實現(xiàn)實用化,除了對偏振去霧算法進行優(yōu)化,最大的挑戰(zhàn)來自于偏振成像系統(tǒng)的硬件配套,將偏振去霧算法與偏振光學成像系統(tǒng)的有效結(jié)合是偏振光學成像去霧技術(shù)得以實用化的關(guān)鍵。與強度型光學相機接收光強度信息一樣,目標反射光偏振信息的獲取需要由偏振光學成像系統(tǒng)來完成。
研究進展
2001年,美國哥倫比亞大學的Schechner等提出了偏振光學成像去霧技術(shù),首次將光波的大氣物理退化模型引入偏振去霧處理中,獲得了高質(zhì)量的去霧圖像。
2011年,廈門大學的張曉玲團隊在偏振差分成像去霧技術(shù)的基礎上,結(jié)合了圖像處理去霧技術(shù),得到了較好的去霧效果。該技術(shù)也被證明了可以很好地應用于水下去散射成像應用領(lǐng)域。
2015年,長春理工的段錦團隊將基于Stokes矢量(即一種用光的強度信息描述偏振特性的探測方法)的偏振成像去霧技術(shù)與基于偏振差分的偏振成像去霧技術(shù)進行了對比,發(fā)現(xiàn)前者在去霧圖像對比度復原方面更好,且對于彩色圖像偏振去霧而言,能見度可提升70%以上。
近幾年,中科院西安光機所研究團隊在實用化方面開展了深入的研究工作,研制出了小型化的全偏振態(tài)同時探測實時彩色偏振相機,并開展了實時偏振去霧的相關(guān)研究工作。圖3所示為偏振相機及拍攝輸出的偏振圖像。
偏振光學成像去霧:“擦去”照片上的霧霾
圖3 偏振相機及拍攝輸出的偏振圖像
總之,偏振光學成像去霧技術(shù)具有獨特的優(yōu)勢,但同時在實用性上也面臨著巨大的挑戰(zhàn),還有很多關(guān)鍵問題亟待解決。相信在不久的將來,偏振光學成像去霧技術(shù)會走入人們?nèi)粘I?,為人們生活帶來極大的便利。