偏振光谱图像去雾技术研究.doc

偏振光谱图像去雾技术研究.doc偏振光谱图像去雾技术研究【关键字】图像去雾光谱学偏振气溶胶【摘要】空气污染严重影响了成像质量,;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380〜1000nm的可见近红外偏振光谱数据,研究了450,550,650,750和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450nm图像对比度最低,但对比度提升量最大,;850nm图像对比度最高,但对比度提升量最小,;去雾后不同波长图像的灰度动态范围均有明显展宽,%〜%,%〜%.分析了图像复原过程中可能出现的估计误差,根据其产生机理提岀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,[1-2]o雾霾天气下,大气溶胶浓度显著提升[3],气溶胶粒子的散射会使景物光发牛退化,严重影响了成像的对比度和分辨率,普通成像手段无法在雾霾天气下获取清晰图像,给信息提取和解析带来很大困难。偏振是光的固有特性,雾霾中景物透射光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雾正成为图像复原的新手段[4]o图像去雾方法分为两大类:基于图像增强的方法[5-7],如联合双边滤波、地平线检测和黑色通道等;基于图像复原的方法,如偏振成像[8-9]o基于图像增强的去雾方法不考虑雾霾退化图像的物理过程,仅针对退化后图像本身,通过算法提升对比度,部分细节信息的丢失不可避免。偏振去雾充分考虑了图像退化的物理过程,可以恢复图像的细节信息。国内外对偏振去雾的研究主要集中在单一的普通可见光图像,利用偏振光谱数据对可见和近红外多波段图像去雾研究未见报道[4,10-11K本工作利用斯托克斯参数和穆勒矩阵提取偏振信息,根据大气散射光与景物透射光偏振特性差异复原目标辐射光,通过修正因子实现最佳偏振去雾;研究了不同波长、视场近区和视场远区的成像特点和去雾特性。不仅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雾融合提供基础。扩展偏振光谱数据的应用,提高雾霾天气下光谱数据立方体各个波段的图像质量,进而为偏振光谱全光探测提供一种新手段。,第一部分由景物辐射产生,称其为景物透射光D;第二部分由环境光源产生,经过大气溶胶的散射到达成像系统,称其为大气散射光A。大气溶胶除了会在图像中引入大气散射光干扰外,也会对景物光产生退化,假设在目标与成像系统间没有任何大气溶胶,探测器接收到的光为目标辐射光L。景物透射光为非偏振光,其强度D随着距离的增加而减小,大气散射光为部分偏振光,其强度A随着口标距离的增加而增大,利用二者偏振特性的差异,可从总光强中剥离大气散射光分量,实现图像去雾复原。Schechner等[12]提出偏振图像复原,得到目标辐射光为(1)式(1)中,I丄为线偏振片的方向垂直于入射面时的图像,III为线偏振片的方向平行于入射面时的图像,As为无穷远处(如天空区域)目标的大气散射光强度,P为大气散射光的偏振度。在雾霾环境下,搭载线偏振片的成像系统接收的总光强会随偏振片的角度a改变,当线偏振片的方向与入射面平行(a=0||)|]寸,大气散射光AII最小;当线偏振片的方向与入射面垂直(a=0丄)时,大气散射光A丄最大。利用斯托克斯参数和穆勒矩阵,通过获取0。,45°,90°和135°四幅固定方向的线偏振图像对图像进行去雾,无需手动操作和主观评判来确定偏振图像的最佳和最差状态。斯托克斯方程为式(2)中,S0为总光强,SIJ11S2表示光的线偏振特性。利用斯托克斯参数,可求解偏振角0丄=arctan,偏振角0II=9丄门,通过穆勒矩阵可得任意偏振方向Q的光强为T(«);(S0+Slcos2a+S2cos2a(3)由8丄,BII和式⑶可求解I丄和III。当传输距离趋于无穷远时,总光强中的景物透射光分量几乎被完全衰减掉,只剩下大气散射光分量,此时总光强I等于无穷远处的大气散射光强度A-,并可通过p二(I丄-III)/(1丄+111)求解大气散射光的偏振度P。需要说明的是,上述p和As是在天空区域的大气衰减系数e-B