一種偏振成像設(shè)備及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種偏振成像設(shè)備及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光是一種電磁波，光波中的電振動矢量和磁振動矢量都與傳播速度垂直，因此光 波是橫波，它具有偏振性。偏振光與目標(biāo)發(fā)生相互作用后的散射光中會包含由目標(biāo)自身特 性所決定的偏振信息，而這樣的偏振信息與我們平時所探測到的光譜、光強(qiáng)以及相位等信 息時有所不同的。通過這些偏振信息我們就可以準(zhǔn)確清晰的得到被測目標(biāo)的相關(guān)信息。
[0003] 根據(jù)反射和透射光的偏振特性可以獲取被測物體的表面粗糙程度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、以 及組成材料的折射率和吸收等信息，還可以區(qū)分淺層和深層結(jié)構(gòu)散射的光子，進(jìn)而增強(qiáng)成 像的對比度，等等。這種依靠獲取物體光波偏振態(tài)的成像技術(shù)就是偏振成像技術(shù)。
[0004] 偏振成像技術(shù)是一種新型的成像技術(shù)，因其與平時所采用的光強(qiáng)度成像技術(shù)相比 提供更多信息，具有一定的優(yōu)勢，而得到了極其迅速的發(fā)展。國外對偏振成像技術(shù)的研宄已 經(jīng)開展了許多年，在目標(biāo)探測識別方面有很好的成就?，F(xiàn)在偏振成像也廣泛的應(yīng)用于軍事、 天文、以及民用攝像等領(lǐng)域。
[0005] 偏振相機(jī)一般采用很多不同取向的微型偏振薄膜覆蓋CCD的每個像素，類似于彩 色相機(jī)的微型濾光片膜，由于可以實(shí)現(xiàn)單幀同時性檢偏，所以將線偏振相機(jī)集成到顯微鏡 中具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?D Technology公司的PolarCam?線偏振相機(jī)?？蓱?yīng)用于成像增 強(qiáng)、眩光消除、霧霾消除、雙折射繪圖、工業(yè)檢測如液晶品控、偏振顯微鏡、應(yīng)力測量等多個 領(lǐng)域中。
[0006] 現(xiàn)有的偏振相機(jī)有以下不足：
[0007] 1)成本和價格很高，工藝要求高，其制造需要專有技術(shù)和儀器；
[0008] 2)復(fù)雜而尚未成熟的加工工藝導(dǎo)致偏振片消光比差，成像噪點(diǎn)多，其本身存在不 可避免的系統(tǒng)誤差；
[0009] 3)由于成本和成像質(zhì)量的局限性，不利于大面積推廣；
[0010] 4)對于霧霾消除、炫光消除、圖像增強(qiáng)等功能，并無配套的針對性算法，且不便接 入網(wǎng)絡(luò)，上傳或下載數(shù)據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的主要目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種新的偏振成像設(shè)備和方 法。
[0012] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0013] 一種偏振成像設(shè)備，包括偏振片、相機(jī)成像模塊以及旋轉(zhuǎn)角度測量裝置，所述偏振 片設(shè)置在所述相機(jī)成像模塊前，外部光線經(jīng)過所述偏振片入射到所述相機(jī)成像模塊內(nèi)，所 述偏振成像設(shè)備用于在一次旋轉(zhuǎn)過程中連續(xù)拍照或進(jìn)行視頻拍攝，并使用在其中多個旋轉(zhuǎn) 角度下所拍取的多幅圖像進(jìn)行偏振成像；
[0014] 其中所述偏振成像設(shè)備按照以下公式確定進(jìn)入所述相機(jī)成像模塊內(nèi)偏振光束的 偏振態(tài)：
[0015] I = A · Sin
[0016] 上式中，I是對于相機(jī)中任意一個像素測量，在η個旋轉(zhuǎn)角度下拍照得到的光強(qiáng)信 號所組成的光強(qiáng)向量：
[0017] I = Q1 i2 i3 …in)T，η 不小于 3，
[0018] Sin是待測偏振光束的斯托克斯向量的前三個量：
[0019] Sin= (s 0 S1 s2)T，
[0020] A是由η個旋轉(zhuǎn)角度所確定的單像素對應(yīng)的儀器矩陣，其中，
[0021] /i(n.:) = (/;； 4/r, cos26?" ·(/;; -/r). α\η2θ,, -(μ; - ρ：) ) ?
[0022] ρ,Ρ ρ y分別為偏振片通光極大方向和極小方向的出射光與入射光電場強(qiáng)度比， θ p為偏振片極大通光方向的方位角，右下標(biāo)中的數(shù)字變化代表不同旋轉(zhuǎn)角度下的實(shí)際方 位角，與上述的η對應(yīng)。
[0023] 待測偏振光束的斯托克斯向量Sin為：
[0024] Sin= A - · I，A4為儀器矩陣A的逆或偽逆。
[0025] 進(jìn)一步地：
[0026] 一次旋轉(zhuǎn)過程的總角度為0到180度（這里的0度可為以設(shè)備的任意起始角度作 為參考的角度），所取各圖像對應(yīng)的間隔旋轉(zhuǎn)角度為〇到180度的子集。
[0027] 對于一次旋轉(zhuǎn)過程，利用儀器矩陣A的條件數(shù)進(jìn)行判別，儀器矩陣A的條件數(shù) k(A)：
[0028] k(A) = I |a| I · I Ia-1 11，其中 A 的第二類范數(shù)為IMII2Iup Il^lb
[0029] 其中，判斷一次旋轉(zhuǎn)過程是否覆蓋了足夠量的滿足了條件數(shù)要求的區(qū)域，若一次 旋轉(zhuǎn)過程覆蓋的所述區(qū)域低于閾值，則舍棄本次旋轉(zhuǎn)過程所獲得的圖像數(shù)據(jù)，優(yōu)選提示重 新轉(zhuǎn)動；其中所述滿足條件數(shù)要求是指條件數(shù)低于預(yù)定的條件數(shù)閾值。
[0030] 一次旋轉(zhuǎn)過程中，基于取得的第一張圖像的圖像中心設(shè)定可接受的波動范圍，如 果該圖像中心波動出這個波動范圍以外的圖像的數(shù)量相對于圖像總數(shù)的比例大于預(yù)定比 例閾值，則舍棄本次旋轉(zhuǎn)過程所獲得的圖像數(shù)據(jù)，優(yōu)選提示重新轉(zhuǎn)動。
[0031] 一次旋轉(zhuǎn)過程中，判斷旋轉(zhuǎn)速度是否高于閾值速度，若高于設(shè)定閾值，則舍棄本次 旋轉(zhuǎn)過程所獲得的圖像數(shù)據(jù)，優(yōu)選提示重新轉(zhuǎn)動。
[0032] 對于一次旋轉(zhuǎn)過程中所取得的多幅圖像，至少按照以下條件對圖像進(jìn)行篩選：
[0033] 以取得的第一張圖像的圖像中心為圓心，以一個閾值半徑的圓作為該圖像中心的 可接受的波動范圍，對于圖像中心波動出這個圓以外的圖像給予篩除。
[0034] 對于一次旋轉(zhuǎn)過程中所取得的多幅圖像，至少按照以下條件對圖像進(jìn)行篩選：
[0035] 如果拍照或視頻提取出的一幀圖像的圖像清晰度低于某個閾值，該圖像給予篩 除。
[0036] 對于一次旋轉(zhuǎn)過程中所取得的多幅圖像，至少按照以下條件對圖像進(jìn)行篩選：
[0037] 拍照或視頻取出各幀圖像，利用儀器矩陣A的條件數(shù)進(jìn)行判別，儀器矩陣A的條件 數(shù)k⑷：
[0038] k⑷=||AU· K1I I，其中 A 的第二類范數(shù)為M II2=SupIIf ； χ Il λ Ib
[0039] 如果圖像的條件數(shù)高于某個值，該圖像給予篩除。
[0040] 所述偏振片前還可設(shè)置有濾光片。
[0041] 所述旋轉(zhuǎn)角度測量裝置可為陀螺儀等測量裝置。
[0042] -種偏振成像方法，采用所述的偏振成像設(shè)備進(jìn)行偏振成像。
[0043] 本發(fā)明的主要載體可以是手機(jī)等帶鏡頭的便攜成像設(shè)備。本發(fā)明可在保留傳統(tǒng)載 體的前提下，在硬件設(shè)備部分提出簡單的可拆卸模組，整體實(shí)現(xiàn)對待測物體的快速、便捷的 偏振成像。本發(fā)明有利于日常中便攜的快速進(jìn)行偏振成像，并為后續(xù)的偏振圖像分析提供 一定支持。本發(fā)明進(jìn)行偏振成像成本極低、十分便攜，可付諸以手機(jī)等用戶粘性極強(qiáng)的成像 設(shè)備作為載體，利于偏振成像的普及與推廣。本發(fā)明優(yōu)選可進(jìn)行圖像接受、圖像篩選，還可 以利用載體所帶陀螺儀，進(jìn)行自校準(zhǔn)，自對準(zhǔn)。本發(fā)明通過付諸手機(jī)等用戶粘性極強(qiáng)的智能 化設(shè)備作為載體，便于接入互聯(lián)網(wǎng)，更容易對算法進(jìn)行更新升級，更加智能化。
[0044] 相對于傳統(tǒng)偏振相機(jī)，本發(fā)明的具體優(yōu)勢有：
[0045] 1)本發(fā)明以附加組件配軟件算法以及新的操作形式的組合，大大降低成本；且硬 件構(gòu)成簡單，不需要復(fù)雜的工藝；對各類成像設(shè)備完全兼容，尤其是手機(jī)這類載體。
[0046] 2)本發(fā)明的硬件設(shè)備十分小巧，方便安裝拆卸，也便于攜帶，損壞了易于替換。
[0047] 3)本發(fā)明十分便攜，且可替換性高，成本低廉，故非常利于推廣，若付之于最常用 的載體就是手機(jī)，用戶粘性可以很高。
[0048] 4)本發(fā)明可以用載體自帶陀螺儀等工具輔助進(jìn)行校準(zhǔn)，一次校準(zhǔn)即可使用，并且 有圖像自對準(zhǔn)功能。
[0049] 5)本發(fā)明可在保留偏振相機(jī)諸多優(yōu)勢的前提下，兼容濾出不同波段的濾波片，可 針對不同拍攝物體或環(huán)境進(jìn)行可拆卸式替換，十分簡便。且對特定的濾波片進(jìn)行針對性算 法的提供，如在霧霾去除，如圖像增強(qiáng)，如目標(biāo)識別等應(yīng)用中都可以對成像質(zhì)量有所提升； 且軟件算法數(shù)據(jù)庫便于從云端或服務(wù)器端更新，便于接入互聯(lián)網(wǎng)智能化，更新升級十分簡 單。
【附圖說明】
[0050] 圖Ia和圖Ib為本發(fā)明偏振成像設(shè)備一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0051] 圖2a和圖2b為本發(fā)明偏振成像設(shè)備另一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0052] 圖3為使用本發(fā)明偏振成像設(shè)備進(jìn)行偏振成像的拍攝過程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0053] 以下對本發(fā)明的實(shí)施方式作詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的， 而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。
[0054] 參閱圖Ia和圖lb，本發(fā)明的偏振成像設(shè)備1可以是以一個包含相機(jī)的智能手機(jī) 作為成像的載體，該偏振成像設(shè)備1包括一個偏振片3、相機(jī)成像模塊2、旋轉(zhuǎn)角度測量裝置 (未圖示）以及將偏振片3固定在相機(jī)成像模塊2前的結(jié)構(gòu)（未圖示）。優(yōu)選地，參閱圖2a 和圖2b，在偏振片3前增加濾光片4,其可以濾除特定波長，進(jìn)行偏振成像增強(qiáng)。參閱圖3， 根據(jù)本發(fā)明的偏振成像設(shè)備1進(jìn)行偏振成像，通過進(jìn)行一定弧度的旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程中進(jìn)行 相機(jī)連拍或視頻拍攝?？稍跈z測到偏振成像設(shè)備1靜止一定時間時結(jié)束拍攝。優(yōu)選地，旋 轉(zhuǎn)拍攝的要求為：1、旋轉(zhuǎn)〇到180度，拍攝間隔的弧度不低于閾值弧度；2、旋轉(zhuǎn)速度不高于 閾值速度；3、旋轉(zhuǎn)方式中鏡頭圓心保持不移動，或上、下、左、右移動低于閾值。優(yōu)選地，以偏 振片通光方向置于水平，以及豎直載體起轉(zhuǎn)這兩點(diǎn)作為本方案起始條件。在劃定圓內(nèi)圖像 正中心出現(xiàn)的概率在一定概率以上。讀取參考方位角，并進(jìn)行圖像校準(zhǔn)與對準(zhǔn)。優(yōu)選的，利 用條件數(shù)進(jìn)行圖像篩選，以及去除模糊圖像，以及去除偏離圓心太遠(yuǎn)的圖像。對選取的圖像 數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。最后，可通過偽彩色顯示偏振圖像。以下對本發(fā)明的實(shí)施例作具體詳述。
[0055] 實(shí)施例一：
[0056] 對載體進(jìn)行一定弧度的旋轉(zhuǎn)，照片連拍或拍視屏。物體發(fā)出的光，經(jīng)過偏振片3,或 經(jīng)過濾光片4與偏振片3的組合，入射到相機(jī)成像模塊2內(nèi)。濾光片4可以濾出特定波段， 進(jìn)行偏振成像增強(qiáng)，且其不影響光的偏振特性。本實(shí)施例給出單波長的情況。窄波段和寬 波段即為諸多單波長的集合。
[0057] 根據(jù)相機(jī)成像模塊2獲得的光強(qiáng)信號，按照以下公式確定待測偏振光束的偏振 態(tài)：
[0058] I = A · Sin
[0059] 上式中，I是相機(jī)上任意一個像素測量，在η個旋轉(zhuǎn)角度下拍照得到的光強(qiáng)信號所 組成的光強(qiáng)向量：
[0060] I =