多波段偏振成像

文摘

多波段偏振成像技术是一个新兴的传感方法,可以同时采集多波段光谱和multiangle极化场景中感兴趣的对象的信息。反射光的光谱特征目标揭示材料的特征组合目标而偏振光表面提供了有用的信息特性,比如光散射和镜面反射。多波段光谱成像,结合光谱和偏振信息提供了一个全面的代表一个对象利用互补的光谱和偏振信息的视觉感知。多波段偏振成像显示了一个潜在的目标识别的具有挑战性的操作环境,如低对比度和朦胧的条件。介绍了概念和多波段偏振成像技术的最新进展,特别是bioinspired多波段偏振视觉系统。多波段偏振成像技术在各领域的应用包括大气观测对象检测和分类、医疗诊断、监测、重建和3 d对象。

1。介绍

光从物体反射的电磁波携带描述对象的特征,如光强度是波长的函数或频谱,传播方向,极化的飞机。反射光谱的吸收模式描述了材料成分的目标对象,作为一个有用的签名为目标检测和分类。结合光谱和摄影技术,光谱成像技术观察对象的光谱响应在不同波长在每一个位置在图像平面上。光谱成像技术获得一个场景的多个图像在不同光谱波段。根据一些标准如光谱分辨率、谱带的数量,和contiguousness乐队,光谱成像技术等几个方面存在的多光谱成像和光谱成像,通常在电磁波谱的可见光和红外区域。光谱分析是用来确定固有的特性感兴趣的对象通过测量和分析产生的电磁光谱反射或吸收。极化是一个属性的横向波振荡与多个方向。光可以近似为一个平面波和传播横波,在电场和磁场都垂直于传播方向。在线性偏振,这些字段的振荡发生在一个方向。偏振镜是一种滤光片,它只有一个偏振方向。 Imaging in different polarization angles has been employed to capture unique surface features of an object. The amount and orientation information of polarization have been of great significance to enhance discriminating power of vision-based detection and classification systems.

最近有越来越多的兴趣多波段偏振成像技术利用极化和光谱特征在不同的计算机视觉任务。多波段偏振成像提供了几个优势传统的成像技术在具有挑战性的环境传感和分析的对象。多波段偏振成像测量物体反射的光线的强度在多个光谱波段和多个极化角度捕捉对象的综合光学特征的兴趣。结合光谱和偏振信息给出了对象的完整表示的材料组成以及表面特性。在多波段偏振成像、空间、光谱和偏振信息同时获得(1]。空间、光谱和偏振信息揭示材料的不同的特征。它已经证明了空间谱信息(光谱图像)或spatial-polarization(偏振图像)提供了改进的分类精度(2- - - - - -4]。多波段偏振成像提供了一种有效手段观察对象的表面特征以及材料特性的场景,这可能不是容易获得使用传统的成像技术。偏振信息发现对象的表面性质如扩散或镜面反射,散射和折射指数。光谱特征对象的测量在不同光谱波段是用来描述材料的类型。

多波段偏振视觉获得了巨大的利益在生物和计算机视觉研究社区5)观察,一些生物有机体的自然展示多波段偏振视觉能力。螳螂虾和蜻蜓能够轻松地检测并捕捉猎物甚至透明利用结合光谱和偏振信息。他们检测和识别隐藏或伪装的对象或容易浏览使用不同极化的水属性的目标和背景2- - - - - -4]。这种生物的复眼由成千上万的个人与有效的成像视场成像单元叫做复眼近360度。每个小眼对不同光谱波段的光偏振角。眼中的一个独特的复眼结构螳螂虾,鱿鱼、墨鱼,蜻蜓是对极化灯高度敏感。此外,复合视觉系统演示了并行处理能力,存在从视网膜到所有神经节(6,7]。根据研究这种生物,一群复眼在背复眼边缘区域(半径标注)。已知半径标注不同的生物体有相似的生理特征。每个小眼都包含两个相互正交的单色的光感受器。不同复眼对光线敏感的感光细胞不同的极化角(7- - - - - -9]。研究还表明,这些生物的视觉神经系统特定的偏振编码的能力。研究在小眼视网膜的螳螂虾和鱿鱼,rhabdom和retinular细胞有频谱感知能力与感知带宽从300纳米到700纳米从30到60 nm (10]。螳螂虾12感光细胞,每个取样一组窄的波长从深紫外(300海里),红(720海里)。人类视觉系统的三种感光细胞相比,这些生物可以感知的灯比人类更广泛的光谱区。每种类型的光感受器敏感到一个特定的颜色。螳螂虾的颜色视觉系统是基于时序信号结合扫描眼球运动,使颜色识别而不是歧视没有brain-power-heavy比较(11]。这个计划可能让掠夺性虾速度优势与不同的颜色区分的猎物从杂乱背景变化的光照条件下12]。此外,小眼在眼睛的半球可以识别亮度,它充当全色影像。基于这样的生理结构和功能、生物演示多波段偏振视觉在高分辨率13]。多波段偏振视觉系统可以实现基于复眼的集群模型,其中每个小眼感官光谱或极化信息的现场辐射在一个特定的光谱带或极化角。

应用程序对象分类和聚类的多波段偏振成像演示了多波段偏振成像技术的有效性。与波段极化参数的变化与材料的理化特性密切相关。不同的固有属性可以提高对象歧视和分类,即使没有明显的强度存在差异。菲涅耳反射系数的测量多个乐队可以定量评估的导电特征来检索介电常数,它提供了良好的导体和绝缘体检测能力。粗糙度和表面取向可以反映在光谱偏振参数,这对不均匀物体识别是至关重要的(14]。多波段偏振成像表明提高目标探测和导航在军事应用15,16]。医学诊断与血细胞计数成像和组织评估(17,18)和其他应用程序包括测量大气中气溶胶的密度(19,20.],冰川地质勘探和植被分布[21,22],形象dehazing [23- - - - - -25),土地覆盖分类(26),病理诊断的上皮组织(27),和对象的可视化隐藏在阴影28)应用实例等等。部分4介绍了一些受欢迎的应用程序的例子,如大气观测地球遥感、医学诊断、监视和侦察,dehazing,镜面对象的三维重建。

2。多波段偏振成像原理

多波段偏振成像技术获取光谱和偏振信息固有的属性的目标。我们分析多波段偏振图像数据区分spectropolarimetric信息不同对象之间的差异。光谱成像试图衡量在不同波长的光强度分布的图像的偏振成像发现强度在不同极化方向。图1说明了多波段偏振成像技术的层次结构。两个主要的步骤,以确保精确的多波段偏振成像光谱调优和偏振调整。多波段偏振成像技术获取光谱信息基于色散,通道调优,或干扰。偏振信息可以通过旋转测量偏振器或micropolarization数组。不同光谱波段的图像和极化角捕获序列,不能满足对时间敏感的成像要求。

2.1。光谱调优

光谱成像结合摄影和光谱学来生成图像数据的图像元素(像素)与光谱特征(光谱)。这个像素光谱提供的信息是有价值的歧视,检测和分类图像中的元素和结构(29日]。光谱图像中的每个像素通常由狭窄的电磁波谱的谱带。光谱图像构成三维数据立方体在两个空间坐标和一个光谱维度 在哪里表示谱带的数量。光谱成像有能力利用电磁波谱的多个区域调查和分析材料的成分。材料包括各种场景中的对象反映,吸收和发射电磁辐射随波长的数量。如果辐射到达传感器测量光谱范围,由此产生的光谱特征可以用来唯一地描述和识别任何给定的材料。光谱图像中的一个像素的光谱特性是相对于一个已知材料的数据库来确定像素的材料的类型。

一般来说,光谱提取组件可以使用过滤器或设备与光谱分离的函数。常规光谱调谐方法包括棱镜、机械滤光轮,衍射光栅、傅里叶变换的干涉,和断层扫描(30.,31日]。一个灵活的和可编程的过滤元素如声光可调谐滤波器(AOTF)和液晶可调谐滤波器在光谱成像(LCTF)流行。多波段偏振成像系统(2)收集光谱信息使用传统方法如衍射光栅,傅里叶变换的干涉,使用光学偏振器和可调滤波器和测量偏振信息。多波段偏振成像仪使用单一相机配备一个LCTF和提出了一种偏振镜轮同时捕捉光谱和偏振信息(21]。成像仪获取光谱信息的顺序调整中心频率的带通特性LCTF在不同光谱波段和一组组件的图像不同偏振角度旋转偏振器的滤光轮使用步进电机。多波段偏振成像技术,捕捉光谱和偏振信息分别和单独序列往往耗时,需要复杂的光学,机械,电子设备。生成一个多波段偏振成像导航与固定增益全向镜子,紫外线相机和彩色摄像机(32]。目的是测量的偏振模式的天空。不同偏振角度捕获的图像序列,与大变形由于全向镜子。这种类型的偏振成像系统可能无法捕捉移动的物体由于缓慢的响应时间。在光束分割方法中,相机只能测量输入能量的三分之一困难获得多波段偏振信息。

与传统的光学成像方法相比,光谱成像技术获得光谱分辨率、空间分辨率、辐射分辨率和时间分辨率的目标。四个决议使反映出内在目标的光谱特征和光谱差异变量对象区分开来。各种光谱调谐方法用于多波段偏振成像系统如表列出1。

2.2。偏振调整

极化是一个重要的物理量来描述对象的物理化学性质的交互中反射,散射和透射太阳辐射。偏振成像获得多个图像在不同偏振角度与丰富的光谱信息,提高辨别能力。偏振成像技术等优势已经证明了高信噪比和强烈的对比与传统光学成像方法(33,34]。偏振成像技术已经成功地应用在遥感和计算机视觉领域(34,35]。

偏振特性的对象通常是利用琼斯矢量表示,斯托克斯矢量,穆勒矩阵(56]。策略,如旋转偏振器、分离器和FPA分工已经用来调节偏振状态(57]。斯托克斯参数的瞬时收购偏振成像研究具有十分重要的意义。多波段偏振图像代表空间、光谱和偏振信息对象的使用四个斯托克斯参数描述的状态在多个波段极化。假设一个对象是图像在四个不同的极化方向,0,45岁,90年,135度在一定的波长。让,,,表示四个图像组件以不同偏振角度旋转不同方向的偏振器。然后在波长斯托克斯矢量是由 在哪里总强度的波长的光吗,捐赠光强度之间的差异在0°、90°,代表的区别45°、135°线性组件,和是循环右到左偏振状态。圆偏振分量地面的场景往往是小,因此通常是微不足道的(57]。线性极化分析时考虑进去,线性极化的程度(DoLP)可以表示为强度的一小部分归因于偏振光状态(34]

极化角(东方)表示极化椭圆的长轴角的参考方向(设在)

联合空间、光谱和偏振信息可以由七个独立变量:空间坐标波长,和偏振角(,,,)。基于偏振的数学描述,倍数图像需要描述场景的偏振状态。光电探测器的发展,有很多策略来获取极化签名(21,57]。表2展示了偏振调整的策略。

3所示。多波段偏振成像系统

视觉机制的启发,一些生物有机体,我们开发了一个多波段偏振成像系统。多波段偏振成像包含一系列3 x3的CCD摄像机,其中每个相机配备滤色器或一个光学偏振器。单个相机将捕获一个图像在一个特定的光谱带或极化角。这个成像仪获取同一场景的多个图像在不同光谱波段和极化角同时目标探测等任务,所以大量的几何变形是不能接受的。图2显示了一个示意图提出了多波段偏振成像的多波段光谱和偏振信息的采集。我们使用一个光学偏振器模拟偏振光的光感受器敏感。rhabdom和retinular细胞有光谱传感能力由光谱模拟带通滤波器获得多波段光谱图像数据。一个9-way千兆以太网卡并行流程多波段光谱和偏振图像数据。这成像仪配置五个摄像机5颜色过滤器的谱带红色,绿色,蓝色,黄色,橙色和四个摄像机有四个光学偏振器(0),45岁,90年,135度。

图3显示了原型的外表多波段偏振成像系统和摄像机的配置组件。为了简单起见,在实现中,9 ()组件CCD相机被安排在3 x3的矩形数组而不是一个六角数组作为昆虫复眼的眼睛。每个相机配有滤色器或偏振器。表3相机显示了9个人的安排组件。与低噪音测量偏振信息或错误,偏振器和四个偏振角0°、45°、90°和135°,安装在摄像机的位置,,,。红色的谱带通滤波器(600 - 700海里),橙色(590 - 610海里),黄色(570 - 590海里),绿色(490 - 570 nm),蓝(450 - 490 nm)测量光谱信息在五个乐队在可见光谱,安装在摄像机的位置,,,,分别。一个工业CCD相机(巴斯勒王牌1300,30通用)尺寸42毫米×29毫米×29毫米()是为每个组件使用相机。大量的图像数据来自九个CCD摄像机并行处理和传播使用9-channel千兆以太网。光学透镜的焦距16 mm,视角38°(对角线),30.8°(水平)和23.4°(垂直)是用于所有的相机。冷却的目的,CCD相机排列22毫米的差距。

与序列成像过程中传统的多波段偏振成像系统,该成像仪可以同时捕捉场景的一组图像在多个光谱波段以及不同偏振角度。光谱和偏振信息提取使用颜色过滤器和光学偏振器。多波段光谱和偏振信息可以以公共视场区域被相机的所有组件。由于每个组件的不同视角相机视场和由此产生的失配,光谱和偏振信息不完整不重叠的,边界地区。这将减少的有效视场多波段偏振成像。扩大视场,丢失边界地区的光谱和偏振信息必须恢复。一直尝试估计丢失的光谱和偏振信息扩大视场低秩矩阵恢复方法的使用(43,44],利用测量数据的冗余和相关性。

4所示。多波段偏振成像技术的应用

多波段偏振成像提供了同时收购对象的光谱和偏振签名的检测目标伪装或隐藏在杂乱的背景。这种技术已经证明改进的对象检测功能在光学测量在各种各样的应用程序,从大气科学和遥感三维重建。表4列出了一些流行的应用实例和相应的传感器和主流技术。

4.1。大气观测

多波段偏振成像可用于获取光谱和大气悬浮颗粒的极化特性,它是有用的大气校正的扭曲,气候调查和天文传感(19]。由于固有的极化效应引起的大气散射和吸收的光,在多个光谱波段气溶胶粒子的极化状态有助于区分分布、类别、高度、密度、悬浮粒子的大小。光谱的亚稳态原子氧在高层大气中可以发现,使大气的精确测量属性,如速度、温度和湿度,(36]。

早期大气探索使用多波段偏振成像技术在1980年代开始。极化和方向性的地球(低地)相对于红光仪器被用来获得气溶胶的光谱和偏振信息检测大气分布在443纳米波段集中,670 nm和865 nm (22]。佐野et al。20.)验证的准确性悬浮粒子分布通过扩展观察到六个光谱波段。机载多波段偏振调查(58)是进行光谱范围从400纳米到1000纳米。与波段气溶胶的偏振特性进行了分析。李等人。37)利用地面多波段极化数据获取大气气溶胶的光学参数,如光密度、大小、极化阶段,和负折射率。Gartley et al。59]研究了多波段偏振检测通过扩展从200纳米到250纳米波段,使实现有效的光谱测量气溶胶的吸收。马尔巴赫et al。38)合并多视图和multiangular计划到多波段偏振成像解决方向各向异性和气溶胶的微观物理学的属性。整理等。60开发了一个实验性的多波段偏振器。这个设置提取极化率和光谱特性确定气溶胶粒子的类型和聚合。气溶胶的分布和密度之间的两种不同的天气条件下被成功歧视。

4.2。地球遥感

反映Spectropolarimetric签名的辐射能量在地球遥感应用了地面目标。联合空间、光谱和偏振信息更歧视和准确描述地形的几何和物理化学性质指标,优于传统的传感方法,捕获强度信息。突出的差异反映在光谱偏振特性在各种类型的植物可以用来估计作物的生长和生物量,植物物种,分布和森林覆盖区(21,22]。在地球遥感,利用spectropolarimetric差异反映在各种组件像岩石和植物使植被分布。微波反射和发射特征的雪,水面的组合检索空间、光谱、和偏振探测,遥感具有广泛的应用前景,降雪和降雨等参数,海水盐度、波高,海洋污染,石油泄漏,海岸线识别(61年]。

最近的研究在赤潮探测光谱偏振辐射测量了多波段偏振成像技术的性能,提供无与伦比的检测精度比传统的检测方法。通过调查光谱变异和极化效应的浮游植物,红潮物种歧视实施(62年]。多波段偏振成像技术可为探索冰川和冰洞穴(63年]。地质演化可以通过检测复发反射的偏振特征和荧光光谱。与光谱偏振信息的差异反映在沙子,土壤、水和辐射,多波段偏振成像技术显示重要的观察地形和地质信息。矿物分布和组成被探测到平易近人,与固有的光谱偏振特性。成熟和干燥很容易识别。自多波段偏振成像提供了翔实的地面特征,从而可以是一个有用的指标评估土地荒漠化和水土流失的状态(64年]。

4.3。医学诊断

病理变化修改双折射和结构的组织,它可以测量的散射光的偏振和光谱的变化。多波段偏振成像一直是一个强大的诊断工具来测量功能进行定量病理学分析。在多个波段的吸收光谱与分子聚合和提供生物组织的结构信息。反射指数影响的病理细胞内核和胶原蛋白可以被极化检索分析。因此,有机组织的成分特征可以通过光谱偏振检测诊断,如细胞的大小和类别的内核和胶原蛋白(17,18,39,65年]。

广泛应用于医疗诊断、多波段偏振成像策略对血细胞计数成像是一项新兴技术,由于快速光谱集合的操作灵活性和血液密度估计(40,41]。补充传统X-ray-based诊断、多波段偏振检测优化骨组织的评估。无损测量的生化特性、多波段偏振成像敏感地方矿物成熟度的变化对光谱偏振签名。这些属性使多波段偏振成像作为一个潜在的临床诊断指标,像骨折风险和骨骼损伤评估42]。自然在咬合面龋病变的严重程度也可以解决使用联合光谱和偏振断层。集成的反射率是获得监控矿石损失和蛀牙的咬合的坑和裂缝66年]。多波段偏振成像诊断有机皮肤病理的特点是有效的。努力已经被应用在皮肤黑色素癌黑变病的痣检测和冻疮组织诊断(67年]。

4.4。监视和侦察

多波段偏振成像探测证明突出表现在军事打击。识别和跟踪完成导弹的使用光谱偏振分析排气羽流和烟。强极化效应引起的烟在多个乐队可能暴露出导弹航线(45,46]。传统的光电检测往往无法区分与低对比度的人造物体。然而,明显的光谱和偏振特性的差异之间存在军事目标和自然对象。多波段偏振成像寻求识别异常的几何描述材料在杂乱的背景,甚至隐藏或伪装目标像坦克和装甲车树下(3,4,15,43,44,47]。多波段偏振成像探测视觉增强intensity-only相比之下隐藏的目标图像。高折射率的工件,光谱和偏振签名从多波段偏振图像融合可以应用于地面侦察和战斗损伤评估(68年]。另一方面,多波段偏振探测推动新型伪装涂料的设计(35]。通过调制方式和粗糙度,工件发出类似的偏振光谱与自然背景,很难区分。

优于传统的光学检测、多波段偏振成像有特定的优点在监视和侦察。在不同光谱波段利用偏振图像检索海政权,这确保航行安全(58,69年]。飞机航空经常遇到困难在阴暗的条件下,由于严重的侵蚀和湍流引起的卷云的冰晶。这样的大气扰动破坏导航的精度。然而,水晶气溶胶强烈极化入射辐射,和联合spectropolarimetric签名是灵活的卷云检测的聚合,保证飞机导航和指导(70年,71年]。

4.5。图像Dehazing

室外成像在霾和雾等恶劣的天气在实践中仍然是一个挑战性的任务。捕获的图像普遍存在着重要的退化引起的大气粒子。空气光部分偏振和测量辐射占主导地位。考虑大气散射的偏振参数和改进传播三个可见的乐队,阴霾效应可以有效地消除使用多波段偏振dehazing方法(23,48,49]。图像细节和场景的色彩保真度明显改善,这是密切与原haze-free场景。prior-based形象dehazing方法相比,多波段偏振技术提供更准确的视觉效果,由于独特的基于物理的分析目标的内在属性(50,51]。多波段偏振方案进行了基于物理有效性在浑浊的媒体descattering和可见性增强,甚至液体和固体。这个统一的光谱偏振成像有显著优势在特定应用程序中,例如水下检验,鱼雷导航和生态评价(72年,73年]。重叠投射阴影去除可以实现基于光谱偏振分析(74年,75年]。意想不到的突出和耀斑抑制有效地实现了多波段偏振观测。

4.6。维重建镜面的对象

三维(3 d)重建less-textured对象与镜面表面可以是一个具有挑战性的任务。由于缺乏特色,古典光度三维重建算法可能无法获得密度差异,因为这些方法依赖于精确的校准,双目立体视觉。3 d形状重建和多波段偏振成像表明有效性检验的镜面物体,无视纹理信息(52,76年]。反映了非偏振光成为部分根据电介质极化指数的表面。利用菲涅耳定律,几何参数如天顶角和方位角可以检索的偏振度和偏振角,分别。因此,法向量是综合重建深度信息。折射率差异在多个光谱可以用来解决歧义在天顶角53,77年]。可以使用多波段偏振技术作为一种替代3 d检查镜面对象的方法(54,55]。镜面反射组件可以使用偏振签名和消除光谱一致性约束,同时保持高视觉质量(78年]。

5。结论

多波段偏振成像技术是一个新兴的光电检测技术能够同时获取光谱和偏振信息感兴趣的对象。本文总结了多波段偏振成像技术的原理和最新进展。一个多波段偏振成像系统使用一个2 d相机阵列实现的介绍,这是灵感来自一个结合光谱和偏振视觉机制的生物有机体。应用实例的多波段偏振成像技术提出了包括大气观测、地球遥感、医学诊断、监视和侦察,图像dehazing,镜面对象的三维重建。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(61371152,61371152,61374162),新世纪优秀人才奖励计划从中国教育部(ncet - 12 - 0464),中国博士后科学基金资助项目(2013 m532080),教育部科学研究基金会海外研究和基础研究基金为中央大学(3102015 zy045)。

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