基于特定偏振态成像的水下图像去散射方法

褚金奎; 张培奇; 成昊远; 张然

doi:10.37188/OPE.20212905.1207

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

基于特定偏振态成像的水下图像去散射方法

信息科学 | 更新时间：2026-09-11

- 基于特定偏振态成像的水下图像去散射方法
- De-scattering method of underwater image based on imaging of specific polarization state
- 光学精密工程 2021年29卷第5期页码：1207-1215
- 作者机构：
  
  大连理工大学辽宁省微/纳米技术与系统重点实验室精密与特种加工教育部重点实验室，辽宁大连 116024
- 作者简介：
  
  褚金奎(1965-)，男，河南平顶山人，博士，教授，博士生导师，1986年于杭州电子科技大学获得学士学位，1989年于西安科技大学获得硕士学位，1992年于北京航空航天大学获得博士学位，主要从事智能机器人、仿生传感器和微机电测试技术等方面的研究。E-mail: chujk@dlut.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(51675076;51505062);国家自然科学基金创新研究群体项目(51621064);预研基金资助项目(61405180102)
- DOI：10.37188/OPE.20212905.1207
  中图分类号： TP394.1;TH691.9
- 收稿：2020-09-10，
  
  修回：2020-11-05，
  
  纸质出版：2021-05-15
- 稿件说明：
移动端阅览
褚金奎,张培奇,成昊远等.基于特定偏振态成像的水下图像去散射方法[J].光学精密工程,2021,29(05):1207-1215.

CHU Jin-kui,ZHANG Pei-qi,CHENG Hao-yuan,et al.De-scattering method of underwater image based on imaging of specific polarization state[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(05):1207-1215.
褚金奎,张培奇,成昊远等.基于特定偏振态成像的水下图像去散射方法[J].光学精密工程,2021,29(05):1207-1215. DOI： 10.37188/OPE.20212905.1207.

CHU Jin-kui,ZHANG Pei-qi,CHENG Hao-yuan,et al.De-scattering method of underwater image based on imaging of specific polarization state[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(05):1207-1215. DOI： 10.37188/OPE.20212905.1207.

摘要

为了实现对浑浊水下模糊图像的去散射处理，建立了水下偏振成像的物理模型，研究了水下散射对偏振光传输的影响，提出了一种基于特定偏振态的水下图像去散射方法。首先，使用偏振相机进行了浑浊水下的成像对比实验。然后，通过优化算法选定了特定的偏振度和偏振角的最优成像区间，从而获得了去散射后的目标图像。最后，对不同情况下目标图像进行主观视觉和客观指标的评价和分析。实验结果表明：目标图像的主观视觉质量显著提升，客观评价指标的EME值提升幅度达455%，方差提升了124%和38%，平均梯度则提升19%和6%。本文的方法能简单有效抑地制浑浊水体的散射，增加图像对比度，改善图像质量。

Abstract

To perform de-scattering of blurred turbid underwater images， we herein develop a physical model of the underwater polarization imaging process， study the effect of underwater scattering on the transmission of polarized light， and then propose a method for de-scattering such turbid underwater images on the basis of a specific polarization state. First， a polarization camera is used to conduct imaging contrast experiments in turbid water. Next， the optimal imaging interval for a specific degree and angle of polarization is selected using the optimization algorithm， following which the target image after de-scattering is obtained. Finally， subjective vision and the objective indicators are evaluated and used as bases for analyzing the target image in different situations. The experimental results indicate that the subjective visual quality of the target image significantly improved， the enhancement measure by entropy （EME） value of the objective evaluation index is increased by 455%， the variance is increased by 124% and 38%， and the average gradient is increased by 19% and 6%. Therefore， the method proposed in this paper can facilitate simple and effective suppression of the scattering of turbid underwater images， increase in the image contrast， and improvement in the image quality.

关键词

Keywords

references

郭继昌，李重仪，郭春乐，等 . 水下图像增强和复原方法研究进展［J］. 中国图象图形学报， 2017 ， 22 （ 3 ）： 396 - 287 .

GUO J CH ， LI CH Y ， GUO CH L ， et al . Research progress of underwater image enhancement and restoration methods ［J］. Journal of Image and Graphics ， 2017 ， 22 （ 3 ）： 273 - 287 . （in Chinese）

HAN M ， LYU Z ， QIU T ， et al . A review on intelligence dehazing and color restoration for underwater images ［J］. IEEE Transactions on Systems， Man， and Cybernetics： Systems ， 2018 .

全向前，陈祥子，全永前，等 . 深海光学照明与成像系统分析及进展［J］. 中国光学， 2018 ， 11 （ 2 ）： 153 - 165 .

QUAN X Q ， CHEN X Z ， QUAN Y Q ， et al . Analysis and research progress of deep-sea optical illumination and imaging system ［J］. CHINESE OPTIC ， 2018 ， 11 （ 2 ）： 153 - 165 . （in Chinese）

CHENG H ， CHU J ， ZHANG R ， et al . Underwater polarization patterns considering single Rayleigh scattering of water molecules ［J］. International Journal of Remote Sensing ， 2020 ， 41 （ 13 ）： 4947 - 4962 .

褚金奎，田连标，成昊远，等 . 天空光主导的波浪水面下偏振分布模型仿真预测［J］. 光学学报， 2020 ， 40 （ 20 ）： 2001002 .

CHU J ， TIAN L ， CHENG H ， et al . The simulation of polarization pattern under wavy water surfaces dominated by skylight ［J］. Acta Optica Sinica ， 2020 ， 40 （ 20 ）： 2001002 .

CHENG H ， CHU J ， ZHANG R ， et al . Real-time position and attitude estimation for homing and docking of an autonomous underwater vehicle based on bionic polarized optical guidance ［J］. Journal of Ocean University of China ， 2020 ， 19 ： 1042 - 1050 .

HITAM M S ， AWALLUDIN E A ， YUSSOF W N J H W ， et al . Mixture contrast limited adaptive histogram equalization for underwater image enhancement ［C］. 2013 International conference on computer applications technology （ICCAT）. IEEE ， 2013 ： 1 - 5 .

ANCUTI C O ， ANCUTI C ， DE VLEESCHOUWER C ， et al . Color balance and fusion for underwater image enhancement ［J］. IEEE Transactions on image processing ， 2017 ， 27 （ 1 ）： 379 - 393 .

赵永强，戴慧敏，申凌皓，等 . 水下偏振清晰成像方法综述［J］. 红外与激光工程， 2020 ， 49 （ 06 ）： 43 - 53 .

ZHAO Y Q ， DAI H M ， SHEN L H ， et al . Review of underwater polarization clear imaging methods ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2020 ， 49 （ 06 ）： 43 - 53 . （in Chinese）

范之国，宋强，代晴晴，等 . 全局参数估计的水下目标偏振复原方法［J］. 光学精密工程， 2018 ， 26 （ 7 ）： 1621 - 1632 .

FAN ZH G ， SONG Q ， DAI Q Q ， et al . Underwater target polarization recovery method based on global parameter estimation ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2018 ， 26 （ 7 ）： 1621 - 1632 . （in Chinese）

王一斌，尹诗白，吕卓纹 . 自适应背景光估计与非局部先验的水下图像复原［J］. 光学精密工程， 2019 ， 27 （ 2 ）： 499 - 510 .

WANG Y B ， YIN SH B ， LU ZH W . Underwater image restoration with adaptive background light estimation and non-local prior ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2019 ， 27 （ 2 ）： 499 - 510 . （in Chinese）

陈伟力，徐文斌，王淑华，等 . 基于红外光谱偏振度对比度的涂层材质识别研究［J］. 红外与激光工程， 2020 ， 49 （ 06 ）： 64 - 70 .

CHEN W ， XU W ， WANG S ， et al . Research on coating materials detection and recognition based on infrared spectral polarization degree contrast ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2020 ， 49 （ 06 ）： 64 - 70 . （in Chinese）

LIU F ， WEI Y ， HAN P ， et al . Polarization-based exploration for clear underwater vision in natural illumination ［J］. Optics express ， 2019 ， 27 （ 3 ）： 3629 - 3641 .

万振华，赵开春，褚金奎 . 基于偏振成像的方位测量误差建模与分析［J］. 光学精密工程， 2019 ， 27 （ 8 ）： 1688 - 1696 .

WAN ZH H ， ZHAO K CH ， CHU J K . Modeling and analysis of orientation measurement error based on polarization imaging ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2019 ， 27 （ 8 ）： 1688 - 1696 . （in Chinese）

ROWE M P ， PUGH E N ， TYO J S ， et al . Polarization-difference imaging： a biologically inspired technique for observation through scattering media ［J］. Optics Letters ， 1995 ， 20 （ 6 ）： 608 - 610 .

HUANG B ， LIU T ， HU H ， et al . Underwater image recovery considering polarization effects of objects ［J］. Optics express ， 2016 ， 24 （ 9 ）： 9826 - 9838 .

SCHECHNER Y Y ， KARPEL N . Clear underwater vision ［C］. Proceedings of the 2004 IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition ， 2004 . CVPR 2004. IEEE ， 2004， 1： I-I.

CRONIN T W ， MARSHALL J . Patterns and properties of polarized light in air and water ［J］. Philosophical Transactions of the Royal Society B： Biological Sciences ， 2011 ， 366 （ 1565 ）： 619 - 626 .

JAFFE J S . Computer modeling and the design of optimal underwater imaging systems ［J］. IEEE Journal of Oceanic Engineering ， 1990 ， 15 （ 2 ）： 101 - 111 .

HU H ， ZHAO L ， HUANG B ， et al . Enhancing visibility of polarimetric underwater image by transmittance correction ［J］. IEEE Photonics Journal ， 2017 ， 9 （ 3 ）： 1 - 10 .

AGAIAN S S ， PANETTA K ， GRIGORYAN A M . Transform-based image enhancement algorithms with performance measure ［J］. IEEE Transactions on image processing ， 2001 ， 10 （ 3 ）： 367 - 382 .

AGAIAN S S ， SILVER B ， PANETTA K A . Transform coefficient histogram-based image enhancement algorithms using contrast entropy ［J］. IEEE transactions on image processing ， 2007 ， 16 （ 3 ）： 741 - 758 .

浏览量

829

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

液晶-旋转波片型全偏振成像入射角度修正

双尺度画面细节信息引导的全参考图像质量客观评价

生物组织偏振成像系统误差校正及甲状腺病理识别

基于图像画面信息及其视觉感知的无参考图像质量评价

基于透射率限制修正的水下偏振图像恢复