理论知识
偏振成像新技术:在浑水中自动生成清晰的图像
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时间:2021-10-21 10:19:16

偏振成像装置对淹没在浑水中的各种物体进行成像

使用传统的偏振成像装置对淹没在浑水中的各种物体进行成像,图片来源:光学学会

       研究人员使用传统的偏振成像装置对淹没在浑水中的各种物体进行成像。将这种简单的设置与新算法相结合,可以在没有先验知识或背景区域的情况下生成清晰的水下图像。

       研究人员开发了一种新方法,可在浑水中自动产生清晰的图像。这项新技术可用于寻找溺水受害者、记录水下考古文物和监测水下农场。

       在水下清晰成像极具挑战性,因为水和其中的颗粒往往会散射光线。但是,因为散射光是部分偏振的,所以使用对偏振敏感的相机成像可以用来抑制水下图像中的散射光。

     “我们的新方法克服了传统偏振水下成像的局限性,为将这种方法带出实验室并进入现场奠定了基础,”中国天津大学的研究团队负责人胡浩峰说。“与以前的方法不同,图像不需要包含背景区域来估计反向散射光。”

        在光学学会 (OSA) 期刊Optics Express 《光学快报》中,研究人员展示了他们的方法能够增强图像对比度,同时在不引入大量噪声的情况下保留图像细节。这种新方法甚至可在浓稠的浑浊水中工作,这种浑浊的水几乎是不透明的。

      “我们的偏振成像方法可以提高各种散射介质中的图像质量,而不仅仅是浑浊的水,”胡浩峰说,“我们认为我们使用的原理可以扩展到通过雾、霾和烟雾等其他散射介质进行成像。”

       实用的水下成像

       传统的水下成像方法使用成像区域的先验知识或图像的背景来计算和去除散射光。这些方法在该领域的实用性有限,因为它们通常需要手动处理,图像并不总是有可见的背景,并且先验信息并不总是可用的。

       为了克服这些挑战,研究人员将传统的偏振成像设置与一种新算法相结合,该算法可自动找到最佳参数来抑制散射光。这不仅显着提高了图像对比度以实现清晰成像,而且可以在没有任何成像区域先验知识的情况下使用,也可以用于有或没有背景区域的图像。

      “我们的方法代表了一种显著的改进,可以使水下偏振成像的实际应用超越实验室中发现的‘理想’水下环境,”胡浩峰说。“它可以适用于各种应用,在这些应用中,清晰的视觉是至关重要的,但由于水质浑浊,图像质量通常很差。”

       透过浑水

       研究人员通过在实验室中采集混浊液体混合物中的图像来测试他们的新技术。他们从一个装满水的透明水箱开始,然后混合不同量的牛奶,以模拟具有不同浊度的水下环境。他们拍摄了由各种材料制成的各种物体,如木材、塑料和陶瓷。

     “我们的实验结果表明,我们的方法在对不同浊度的水中不同物体进行成像时,在抑制散射、恢复细节和降低噪声方面具有明显的优势,”胡浩峰说。“虽然在浓稠的浑浊水中通常看不到背景区域,但我们的方法能够在这种环境中实现清晰的视觉。”

      现在该方法已在实验室中得到验证,研究人员计划在实际的水下环境(如海洋)中对其进行测试。他们还计划提高成像距离,使其在真实世界的水下环境中更有用。



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