[发明专利]一种计算光波偏振方向与偏振度的图像处理方法

摘要

本发明涉及一种计算光波偏振方向与偏振度的图像处理方法。采用全域快速粗略估算与局域相关精确计算相结合的策略，实现了偏振方向和偏振度的快速高精度计算。在分析一阶矢量偏振光调制产生强度呈楔形亮暗分布的偏振图像基础上，实现入射光波偏振方向与偏振度的定量计算，计算结果精度高、速度快、重复性好，且对偏振图像曝光质量的要求不高。

主权项

1.一种计算光波偏振方向与偏振度的图像处理方法，采用全域快速粗略估算与局域相关精确计算相结合的策略，实现偏振方向和偏振度的快速高精度计算，其特征在于，具体包括以下步骤：第一步，对偏振图像进行定心、裁剪、灰度拉伸、滤波降噪预处理；设偏振图像为一N行、M列的数字图像，图像中任一像素点的空间坐标为(x_m,y_n)，该像素点的灰度值为I_o(x_m,y_n)，1≤m≤M,1≤n≤N，首先确定强度呈楔形亮暗分布的偏振图像的中心坐标(x_mc,y_nc)，然后围绕该中心将偏振图像裁剪成2R行、2R列的方形图像，将方形图像进行对比度拉伸变换操作以增加图像的亮暗对比度，得到拉伸变换后的图像为I_ols(x_m,y_n)，接下来将该数字图像进一步裁剪成半径为R的圆形图像，也就是将图像中圆形区域之外的像素灰度值置零，若裁剪后的像素灰度值为I_cut(x_m,y_n)，图像中任一点离图像中心的距离则I_cut(x_m,y_n)可表示为：进一步对裁剪后的图像实施空间傅里叶变换，并在频域内对图像进行低通滤波处理，再对滤波后的图像进行傅里叶逆变换，进而得到空域内滤波降噪后的偏振图像，记为Ilpf(xm,yn)；第二步，利用感兴趣区域检测获得初步偏振方向角；设定一个分割阈值，阈值取0‑1之间的实数，根据该阈值对预处理后的图像进行分割，将灰度值大于阈值的区域作为感兴趣的区域，并对灰度图像进行二值化处理，然后对二值化图像实施开操作，使分割区域的边界轮廓变得平滑，接下来对二值图像进行填充操作，通过填充图像中的小空洞区域使得感兴趣的区域更加连续完整，经过上述处理的图像表示为Iroi(xm,yn)，进一步采用Matlab软件中regionprops函数的orientation属性对Iroi(xm,yn)进行取向方向计算，进而得到大致准确的偏振方向角θ0；第三步，采用图像局域相关算法精确计算偏振方向；根据第二步初步得到的偏振方向角θ0和马吕斯定律仿真生成偏振图像，该图像作为图像局域相关运算的模板图像Itemp(xm,yn)，则其光强分布表示为：Itemp(xm,yn)＝cos2(θi+α)                            (2)公式(2)中α为方向角变量，0≤α≤2π，θi为模板图像的初始方向角，设定局域相关运算的角度范围为θrange，角度计算精度为θstep，则θi可表示为：θi＝θ0‑θrange+i*θstep,i＝0,1,2...(2*θrange/θstep)            (3)显然θi满足θ0‑θrange≤θi≤θ0+θrange，根据第一步预处理得到的偏振图像Ilpf(xm,yn)以及利用公式(2)、公式(3)进行仿真模拟得到的一系列模板图像，连续实施num次图像相关运算，num＝2*θrange/θstep+1，第i次相关运算的结果Icori(xm,yn)表示为：Icori(xm,yn)＝Ilpf(xm,yn)*Itemp(xm,yn)                    (4)查找num次相关运算结果中的极大值，记为Icorm(xm,yn)，则其表示为：Icorm(xm,yn)＝Max{Icor0(xm,yn),Icor1(xm,yn),...Icori(xm,yn),...Icornum(xm,yn)}  (5)当图像相关运算的结果取最大值Icorm(xm,yn)时，也就是相关峰出现时，若此时相应模板图像的初始方向角为θim，则θim即为最接近真实偏振方向的角度值，也就是通过相关运算得到的精确偏振方向角；第四步，根据偏振方向计算偏振度；根据计算得到的偏振方向角θ_im和裁剪后的图像I_cut(x_m,y_n)，近似计算得到入射光波的偏振度，若θ_im为强度呈楔形亮暗分布的偏振图像中暗区或亮区中心线的方向，则θ_im+π/2为偏振图像中亮区或暗区中心线的方向，将图像I_cut(x_m,y_n)中分别沿角度θ_im和θ_im+π/2方向所有像素的灰度值求和，得到和进而得到偏振度为：