偏振光學成像去霧：“擦去”照片上的霧霾

隨著汙染的日益嚴重，霧霾現象越來越普遍，在霧霾天氣影響下，光學成像係統的能見度和所采集圖像對比度均大幅度降低。如何恢複和提高霧霾氣象條件下的光學成像質量，即去霧技術，逐漸成為了一個研究熱點。

目前，去霧技術主要分為兩大類:１)圖像處理去霧技術，通過對光學係統采集的圖像進行增強或複原操作，提高圖像的質量；２)光學去霧技術，通過對光學成像係統的改造和成像算法的優化，減小霧霾對成像質量的影響。

基本原理

其中，光學去霧技術通過對光學成像係統進行改造，采集多幅含有不同光學特征的同一場景圖像，從多幅圖像中獲取目標反射光信息和大氣光信息並將其分離，進而通過算法融合出一幅複原後的去霧圖像。由於霧霾等散射顆粒散射太陽光形成的大氣光都具有部分偏振特性，因此，偏振光學成像去霧（效果如圖1）適用於各種場景的各類霧霾天氣，應用範圍廣泛，成為研究熱點之一。

(a) 霧霾圖像 (b) 去霧效果圖圖1 偏振去霧效果

偏振光學成像去霧技術主要分為被動偏振光學成像去霧技術和主動偏振光學成像去霧技術。

被動偏振光學成像去霧技術主要基於霧霾氣象狀況下的大氣物理退化模型（如圖2所示），從采集的多幅不同偏振方向的圖像中精確估算大氣光強和無窮遠處大氣光強兩個關鍵參數，反演退化過程，獲得退化前的場景清晰圖像。對於霧霾氣象環境而言，一般采用被動偏振光學成像去霧技術。

圖2 大氣物理退化模型示意圖（場景目標反射光強(L)經過霧霾區域，會受到霧霾顆粒的強散射和吸收作用，到達探測器的直接透射光強(D)隨傳輸距離呈指數衰減）

主動偏振光學成像去霧技術不考慮大氣物理退化模型，根據主動光在散射介質中的偏振傳輸特性進行清晰成像。例如水下環境，其衰減係數要遠遠高於霧霾環境且環境光照較弱，在這種情況下，采取主動成像方案就成為了比較常規的選擇。

特點

偏振光學成像去霧技術經過了二十多年的發展，理論上已經較為成熟，實驗上得到了良好的去霧效果，環境適應性和算法可靠性也都得到了證明：

1、Mie氏散射條件，這意味著偏振光學成像去霧技術的適用範圍廣；

2、偏振光學成像去霧技術從偏振光物理模型出發，保證了目標和場景信息的真實性和保真度，具有良好的去霧成像效果；

3、與圖像處理去霧技術不同，偏振光學成像去霧技術不需要通過像素間灰度值的關係判斷目標和噪聲，因此，濃霧霾天氣條件下的去霧效果更有優勢；

4、算法相對簡單，實時性好。

偏振光學成像去霧技術一直以來都是以應用為目標的，實用化將是其主要的發展趨勢。偏振光學成像去霧技術想要實現實用化，除了對偏振去霧算法進行優化，最大的挑戰來自於偏振成像係統的硬件配套，將偏振去霧算法與偏振光學成像係統的有效結合是偏振光學成像去霧技術得以實用化的關鍵。與強度型光學相機接收光強度信息一樣，目標反射光偏振信息的獲取需要由偏振光學成像係統來完成。

研究進展

2001年，美國哥倫比亞大學的Schechner等提出了偏振光學成像去霧技術，首次將光波的大氣物理退化模型引入偏振去霧處理中，獲得了高質量的去霧圖像。

2011年，廈門大學的張曉玲團隊在偏振差分成像去霧技術的基礎上，結合了圖像處理去霧技術，得到了較好的去霧效果。該技術也被證明了可以很好地應用於水下去散射成像應用領域。

2015年，長春理工的段錦團隊將基於Stokes矢量（即一種用光的強度信息描述偏振特性的探測方法）的偏振成像去霧技術與基於偏振差分的偏振成像去霧技術進行了對比，發現前者在去霧圖像對比度複原方麵更好，且對於彩色圖像偏振去霧而言，能見度可提升70%以上。

近幾年，中科院西安光機所研究團隊在實用化方麵開展了深入的研究工作，研製出了小型化的全偏振態同時探測實時彩色偏振相機，並開展了實時偏振去霧的相關研究工作。圖3所示為偏振相機及拍攝輸出的偏振圖像。

偏振光學成像去霧：“擦去”照片上的霧霾