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隨著污染的日益嚴(yán)重，霧霾現(xiàn)象越來越普遍，在霧霾天氣影響下，光學(xué)成像系統(tǒng)的能見度和所采集圖像對(duì)比度均大幅度降低。如何恢復(fù)和提高霧霾氣象條件下的光學(xué)成像質(zhì)量，即去霧技術(shù)，逐漸成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)。

目前，去霧技術(shù)主要分為兩大類:１)圖像處理去霧技術(shù)，通過對(duì)光學(xué)系統(tǒng)采集的圖像進(jìn)行增強(qiáng)或復(fù)原操作，提高圖像的質(zhì)量；２)光學(xué)去霧技術(shù)，通過對(duì)光學(xué)成像系統(tǒng)的改造和成像算法的優(yōu)化，減小霧霾對(duì)成像質(zhì)量的影響。

基本原理

其中，光學(xué)去霧技術(shù)通過對(duì)光學(xué)成像系統(tǒng)進(jìn)行改造，采集多幅含有不同光學(xué)特征的同一場景圖像，從多幅圖像中獲取目標(biāo)反射光信息和大氣光信息并將其分離，進(jìn)而通過算法融合出一幅復(fù)原后的去霧圖像。由于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(xué)成像去霧（效果如圖1）適用于各種場景的各類霧霾天氣，應(yīng)用范圍廣泛，成為研究熱點(diǎn)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(xué)成像去霧技術(shù)主要分為被動(dòng)偏振光學(xué)成像去霧技術(shù)和主動(dòng)偏振光學(xué)成像去霧技術(shù)。

被動(dòng)偏振光學(xué)成像去霧技術(shù)主要基于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(qiáng)和無窮遠(yuǎn)處大氣光強(qiáng)兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，反演退化過程，獲得退化前的場景清晰圖像。對(duì)于霧霾氣象環(huán)境而言，一般采用被動(dòng)偏振光學(xué)成像去霧技術(shù)。

圖2 大氣物理退化模型示意圖（場景目標(biāo)反射光強(qiáng)(L)經(jīng)過霧霾區(qū)域，會(huì)受到霧霾顆粒的強(qiáng)散射和吸收作用，到達(dá)探測(cè)器的直接透射光強(qiáng)(D)隨傳輸距離呈指數(shù)衰減）

主動(dòng)偏振光學(xué)成像去霧技術(shù)不考慮大氣物理退化模型，根據(jù)主動(dòng)光在散射介質(zhì)中的偏振傳輸特性進(jìn)行清晰成像。例如水下環(huán)境，其衰減系數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于霧霾環(huán)境且環(huán)境光照較弱，在這種情況下，采取主動(dòng)成像方案就成為了比較常規(guī)的選擇。

特點(diǎn)

偏振光學(xué)成像去霧技術(shù)經(jīng)過了二十多年的發(fā)展，理論上已經(jīng)較為成熟，實(shí)驗(yàn)上得到了良好的去霧效果，環(huán)境適應(yīng)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(xué)成像去霧技術(shù)的適用范圍廣；

2、偏振光學(xué)成像去霧技術(shù)從偏振光物理模型出發(fā)，保證了目標(biāo)和場景信息的真實(shí)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(shù)不同，偏振光學(xué)成像去霧技術(shù)不需要通過像素間灰度值的關(guān)系判斷目標(biāo)和噪聲，因此，濃霧霾天氣條件下的去霧效果更有優(yōu)勢(shì)；

4、算法相對(duì)簡單，實(shí)時(shí)性好。

偏振光學(xué)成像去霧技術(shù)一直以來都是以應(yīng)用為目標(biāo)的，實(shí)用化將是其主要的發(fā)展趨勢(shì)。偏振光學(xué)成像去霧技術(shù)想要實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，除了對(duì)偏振去霧算法進(jìn)行優(yōu)化，最大的挑戰(zhàn)來自于偏振成像系統(tǒng)的硬件配套，將偏振去霧算法與偏振光學(xué)成像系統(tǒng)的有效結(jié)合是偏振光學(xué)成像去霧技術(shù)得以實(shí)用化的關(guān)鍵。與強(qiáng)度型光學(xué)相機(jī)接收光強(qiáng)度信息一樣，目標(biāo)反射光偏振信息的獲取需要由偏振光學(xué)成像系統(tǒng)來完成。

研究進(jìn)展

2001年，美國哥倫比亞大學(xué)的Schechner等提出了偏振光學(xué)成像去霧技術(shù)，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(zhì)量的去霧圖像。

2011年，廈門大學(xué)的張曉玲團(tuán)隊(duì)在偏振差分成像去霧技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合了圖像處理去霧技術(shù)，得到了較好的去霧效果。該技術(shù)也被證明了可以很好地應(yīng)用于水下去散射成像應(yīng)用領(lǐng)域。

2015年，長春理工的段錦團(tuán)隊(duì)將基于Stokes矢量（即一種用光的強(qiáng)度信息描述偏振特性的探測(cè)方法）的偏振成像去霧技術(shù)與基于偏振差分的偏振成像去霧技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)前者在去霧圖像對(duì)比度復(fù)原方面更好，且對(duì)于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(jī)所研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)用化方面開展了深入的研究工作，研制出了小型化的全偏振態(tài)同時(shí)探測(cè)實(shí)時(shí)彩色偏振相機(jī)，并開展了實(shí)時(shí)偏振去霧的相關(guān)研究工作。圖3所示為偏振相機(jī)及拍攝輸出的偏振圖像。

偏振光學(xué)成像去霧：“擦去”照片上的霧霾

圖3 偏振相機(jī)及拍攝輸出的偏振圖像

總之，偏振光學(xué)成像去霧技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)在實(shí)用性上也面臨著巨大的挑戰(zhàn)，還有很多關(guān)鍵問題亟待解決。相信在不久的將來，偏振光學(xué)成像去霧技術(shù)會(huì)走入人們?nèi)粘Ｉ?，為人們生活帶來極大的便利。

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