专利摘要

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。

权利要求

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I_lpf(x_m,y_n)；

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I_roi(x_m,y_n)，进一步采用Matlab软件中regionprops函数的orientation属性对I_roi(x_m,y_n)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I_temp(x_m,y_n)，则其光强分布表示为：

I_temp(x_m,y_n)＝cos²(θ_i+α) (2)

公式(2)中α为方向角变量，0≤α≤2π，θ_i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θ_range，角度计算精度为θ_step，则θ_i可表示为：

θ_i＝θ₀-θ_range+i*θ_step,i＝0,1,2...(2*θ_range/θ_step) (3)

显然θ_i满足θ₀-θ_range≤θ_i≤θ₀+θ_range，根据第一步预处理得到的偏振图像I_lpf(x_m,y_n)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*θ_range/θ_step+1，第i次相关运算的结果I_cori(x_m,y_n)表示为：

I_cori(x_m,y_n)＝I_lpf(x_m,y_n)*I_temp(x_m,y_n) (4)

查找num次相关运算结果中的极大值，记为I_corm(x_m,y_n)，则其表示为：

I_corm(x_m,y_n)＝Max{I_cor0(x_m,y_n),I_cor1(x_m,y_n),...I_cori(x_m,y_n),...I_cornum(x_m,y_n)} (5)

当图像相关运算的结果取最大值I_corm(x_m,y_n)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θ_im，则θ_im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：

2.根据权利要求1所述的一种计算光波偏振方向与偏振度的图像处理方法，其特征在于，所述第二步也可为：通过计算光强调制曲线极值获得初步偏振方向角；

在第一步获得预处理偏振图像I_lpf(x_m,y_n)的基础上，通过找出图像中给定半径为r的圆上的像素点，将圆上所有像素点的灰度值看成是方位角的函数，绘成函数曲线便可得到光强调制曲线，调制曲线的初始相位角即为入射光波的偏振方向角，求解调制曲线的初始相位角θ_int的方法为寻找函数曲线的极大值或极小值对应的角度值θ_max、θ_min，其具体关系表示为：

其中θ_max、θ_min满足关系|θ_max-θ_min|＝90°，为避免随机噪声的影响并获得较高的求解精度，选取不同半径r₁,r₂,r₃的多个圆，并根据圆上像素点的灰度值相应绘制多条不同的光强调制曲线，分别求取每条曲线的初始相位角θ_int1,θ_int2,θ_int3，然后对多个结果取平均得到较为准确的偏振方向角。

说明书

技术领域

本发明涉及偏振检测技术领域，进一步是涉及一种利用数字图像处理技术实现光波偏振方向和偏振度定量计算的方法。

背景技术

偏振是电磁波的一种重要属性，偏振方向和偏振度的准确测量在天空偏振光导航、旋光测量、旋光色散分析、偏振成像、荧光偏振免疫分析等领域具有重要应用。矢量偏振光是一种具有轴向对称性且偏振方向随空间连续变化的涡旋光束，利用一阶矢量偏振光场(如角向偏振光、径向偏振光)调制线偏振光或部分偏振光，可形成光强呈楔形亮暗分布的偏振图像。当采用角向偏振光(或径向偏振光)检测时，两楔形暗区中心所在的方向平行(或垂直)于入射偏振光电矢量的振动方向，楔形亮区与暗区的灰度值差异决定了入射光波的偏振度。利用相机将上述偏振图像转化为数字图像后采集进计算机进行处理，便可计算得到入射光波的偏振方向和偏振度。

利用矢量偏振光调制并检测光波偏振方向和偏振度的基本原理和方案已经被国内外多个课题组研究过，但均未对采用数字图像处理技术实现偏振特性定量测量的具体实施方法进行介绍。如2013年12月4日由齐晓岩等公布的中国发明专利(201310325876.9)“非旋转式旋光溶液测量仪及采用该测量仪测量旋光溶液旋光率的方法”，阐述了一种利用显偏器产生角向偏振光并对线偏振光的偏振光方向进行直观检测和对旋光溶液旋光率进行测量的方法，但对利用计算机分析偏振图像并获取偏振方向的具体方法并未提及。另一典型实例如2015年12月30日由张文静等公布的中国发明专利(201510641478.7)“基于s-波片的天空偏振模式探测方法与系统”，阐述了一种利用s-波片和光场相机实现天空偏振模式探测的方法与系统，并介绍了采用Radon变换计算天空偏振度和偏振方向角的具体方法，但是该方法计算效率不高，特别是图像尺寸较大、角度检测精度要求较高时，Radon变换非常耗时，且对偏振图像的曝光要求很高，局部少量的过曝或欠曝均会对检测结果产生较大误差，因此基于Radon变换的解算方法难以满足一些应用场合进行快速高精度偏振检测的实际要求。

综上分析，有必要研究一种既能克服现有解算方法的不足，又能充分发挥利用矢量偏振光检测光波偏振特性优势的数字图像处理方法，实现光波偏振方向与偏振度的快速高精度解算，为基于矢量偏振光的偏振检测方法走向实用迈出关键一步。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种新的计算光波偏振方向与偏振度的数字图像处理方法。该方法可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。

本发明提供一种计算光波偏振方向与偏振度的数字图像处理方法，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，具体包括以下两种实现方式。

本发明提供的第一种计算光波偏振方向与偏振度的数字图像处理方法，其特征在于，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，所用滤波器为常规低通滤波器、高斯型低通滤波器和巴特-沃斯型低通滤波器等，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I_lpf(x_m,y_n)；

第二步，利用ROI(region of interest，感兴趣区域)检测获得初步偏振方向角；

设定一个分割阈值(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(imopen)，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(imfill)，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I_roi(x_m,y_n)，进一步采用Matlab软件中regionprops函数的orientation(方向)属性对I_roi(x_m,y_n)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(Malus Law)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I_temp(x_m,y_n)，则其光强分布表示为：

I_temp(x_m,y_n)＝cos²(θ_i+α) (2)

公式(2)中α为方向角变量，0≤α≤2π，θ_i为模板图像的初始方向角(以θ₀为中心)。设定局域相关运算的角度范围为θ_range，角度计算精度为θ_step，则θ_i可表示为：

θ_i＝θ₀-θ_range+i*θ_step,i＝0,1,2...(2*θ_range/θ_step) (3)

显然θ_i满足θ₀-θ_range≤θ_i≤θ₀+θ_range。根据第一步预处理得到的偏振图像I_lpf(x_m,y_n)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，可连续实施num(num＝2*θ_range/θ_step+1)次图像相关运算，第i次相关运算的结果I_co_ri(x_m,y_n)表示为：

I_co_ri(x_m,y_n)＝I_lpf(x_m,y_n)*I_temp(x_m,y_n) (4)

查找num次相关运算结果中的极大值，记为I_corm(x_m,y_n)，则其可表示为：

I_corm(x_m,y_n)＝Max{I_cor0(x_m,y_n),I_cor1(x_m,y_n),...I_cori(x_m,y_n),...I_cornum(x_m,y_n)} (5)

当图像相关运算的结果取最大值I_corm(x_m,y_n)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θ_im，则θ_im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Sum[I_θim(x_m,y_n)]和Sum[I_θim+π/2(x_m,y_n)]，进而得到偏振度为：

本发明提供的另一种计算光波偏振方向与偏振度的数字图像处理方法，包括以下步骤：

第一步，对偏振图像进行定心、裁剪、灰度拉伸、滤波降噪等预处理；

具体实现方法同第一种方式；

第二步，通过计算光强调制曲线极值获得初步偏振方向角；

在第一步获得预处理偏振图像I_lpf(x_m,y_n)的基础上，通过找出图像中给定半径为r的圆上的像素点，将圆上所有像素点的灰度值看成是方位角的函数，绘成函数曲线便可得到光强调制曲线，调制曲线的初始相位角即为入射光波的偏振方向角。求解调制曲线的初始相位角θ_int的方法为寻找函数曲线的极大值或极小值对应的角度值θ_max、θ_min，其具体关系可表示为：

其中θ_max、θ_min满足关系|θ_max-θ_min|＝90°。为避免随机噪声的影响并获得较高的求解精度，可以选取不同半径r₁,r₂,r₃的多个圆，并根据圆上像素点的灰度值相应绘制多条不同的光强调制曲线，分别求取每条曲线的初始相位角θ_int1,θ_int2,θ_int3，然后对多个结果取平均得到较为准确的偏振方向角；

第三步，采用图像局域相关算法精确计算偏振方向；

具体实现方法同第一种方式；

第四步，根据偏振方向计算偏振度；

具体实现方法同第一种方式；

本发明所提供的数字图像处理方法适用于计算分析所有一阶矢量偏振光调制产生的强度呈楔形亮暗分布的偏振图像。图像的裁剪尺寸大小、图像局域相关运算的角度搜索范围和精度均是影响计算速度和精度的重要因素，局域相关运算的角度搜索精度理论上讲就是最终的测量精度。因此根据实际偏振图像的特性(尺寸、噪声、对比度等)和检测精度要求，选取合适的图像裁剪尺寸、相关运算的角度搜索范围和精度，对实现偏振方向和偏振度的快速高精度检测十分重要。

本发明的有益效果是：根据一阶矢量偏振光调制产生的强度呈楔形亮暗分布的偏振图像的对称特征，对图像进行定心、裁剪、灰度拉伸、滤波降噪等预处理可增强其偏振调制特征，采用ROI检测或计算光强调制曲线极值进行全局快速粗略搜索与小角度范围内图像相关精确计算相结合的算法，保证了偏振方向计算结果的高精度、快速度和良好重复性。不仅如此，最终决定计算精度的图像相关算法，是一种鲁棒性很强的全局性整体算法，对图像噪声有很好的抑制效果，且对偏振图像曝光质量的要求也不高，非常适合于在实际的基于矢量偏振光场的偏振方向或旋光检测系统中应用。

附图说明

图1为本发明提供的图像处理方法的具体实施流程图；

图2为本发明实施例中处理的强度呈楔形亮暗分布的偏振图像；

图3为本发明实施例中裁剪及对比度拉伸后的偏振图像；

图4为本发明实施例中滤除高频信息后的偏振图像；

图5为本发明实施例中ROI检测提取的感兴趣区域；

图6为本发明实施例中计算得到的偏振方向及其在图中的显示；

图7为本发明实施例中仿真生成的相关运算所需的模板图像；

图8为本发明实施例中在某一半径下提取的光强调制曲线；

图9为本发明实施例中对某一偏振方向角进行重复测量计算的结果；

图10为本发明实施例中对不同偏振方向角进行连续步进测量计算的结果。

具体实施方式

以下将结合说明书附图对本发明做进一步详细说明：

图1为本发明提供的图像处理方法的具体实施流程图，图2为本发明实施例中处理的强度呈楔形亮暗分布的偏振图像。本发明提供的一种计算光波偏振方向与偏振度的数字图像处理方法，其步骤包括：

第一步，对偏振图像进行定心、裁剪、灰度拉伸、滤波降噪等预处理；

第二步，利用ROI检测或计算光强调制曲线极值获得初步偏振方向角；

第三步，采用图像局域相关算法精确计算偏振方向；

第四步，根据偏振方向计算偏振度。

图2所示的待处理偏振图像的大小为2048×2048像素，通过定心确定的图像中心坐标为(1028，1022)，围绕该中心先将偏振图像裁剪成一幅1024×1024的矩形图像，然后进行对比度拉伸变换操作以增加图像的亮暗对比度，进一步将图像裁剪为半径R＝1024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。完成裁剪及对比度拉伸后的圆形偏振图像如图3所示，不难发现图像的亮暗对比及对称性更加明显，调制特征得到增强。

对图3所示图像实施空间傅里叶变换，并在变换后的频域内对图像进行低通滤波处理，所用滤波器为高斯型低通滤波器，滤波参数设为20；再对滤波后的图像进行傅里叶逆变换，进而得到空域内滤除高频噪声后的偏振图像，如图4所示。由图可见，进行低通滤波后的图像高频细节丢失，图像变得模糊，但图像的亮暗对比及对称特征依然明显，为下一步稳定的提取偏振方向角奠定良好基础。

在本发明实施例中，设定ROI检测的分割阈值为0.45，根据该阈值对预处理后的图像进行分割，将灰度值大于这一阈值的区域作为感兴趣的区域，并实现对灰度图像的二值化处理，然后对二值化图像实施开操作(imopen)，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(imfill)，通过填充图像中的小块空洞区域使得感兴趣的区域更加连续完整。通过ROI检测提取的感兴趣区域如图5所示。进一步采用Matlab软件中regionprops函数的orientation属性计算ROI区域的取向方向，得到大致准确的亮区中心线的方向角为29.538度，如图6所示。

在本发明实施例中，通过找出偏振图像(图6)中半径为300的圆上的像素点，将圆上所有像素点的灰度值看成是方位角的函数，绘制出的光强调制曲线如图8所示。图中黑色实线为原始实验数据提取的调制曲线，可见明显的强度噪声；红色点线为经过滤波后的数据中提取的调制曲线，已经变得比较平滑；蓝色虚线为相同条件下通过理论仿真得到的强度调制曲线。由于调制曲线的初始相位角即为入射光波的偏振方向角，通过寻找滤波后强度调制曲线(红色点线)的极小值，求得调制曲线的初始相位角为30.116度。

根据第二步初步得到的偏振方向角29.538度，以该角度为中心在±0.300度范围内，以0.010度为变化间隔，根据马吕斯定律(Malus Law)连续仿真生成61幅图像，即生成偏振方向为29.238度、29.248度、…、29.538度、29.548度、…、29.828度、29.838度等一系列的仿真图像，图像尺寸与原始图像的裁剪尺寸一致，均为1024×1024像素，实际效果如图7所示。将上述仿真图像序列依次作为模板图像，分别与裁剪滤波后的同尺寸待测偏振图像进行相关运算，当相关峰(极大值)出现时，相应模板图像的初始方向角为29.268度，该角度为最接近真实偏振方向的角度值，也就是相关运算得到的精确偏振方向角。

根据计算得到的偏振方向角29.268度和裁剪后的偏振图像(图6)，可近似计算得到入射光波的偏振度。图6中29.268度方向为强度呈楔形亮暗分布的偏振图像中亮区中心线的方向，119.268度方向为图像中暗区中心线的方向，将这两个方向上所有像素的灰度值求和，可近似得到入射光波在消光方向和垂直消光方向的光强值，进而获得入射光波的偏振度。在本发明实施例中，根据此思路近似计算得到偏振度为0.767。

为检验本发明所提供图像处理方法的实际效果，搭建了一套光波偏振态的动态实时检测实验系统，用于采集不同状态下强度呈楔形亮暗分布的偏振图像。为检验算法的稳定性与鲁棒性，首先在某一偏振方向角下采集多幅图像开展重复性计算实验。实验中保持入射光波的偏振态(起偏器的方位)固定不变，控制数字相机每间隔2秒采集1幅图像，连续采集了30幅数字图像进行计算分析。图9为本发明实施例中对某一偏振方向角进行重复测量计算的结果。由图可见，同一偏振方向角下不同图像计算结果的重复性很好，30幅图像计算结果的平均值为26.165度，标准偏差为0.004度，30个计算结果中任意两个角度的最大误差为0.014度。

为检验本发明所提供图像处理方法在不同偏振方向角下的计算检测精度，采用Thorlabs(索雷博)公司生产的PRM1Z8型高精度步进电机带动起偏器精确旋转指定角度，以获得已知准确偏振方向的输入线偏振光。实验中在每个偏振方向角下采集1幅图像进行分析计算，控制步进电机每次旋转1度，它带动偏振片也随之旋转1度，连续采集15幅在不同角度下的偏振图像，然后利用本发明所提供图像处理方法进行分析，具体计算结果及误差如图10所示。图10横坐标为测量位置，左侧纵坐标为每个位置下的测量结果(标准值与实际测量值)，右侧纵坐标(误差量与参考线)表示对应的测量误差。由图可见，在从起始位置1度旋转至15度的变化范围内，测量结果与标准值的吻合度很高，15个测量结果中最大角度误差为0.052度，15次测量误差的标准偏差为0.023度，进一步验证了本发明所提供的图像处理方法可用于高精度地计算偏振方向。

本发明所提供的计算光波偏振方向和偏振度的数字图像处理方法的时间消耗与图像的尺寸大小、相关运算的角度搜索范围与精度、计算平台性能等诸多因素密切相关。在本发明实施例中，当图像裁剪尺寸为824×824像素、相关运算的角度搜索范围与精度分别为0.300度和0.020度、计算平台为联想Thinkpad笔记本电脑(T470P，I7@2.8GHz，8GB)时，计算一幅偏振图像的时间花费约为867ms。显然，当图像尺寸、角度搜索范围与精度增大时，图像处理软件的耗时也会相应增加。

本发明所提供的计算光波偏振方向和偏振度的数字图像处理方法，适用于计算分析所有一阶矢量偏振光调制产生的强度呈楔形亮暗分布的偏振图像，输入光波可以是线偏振光和部分偏振光。根据强度呈楔形亮暗分布的偏振图像的对称特征，对图像进行定心、裁剪、灰度拉伸、滤波降噪等预处理以增强其偏振调制特征，图像处理方法的主体采用全局快速粗略搜索与局部精确定位相结合的策略，保证了偏振方向计算结果的高精度、快速度和良好重复性。不仅如此，最终决定计算精度的图像相关算法，是一种鲁棒性很强的全局性算法，对图像噪声有很好的抑制效果，且对偏振图像曝光质量的要求不高，非常适于在基于矢量偏振光场的新型偏振方向、旋光检测系统中应用。

一种计算光波偏振方向与偏振度的图像处理方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。