用于水下弱光环境能见度增强的主动偏振成像

《Optics & Laser Technology》：Active polarization imaging for visibility enhancement in underwater low-light environments

　　偏振成像在水下探测中展现出巨大的应用价值，但它缺乏应对恶劣光照条件的能力，尤其是在水下低光环境中。本文提出了一种利用主动偏振成像增强水下低光图像可见性的新方法。首先对水下低光环境中获取的图像进行倒置，然后进行偏振分解。此外，我们开发了一种针对背散射光和目标反射光偏振度（DoP）的双全局估计策略，以实现主动偏振去散射。将分解结果与所提出的策略相结合，对倒置图像进行主动偏振去散射以获得更好的结果。对去散射后的图像进行反转即可得到水下低光环境中的增强图像。该方法适用于具有不同偏振特征的目标，特别是具有复杂偏振特征的目标，并且可以摆脱对背景区域和人工计算机交互的依赖。同时，该方法在一定程度上也适用于非均匀光照条件。实验结果表明，该方法能很好地抑制散射效应，并有效增强不同场景下水下低光图像的可见性，无论是否有背景区域。**引言**水下光学成像在许多应用中具有重要意义，如海底资源勘探、海洋生物研究和水下考古等。然而，水中悬浮颗粒对光的散射和吸收特性使得水下视觉增强成为一项具有挑战性的任务，这导致水下图像缺乏细节、亮度降低、对比度低且噪声严重。散射改变了光的传播方向并引入不必要的杂光来遮蔽目标，而吸收则导致光在传播过程中能量衰减。同时，恶劣的光照条件也是一个无法避免的挑战。光照不足可能导致探测器接收到的光子数量不足，特别是在深海探测中。即使增加了额外的人造光源，也会带来非均匀照明现象，并且随着探测距离的增加，照明效果会经历严重衰减。这些问题是水下成像质量下降的主要原因，严重阻碍了对水下场景的分析和理解。为了提高水下低光图像的质量，人们提出了各种方法，包括对比度受限自适应直方图均衡化（CLAHE）、基于Retinex的方法、图像融合、深度学习等。特别是，Marques等人提出了一种单图像可见性增强框架，称为L2UWE，该方法采用对比度引导的方法，有效地对低光水下场景中的光照分布进行建模。Ning等人提出了一种基于非均匀照明校正和自适应伪影消除的低光照水下图像增强方法。Hou等人开发了一种由照明通道稀疏先验（ICSP）引导的变分框架，用于非均匀照明水下图像修复。Zhou等人提出了一种基于小波分解融合网络（WDFN）来解决水下低光环境中图像的混合退化问题。He等人提出了一种基于环境光相似性先验（ALSP）的快速场景恢复方法。此外，基于散射光的部分偏振特性，偏振成像在水下探测领域提供了显著优势。Treibitz等人利用了主动偏振照明，并考虑了目标反射光和背散射光之间偏振特性的差异，提出了经典的水下主动偏振成像方法。Yang等人提出了一种基于主动非偏振照明利用偏振成像增强浑浊水下图像可见性的方法。Lu等人构建了一个双层多指标框架，约束了目标反射光的DoP，并将其纳入主动偏振成像模型中，以实现在不依赖背景区域的情况下获得清晰的水下视觉。然而，水下偏振成像应对恶劣光照条件的问题值得考虑，相关研究已有一些进展。Wang等人提出了一种基于非均匀照明的主动偏振成像方法，适用于具有复杂偏振特性的水下物体且无需先验信息。Shen等人引入了一种偏振驱动解决方案（PDS）来增强受光散射和不均匀照明退化的水下图像对比度。Xue等人基于偏振参数的对抗特性提出了一种Stokes域水下低光偏振图像增强范式，并设计了一个依赖梯度残差密集特征提取模块的双分支网络。然而，仍然期待一种简单高效的方法，能够将偏振成像扩展以满足增强水下低光视觉的需求，并在不依赖背景区域的情况下处理复杂目标。在本文中，我们提出了一种基于主动偏振成像模型的水下低光图像增强方法，以同时平衡去散射效果和亮度提升。我们分析了低光图像和 underwater 低光图像倒置版本的灰度直方图特征。遵循先前的工作，我们添加了一些必要的约束并优化搜索过程，以获取倒置图像的偏振分解分量。通过将基于双全局估计策略的改进主动偏振去散射方法应用于倒置图像，我们的方法可以自动提高水下低光环境中拍摄图像的质量，特别是针对具有复杂偏振特征的目标成像。同时，所提出的方法可以部分缓解非均匀照明的影响，并摆脱传统基于偏振方法中对背景区域和人工计算机交互的限制。最后，我们进行了多组室内实验室模拟实验，采用不同的目标来验证所提方法的可行性。来自Shen研究的真实水下偏振图像数据集也有助于验证其稳定性。**各章节摘要****理论基础**图1展示了在不同环境中获取的复杂目标的归一化强度图像，以及相应的倒置图像、放大视图及其灰度直方图。灰度直方图有助于分析图像特征，更宽的分布范围通常表示更高的图像清晰度和更丰富的信息内容，如图1(a)所示。先前的相关工作已表明，倒置图像的偏振分解特性可用于水下图像增强。**实验设置**为了验证所提方法的有效性，我们进行了几组室内实验室模拟实验。整个过程在暗室中进行以减少杂光干扰。如图4所示，实验中使用的光源是中心波长为620纳米的发光二极管（Daheng GCI-060401），配合偏振态发生器（PSG）提供水平线偏振光的主动照明。成像设备为……**结论**在本文中，我们提出了一种基于主动偏振成像模型的水下低光图像增强方法，以自动改善水下低光环境中不同偏振特征的复杂场景的可见性，且不依赖背景区域。根据低光图像和 underwater 低光图像倒置版本的特征分析，我们将双全局估计的主动偏振去散射策略融入到了……**CRediT作者贡献声明****高晨栋**：撰写——初稿，软件，方法论，调查研究，概念化。**圣威**：验证，监督，数据整理。**时瑶瑶**：可视化，监督，形式化分析。**郑远金**：监督，资源。**刘友文**：撰写——审阅与编辑，监督，资源，项目管理，资助获取。**利益冲突声明**作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。**致谢**本工作得到了国家自然科学基金（12274224）和中国留学基金会项目（202606830054）的支持。作者：高晨栋|圣威|时瑶瑶|郑远金|刘友文