一种涂层材质反射偏振特性分析方法及装置

技术领域

本发明涉及目标探测和识别技术领域，尤其涉及一种涂层材质反射偏振特性分析方法及装置、计算机设备、计算机可读存储介质。

背景技术

目标的偏振特性(偏振度、偏振角)可反映出一些在强度信息中难以获得的目标景物信息，有利于成像系统更有效地进行目标探测和识别。目标的可见光偏振特性主要为反射偏振特性，不同材质的目标偏振特性的差异可以为目标识别提供重要信息。对于自然表面和人工目标，反射辐射的偏振特性取决于目标表面的固有属性，如其结构特征、粗糙度、观察角、辐照度等条件。为了达到探测和识别空间目标的目的，偏振探测已经在地基光学观测系统中得到了研究与应用。目前，目标可见光反射偏振特性研究主要为基于试验数据的分析及通过可见光反射偏振传输模型仿真分析，常用的基于偏振双向分布反射函数的材质表面反射偏振特性模型，对镜向散射较强的涂层和散射光强呈非典型高斯分布的涂层材质仿真分析并不适用。

发明内容

本发明的目的是针对上述至少一部分不足之处，提供一种可以适用于涂层材质的反射偏振特性计算分析方法，以提高涂层材质反射偏振特性计算分析的精度。

为了实现上述目的，本发明提供了一种涂层材质反射偏振特性分析方法，该方法包括如下步骤：

S1、根据涂层材质表面反射特性，确定双向反射分布函数并进行偏振化过程，得到涂层材质的偏振双向反射分布函数

其中，θ

S2、根据得到的涂层材质的偏振双向反射分布函数和可见光反射偏振传输模型，求解对应的斯托克斯矢量表达式；

S3、根据斯托克斯矢量表达式，计算涂层材质反射偏振的偏振度及偏振角。

优选地，所述步骤S2中，求解对应的斯托克斯矢量表达式时，可见光反射偏振传输模型的斯托克斯矢量S

其中，Ω

优选地，所述步骤S3中，计算涂层材质反射偏振的偏振度及偏振角时，表达式为：

其中，I表示总强度图像，Q表示偏振片线栅为0°的光强度图像与偏振片线栅为90°的光强度图像差分图像，U表示偏振片线栅为45°的光强度图像与偏振片线栅为135°的光强度图像差分图像，V表示右旋圆偏振图像与左旋圆偏振图像的差分图像，p表示偏振度，α表示偏振角。

优选地，所述步骤S1中得到涂层材质的偏振双向反射分布函数时，涂层材质表面的镜向分量系数k

本发明还提供了一种涂层材质反射偏振特性分析装置，包括：

分布函数修正单元，用于根据涂层材质表面反射特性，确定双向反射分布函数并进行偏振化过程，得到涂层材质的偏振双向反射分布函数

其中，θ

斯托克斯求解单元，用于根据得到的涂层材质的偏振双向反射分布函数和可见光反射偏振传输模型，求解对应的斯托克斯矢量表达式；

反射偏振计算单元，用于根据斯托克斯矢量表达式，计算涂层材质反射偏振的偏振度及偏振角。

优选地，所述斯托克斯求解单元求解对应的斯托克斯矢量表达式时，可见光反射偏振传输模型的斯托克斯矢量S

其中，Ω

优选地，所述反射偏振计算单元计算涂层材质反射偏振的偏振度及偏振角时，表达式为：

其中，I表示总强度图像，Q表示偏振片线栅为0°的光强度图像与偏振片线栅为90°的光强度图像差分图像，U表示偏振片线栅为45°的光强度图像与偏振片线栅为135°的光强度图像差分图像，V表示右旋圆偏振图像与左旋圆偏振图像的差分图像，p表示偏振度，α表示偏振角。

优选地，所述分布函数修正单元得到涂层材质的偏振双向反射分布函数时，涂层材质表面的镜向分量系数k

本发明还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述涂层材质反射偏振特性分析方法的步骤。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述涂层材质反射偏振特性分析方法的步骤。

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种涂层材质反射偏振特性分析方法及装置、计算机设备、计算机可读存储介质，本发明针对涂层材质表面特点，对基于微面元理论的反射偏振模型进行修正，提出修正后的、针对涂层材质的偏振双向反射分布函数，并基于涂层材质的偏振双向反射分布函数求解相应的斯托克斯矢量，进而得到涂层材质的偏振度、偏振角，以实现涂层材质表面反射偏振特性分析。本发明能够满足涂层材质反射偏振仿真计算，且计算精度高。

附图说明

图1是本发明实施例中一种涂层材质反射偏振特性分析方法步骤示意图；

图2是本发明实施例中一种涂层材质反射偏振特性分析装置结构示意图。

图中：100：分布函数修正单元；200：斯托克斯求解单元；300：反射偏振计算单元。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

若入射到偏振器件前的斯托克斯(Stokes)矢量记为S

S

上式中，M表示偏振器件的穆勒(Muller)矩阵。在偏振成像实验中，通过偏振成像系统获取并计算所得的斯托克斯矢量就是S

目前，对于表面反射较强的目标材质，通常选用基于镜面反射的微面元理论提出的、以高斯分布作为微面元的概率分布函数的BRDF，其表达式如下：

上式中，σ表示目标表面的粗糙程度，值越小表示目标表面光滑；θ

基于微面元理论的BRDF的偏振化过程，是通过将标量的BRDF模型与4×4的菲涅耳反射穆勒矩阵作用获得：

上式中，

基于偏振双向分布反射函数的表达式以及方向半球反射率的定义，可计算得出对太阳及天空背景的反射斯托克斯矢量S

上式中，f

由此可知，可见光反射偏振传输模型的斯托克斯矢量S

S

上式中，S

鉴于涂层材质表面的起伏特点，本发明在依据微面元理论建立的反射偏振特性模型基础上，结合五参量反射模型在涂层材质表面反射特性方面的优势，对基于微面元理论的偏振特性反射模型进行修正，以用于涂层材质表面反射偏振特性的计算。

实施例一

如图1所示，本发明实施例一提供的一种涂层材质反射偏振特性分析方法，具体包括如下步骤：

S1、根据涂层材质表面反射特性，确定双向反射分布函数并进行偏振化过程，得到涂层材质的偏振双向反射分布函数

其中，θ

S2、根据得到的涂层材质的偏振双向反射分布函数和可见光反射偏振传输模型，求解对应的斯托克斯矢量表达式。

优选地，步骤S2中，求解对应的斯托克斯矢量表达式时，可见光反射偏振传输模型的斯托克斯矢量S

其中，Ω

S3、根据斯托克斯矢量表达式，计算涂层材质反射偏振的偏振度及偏振角。

优选地，步骤S3中，计算涂层材质反射偏振的偏振度及偏振角时，表达式为：

其中，I表示总强度图像，Q表示偏振片线栅为0°的光强度图像与偏振片线栅为90°的光强度图像差分图像，U表示偏振片线栅为45°的光强度图像与偏振片线栅为135°的光强度图像差分图像，V表示右旋圆偏振图像与左旋圆偏振图像的差分图像，p表示偏振度，α表示偏振角。

涂层材质的偏振双向反射分布函数

特别地，为获得准确的五参数双向反射分布函数，步骤S1中得到涂层材质的偏振双向反射分布函数时，涂层材质表面的镜向分量系数k

实施例二

如图2所示，本实施例二提供一种涂层材质反射偏振特性分析装置，包括分布函数修正单元100、斯托克斯求解单元200和反射偏振计算单元300，其中：

分布函数修正单元100用于根据涂层材质表面反射特性，确定双向反射分布函数并进行偏振化过程，得到涂层材质的偏振双向反射分布函数

其中，θ

斯托克斯求解单元200用于根据得到的涂层材质的偏振双向反射分布函数和可见光反射偏振传输模型，求解对应的斯托克斯矢量表达式。

反射偏振计算单元300用于根据斯托克斯矢量表达式，计算涂层材质反射偏振的偏振度及偏振角。

优选地，斯托克斯求解单元200求解对应的斯托克斯矢量表达式时，可见光反射偏振传输模型的斯托克斯矢量S

其中，Ω

优选地，反射偏振计算单元300计算涂层材质反射偏振的偏振度及偏振角时，表达式为：

其中，I表示总强度图像，Q表示偏振片线栅为0°的光强度图像与偏振片线栅为90°的光强度图像差分图像，U表示偏振片线栅为45°的光强度图像与偏振片线栅为135°的光强度图像差分图像，V表示右旋圆偏振图像与左旋圆偏振图像的差分图像，p表示偏振度，α表示偏振角。

优选地，分布函数修正单元100得到涂层材质的偏振双向反射分布函数时，涂层材质表面的镜向分量系数k

上述涂层材质反射偏振特性分析装置的各单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。

以上各实施例中，硬件单元可以通过机械方式或电气方式实现。例如，一个硬件单元可以包括永久性专用的电路或逻辑(如专门的处理器，FPGA或ASIC)来完成相应操作。硬件单元还可以包括可编程逻辑或电路(如通用处理器或其它可编程处理器)，可以由软件进行临时的设置以完成相应操作。具体的实现方式(机械方式、或专用的永久性电路、或者临时设置的电路)可以基于成本和时间上的考虑来确定。

特别地，在本发明一些优选的实施方式中，还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一实施方式中所述涂层材质反射偏振特性分析方法的步骤。

在本发明另一些优选的实施方式中，还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述任一实施方式中所述涂层材质反射偏振特性分析方法的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述涂层材质反射偏振特性分析方法实施例的流程，在此不再重复说明。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。