基于Stokes矢量的偏振光成像方法和装置

技术领域

本发明涉及偏振测量技术领域，特别涉及一种基于Stokes矢量的偏振光成像方法和装置。

背景技术

偏振光对结构变化十分敏感，其包含丰富的结构和光学信息，因此偏振光成像被广泛应用于生物医学、材料检测、大气和海洋探测等领域。

相关技术中，通常采用Stokes矢量法来描述任意光波的强度和偏振状态，Stokes矢量为4×1的矩阵，其中第一项代表总光强，第二项代表水平和垂直偏振方向的光强差，第三项代表45°和135°偏振方向的光强差，第四项代表右旋和左旋偏振光的光强差。虽然每一项均可用于描述一种光强量，但每一项的含义均较为单一且每一项构成的Stokes像细节表现能力不足，因此利用Stokes矢量法直接成像的可视化程度较低。

基于此，目前亟待需要一种基于Stokes矢量的偏振光成像方法和装置来提高偏振光成像的可视化程度。

发明内容

基于上述问题，本发明提供了一种基于Stokes矢量的偏振光成像方法和装置，能够提高偏振光成像的可视化程度。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于Stokes矢量的偏振光成像方法，包括：

确定被测量偏振光的第一Stokes矢量，所述第一Stokes矢量由尺寸相同的第一矩阵、第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵组成；其中，所述第一矩阵用于表征被测量偏振光的总强度，所述第二矩阵、所述第三矩阵和所述第四矩阵分别用于表征被测量偏振光的偏振状态；

对所述第一Stokes矢量进行预处理，得到预处理后的第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵；

创建一幅RGB图像，所述RGB图像中每个通道的尺寸均等于预处理后的任一矩阵的尺寸；

用预处理后的第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵中的元素分别替换所述RGB图像中三个通道相应位置的元素，得到被测偏振光的彩色图像。

在一种可能的设计中，对所述第一Stokes矢量进行预处理，得到预处理后的第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵，包括：

基于预处理前的第一矩阵对所述第一Stokes矢量进行归一化处理，得到归一化后的第二Stokes矢量；

对所述第二Stokes矢量中的每一个元素均取绝对值，得到第三Stokes矢量；

将所述第三Stokes矢量中的每个元素均映射到0～255的整数空间，得到预处理后的第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵。

在一种可能的设计中，所述第一Stokes矢量的表达式为：

式中，S0、S1、S2和S3分别为预处理前的第一矩阵、第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵；

所述基于预处理前的第一矩阵对所述第一Stokes矢量进行归一化处理，得到归一化后的第二Stokes矢量，包括：

将所述第一Stokes矢量中的每个矩阵均除以S0，得到所述第二Stokes矢量，所述第二Stokes矢量的表达式为：

在一种可能的设计中，所述第三Stokes矢量的表达式为：

所述将所述第三Stokes矢量中的每个元素均映射到0～255的整数空间，得到预处理后的第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵，包括：

针对所述S1

令当前a

式中，P

利用更新后的c

第二方面，本发明实施例还提供了一种基于Stokes矢量的偏振光成像装置，包括：

确定模块，用于确定被测量偏振光的第一Stokes矢量，所述第一Stokes矢量由尺寸相同的第一矩阵、第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵组成；其中，所述第一矩阵用于表征被测量偏振光的总强度，所述第二矩阵、所述第三矩阵和所述第四矩阵分别用于表征被测量偏振光的偏振状态；

预处理模块，用于对所述第一Stokes矢量进行预处理，得到预处理后的第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵；

创建模块，用于创建一幅RGB图像，所述RGB图像中每个通道的尺寸均等于预处理后的任一矩阵的尺寸；

替换模块，用于用预处理后的第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵中的元素分别替换所述RGB图像中三个通道相应位置的元素，得到被测偏振光的彩色图像。

在一种可能的设计中，所述预处理模块，用于执行如下操作：

基于预处理前的第一矩阵对所述第一Stokes矢量进行归一化处理，得到归一化后的第二Stokes矢量；

对所述第二Stokes矢量中的每一个元素均取绝对值，得到第三Stokes矢量；

将所述第三Stokes矢量中的每个元素均映射到0～255的整数空间，得到预处理后的第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵。

在一种可能的设计中，所述第一Stokes矢量的表达式为：

式中，S0、S1、S2和S3分别为预处理前的第一矩阵、第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵；

所述基于预处理前的第一矩阵对所述第一Stokes矢量进行归一化处理，得到归一化后的第二Stokes矢量，包括：

将所述第一Stokes矢量中的每个矩阵均除以S0，得到所述第二Stokes矢量，所述第二Stokes矢量的表达式为：

在一种可能的设计中，所述第三Stokes矢量的表达式为：

所述将所述第三Stokes矢量中的每个元素均映射到0～255的整数空间，得到预处理后的第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵，包括：

针对所述S1

令当前a

/>

式中，P

利用更新后的c

第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现本说明书任一实施例所述的方法。

第四方面，本发明实施例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，当所述计算机程序在计算机中执行时，令计算机执行本说明书任一实施例所述的方法。

本发明实施例中，首先确定被测量偏振光的第一Stokes矢量，但由于第一Stokes矢量中任一项的含义均较为单一且每一项构成的Stokes像细节表现能力不足，因此，本发明对第一Stokes矢量进行了预处理，得到预处理后的第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵；然后构建一幅RGB图像，最后用预处理后的第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵中的元素分别替换所述RGB图像中三个通道相应位置的元素，得到一幅彩色图像。该图像中的每个像素点均包含有偏振光的全部偏振信息，因此能够描述更丰富的细节，提高了偏振光成像的可视化程度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例提供的一种基于Stokes矢量的偏振光成像方法流程图；

图2是本发明一实施例提供的归一化后的第二Stokes矢量中的第一矩阵的示意图；

图3是本发明一实施例提供的归一化后的第二Stokes矢量中的第二矩阵的示意图；

图4是本发明一实施例提供的归一化后的第二Stokes矢量中的第三矩阵的示意图；

图5是本发明一实施例提供的归一化后的第二Stokes矢量中的第四矩阵的示意图；

图6是本发明一实施例提供的将第三Stokes矢量中的每个元素均映射到0～255的整数空间后的第二矩阵的示意图；

图7是本发明一实施例提供的将第三Stokes矢量中的每个元素均映射到0～255的整数空间后的第三矩阵的示意图；

图8是本发明一实施例提供的将第三Stokes矢量中的每个元素均映射到0～255的整数空间后的第四矩阵的示意图；

图9是本发明一实施例提供的最终合成的彩色图像示意图；

图10是本发明一实施例提供的一种电子设备的硬件架构图；

图11是本发明一实施例提供的一种基于Stokes矢量的偏振光成像装置结构图。

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。

请参考图1，本发明实施例提供了一种基于Stokes矢量的偏振光成像方法，该方法包括：

步骤100，确定被测量偏振光的第一Stokes矢量，第一Stokes矢量由尺寸相同的第一矩阵、第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵组成；其中，第一矩阵用于表征被测量偏振光的总强度，第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵分别用于表征被测量偏振光的偏振状态；

步骤102，对第一Stokes矢量进行预处理，得到预处理后的第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵；

步骤104，创建一幅RGB图像，RGB图像中每个通道的尺寸均等于预处理后的任一矩阵的尺寸；

步骤106，用预处理后的第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵中的元素分别替换RGB图像中三个通道相应位置的元素，得到被测偏振光的彩色图像。

本发明实施例中，首先确定被测量偏振光的第一Stokes矢量，但由于第一Stokes矢量中任一项的含义均较为单一且每一项构成的Stokes像细节表现能力不足，因此，本发明对第一Stokes矢量进行了预处理，得到预处理后的第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵；然后构建一幅RGB图像，最后用预处理后的第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵中的元素分别替换RGB图像中三个通道相应位置的元素，得到一幅彩色图像。该图像中的每个像素点均包含有偏振光的全部偏振信息，因此能够描述更丰富的细节，提高了偏振光成像的可视化程度。

下面具体描述图1中各步骤的实现过程。

针对步骤100，确定被测量偏振光的第一Stokes矢量为现有技术，本发明不再赘述。

针对步骤102，对第一Stokes矢量进行预处理，得到预处理后的第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵，包括：

步骤A，基于预处理前的第一矩阵对第一Stokes矢量进行归一化处理，得到归一化后的第二Stokes矢量；

步骤B，对第二Stokes矢量中的每一个元素均取绝对值，得到第三Stokes矢量；

步骤C，将第三Stokes矢量中的每个元素均映射到0～255的整数空间，得到预处理后的第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵。

在一些实施方式中，第一Stokes矢量的表达式为：

式中，S0、S1、S2和S3分别为预处理前的第一矩阵、第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵；

针对步骤A，基于预处理前的第一矩阵对第一Stokes矢量进行归一化处理，得到归一化后的第二Stokes矢量，包括：

将第一Stokes矢量中的每个矩阵均除以S0，得到第二Stokes矢量，第二Stokes矢量的表达式为：

如图2～图5，分别为归一化后的第一矩阵、第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵的示意图，从中可以看出，每个矩阵只包含单一的图像特征。

针对步骤B，在一些实施方式中，第三Stokes矢量的表达式为：

在该实施例中，S1

针对步骤C，具体映射方式如下：

针对S1

令当前a

并根据下式将b

式中，P

利用更新后的c

针对步骤104和106，将构建的RGB图像中的R通道的像素矩阵替换为第二矩阵S1

当然，也可以将R通道的像素矩阵替换为第三矩阵S2

如图10、图11所示，本发明实施例提供了一种基于Stokes矢量的偏振光成像装置。装置实施例可以通过软件实现，也可以通过硬件或者软硬件结合的方式实现。从硬件层面而言，如图10所示，为本发明实施例提供的一种基于Stokes矢量的偏振光成像装置所在电子设备的一种硬件架构图，除了图10所示的处理器、内存、网络接口、以及非易失性存储器之外，实施例中装置所在的电子设备通常还可以包括其他硬件，如负责处理报文的转发芯片等等。以软件实现为例，如图11所示，作为一个逻辑意义上的装置，是通过其所在电子设备的CPU将非易失性存储器中对应的计算机程序读取到内存中运行形成的。本实施例提供的一种基于Stokes矢量的偏振光成像装置，包括：

确定模块1100，用于确定被测量偏振光的第一Stokes矢量，第一Stokes矢量由尺寸相同的第一矩阵、第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵组成；其中，第一矩阵用于表征被测量偏振光的总强度，第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵分别用于表征被测量偏振光的偏振状态；

预处理模块1102，用于对第一Stokes矢量进行预处理，得到预处理后的第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵；

创建模块1104，用于创建一幅RGB图像，RGB图像中每个通道的尺寸均等于预处理后的任一矩阵的尺寸；

替换模块1106，用于用预处理后的第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵中的元素分别替换RGB图像中三个通道相应位置的元素，得到被测偏振光的彩色图像。

在本发明实施例中，确定模块1100可用于执行上述方法实施例中的步骤100，预处理模块1102可用于执行上述方法实施例中的步骤102，创建模块1104可用于执行上述方法实施例中的步骤104，替换模块1106可用于执行上述方法实施例中的步骤106。

在一些实施方式中，预处理模块1102用于执行如下操作：

基于预处理前的第一矩阵对第一Stokes矢量进行归一化处理，得到归一化后的第二Stokes矢量；

对第二Stokes矢量中的每一个元素均取绝对值，得到第三Stokes矢量；

将第三Stokes矢量中的每个元素均映射到0～255的整数空间，得到预处理后的第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵。

在一些实施方式中，第一Stokes矢量的表达式为：

式中，S0、S1、S2和S3分别为预处理前的第一矩阵、第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵；

基于预处理前的第一矩阵对第一Stokes矢量进行归一化处理，得到归一化后的第二Stokes矢量，包括：

将第一Stokes矢量中的每个矩阵均除以S0，得到第二Stokes矢量，第二Stokes矢量的表达式为：

在一些实施方式中，第三Stokes矢量的表达式为：

将第三Stokes矢量中的每个元素均映射到0～255的整数空间，得到预处理后的第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵，包括：

针对S1

令当前a

式中，P

利用更新后的c

可以理解的是，本发明实施例示意的结构并不构成对一种基于Stokes矢量的偏振光成像装置的具体限定。在本发明的另一些实施例中，一种基于Stokes矢量的偏振光成像装置可以包括比图示更多或者更少的部件，或者组合某些部件，或者拆分某些部件，或者不同的部件布置。图示的部件可以以硬件、软件或者软件和硬件的组合来实现。

上述装置内的各模块之间的信息交互、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。

本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现本发明任一实施例中的一种基于Stokes矢量的偏振光成像方法。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时，使所述处理器执行本发明任一实施例中的一种基于Stokes矢量的偏振光成像方法。

具体地，可以提供配有存储介质的系统或者装置，在该存储介质上存储着实现上述实施例中任一实施例的功能的软件程序代码，且使该系统或者装置的计算机(或CPU或MPU)读出并执行存储在存储介质中的程序代码。

在这种情况下，从存储介质读取的程序代码本身可实现上述实施例中任何一项实施例的功能，因此程序代码和存储程序代码的存储介质构成了本发明的一部分。

用于提供程序代码的存储介质实施例包括软盘、硬盘、磁光盘、光盘(如CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、DVD-RAM、DVD-RW、DVD+RW)、磁带、非易失性存储卡和ROM。可选择地，可以由通信网络从服务器计算机上下载程序代码。

此外，应该清楚的是，不仅可以通过执行计算机所读出的程序代码，而且可以通过基于程序代码的指令使计算机上操作的操作系统等来完成部分或者全部的实际操作，从而实现上述实施例中任意一项实施例的功能。

此外，可以理解的是，将由存储介质读出的程序代码写到插入计算机内的扩展板中所设置的存储器中或者写到与计算机相连接的扩展模块中设置的存储器中，随后基于程序代码的指令使安装在扩展板或者扩展模块上的CPU等来执行部分和全部实际操作，从而实现上述实施例中任一实施例的功能。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储在计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质中。

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。