本發(fā)明涉及偏振圖像重建與偏振特性分析，特別是設(shè)計(jì)一種材料全偏振反射矩陣測量系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、面向場景對(duì)象的雙向反射分布函數(shù)（brdf）的真實(shí)建模是基于物理渲染的重要前提。在過去的幾十年，包含各種材料實(shí)測brdf值的數(shù)據(jù)庫推動(dòng)了brdf模型的高速發(fā)展。但是傳統(tǒng)的brdf數(shù)據(jù)集忽略了散射對(duì)光的偏振狀態(tài)的影響，而人眼通常無法察覺到這些影響。因此，現(xiàn)有的brdf數(shù)據(jù)庫只能捕獲散射通量，或者偏振brdf數(shù)據(jù)集在空間上過于稀疏，無法用于偏振圖像渲染。因此，真實(shí)反映目標(biāo)材料的偏振特性是非常可取的。

2、目標(biāo)的偏振反射率是描述材料偏振特性的重要參數(shù)，它不僅依賴于目標(biāo)的材料和表面結(jié)構(gòu)，還受到觀測波長和觀測角度的影響。因此，準(zhǔn)確獲取目標(biāo)在不同波長、不同觀測角度下的偏振反射率對(duì)于材料偏振特性分析和應(yīng)用至關(guān)重要?，F(xiàn)有技術(shù)中，往往測量一次只能得到一個(gè)角度下的偏振反射率，不僅增加了操作的復(fù)雜度，而且也影響了測量的精度和重復(fù)性。此外，多波長測量時(shí)往往需要更換不同的測量設(shè)備或者測量頭，這會(huì)導(dǎo)致測量中斷，從而影響測量效率和數(shù)據(jù)的連續(xù)性。為了解決上述問題，急需一種能夠?qū)崿F(xiàn)多波長、全角度測量的材料偏振反射率測量系統(tǒng)和方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、（一）解決的技術(shù)問題

2、針對(duì)傳統(tǒng)的材料偏振反射率測量系統(tǒng)無法有效地測量大規(guī)模偏振反射率數(shù)據(jù)集的問題，本發(fā)明提供了一種材料全偏振反射矩陣測量系統(tǒng)及方法，通過將采集的目標(biāo)確定為球體，并使用采樣點(diǎn)索引算法索引對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，降低了所需采集圖像的維度，解決了上述背景技術(shù)中所提出的問題。

3、（二）技術(shù)方案

4、本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)上述目的具體采用以下技術(shù)方案：

5、一種材料全偏振反射矩陣測量系統(tǒng)，包括偏振光發(fā)生裝置、偏振圖像采集裝置、標(biāo)準(zhǔn)球體樣本固定柱、旋轉(zhuǎn)裝置、控制及數(shù)據(jù)處理裝置。所述旋轉(zhuǎn)裝置為轉(zhuǎn)臺(tái)及其上固定的導(dǎo)軌。

6、所述偏振光發(fā)生裝置包括光源、偏振片ⅰ和波片旋轉(zhuǎn)輪ⅰ，通過旋轉(zhuǎn)波片旋轉(zhuǎn)輪ⅰ改變慢軸角度。

7、所述偏振圖像采集裝置包括濾光轉(zhuǎn)輪、波片旋轉(zhuǎn)輪ⅱ、偏振片ⅱ、相機(jī)，濾光轉(zhuǎn)輪上安裝個(gè)不同波長的濾光片。

8、所述旋轉(zhuǎn)裝置包括導(dǎo)軌和轉(zhuǎn)臺(tái)，導(dǎo)軌固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上，并且在轉(zhuǎn)臺(tái)中軸的位置放置標(biāo)準(zhǔn)球體樣本固定柱。

9、所述控制及數(shù)據(jù)處理裝置控制偏振光發(fā)生裝置的波片旋轉(zhuǎn)輪ⅰ改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)、控制偏振圖像采集裝置的濾光轉(zhuǎn)輪和波片旋轉(zhuǎn)輪ⅱ改變采集波長及檢偏角度、控制偏振圖像采集裝置的相機(jī)進(jìn)行圖像采集、控制旋轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)臺(tái)改變旋轉(zhuǎn)角度，并將采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到需要的全偏振反射矩陣。

10、進(jìn)一步地，標(biāo)準(zhǔn)球體樣本固定柱放置在轉(zhuǎn)臺(tái)的中軸，位置固定不隨導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)或位移，以便于對(duì)圖像進(jìn)行處理。

11、所述的一種材料全偏振反射矩陣測量系統(tǒng)，應(yīng)用于材料全偏振反射矩陣測量方法，包括以下測量步驟：

12、s1：控制旋轉(zhuǎn)裝置，使得偏振光發(fā)生裝置、標(biāo)準(zhǔn)球體樣本和偏振圖像采集裝置處于一條直線，并進(jìn)行光路校準(zhǔn)。

13、s2：校準(zhǔn)偏振片ⅰ、偏振片ⅱ、旋轉(zhuǎn)波片旋轉(zhuǎn)輪ⅰ和波片旋轉(zhuǎn)輪ⅱ至初始角度。

14、s3：通過控制及數(shù)據(jù)處理裝置控制轉(zhuǎn)臺(tái)、濾光轉(zhuǎn)輪、波片旋轉(zhuǎn)輪ⅰ和波片旋轉(zhuǎn)輪ⅱ進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)臺(tái)每次旋轉(zhuǎn)一個(gè)步長，共需旋轉(zhuǎn)次。轉(zhuǎn)臺(tái)每旋轉(zhuǎn)一次，濾光轉(zhuǎn)輪需要旋轉(zhuǎn)次，對(duì)應(yīng)濾光轉(zhuǎn)輪的個(gè)波長。濾光轉(zhuǎn)輪每旋轉(zhuǎn)一次，波片旋轉(zhuǎn)輪ⅰ和波片旋轉(zhuǎn)輪ⅱ就需要同步旋轉(zhuǎn)次，波片旋轉(zhuǎn)輪ⅰ與波片旋轉(zhuǎn)輪ⅱ每次旋轉(zhuǎn)的角度之比為。波片旋轉(zhuǎn)輪ⅱ每旋轉(zhuǎn)完一次，相機(jī)則拍攝一張圖像，并將圖像數(shù)據(jù)傳輸至控制及數(shù)據(jù)處理裝置，相機(jī)總共需要拍攝張圖像。

15、s4：控制及數(shù)據(jù)處理裝置對(duì)得到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到標(biāo)準(zhǔn)球體樣本的多波長全角度的材料偏振反射率數(shù)據(jù)。

16、進(jìn)一步地，所述s3中使用雙旋轉(zhuǎn)波片法計(jì)算mueller矩陣，因此不需要旋轉(zhuǎn)偏振片ⅰ和偏振片ⅱ。

17、首先，使入射光為自然光，則，得到出射光強(qiáng)值的表達(dá)式：

18、

19、隨后，采用最小二乘法擬合一組偏振圖像數(shù)據(jù)的mueller矩陣，公式如下，

20、

21、其中，為測量的光強(qiáng)值，為計(jì)算得到的光強(qiáng)值。結(jié)合最小二乘法，可以得到一個(gè)大小是的原始六維偏振反射矩陣，為圖像的水平分辨率，為圖像的垂直分辨率。

22、進(jìn)一步地，所述s4中控制及數(shù)據(jù)處理裝置對(duì)得到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使用采樣點(diǎn)索引算法將需要的mueller矩陣數(shù)據(jù)提取出來，得到一個(gè)矩陣形式為的全偏振反射矩陣，為所測入射光與出射光方位角之差的總數(shù)，為所測入射天頂角的總數(shù)，為所測出射天頂角的總數(shù)，為所測波長的數(shù)量，為mueller矩陣大小。入射光與出射光方位角之差、入射天頂角、出射天頂角和波長為該全偏振反射矩陣中的mueller矩陣的索引值。利用采樣點(diǎn)索引算法將、、對(duì)應(yīng)于原始六維偏振反射矩陣的索引值、、，從而實(shí)現(xiàn)輸入一組、、就能在原始六維偏振反射矩陣中找到對(duì)應(yīng)的mueller矩陣。

23、計(jì)算的公式如下：

24、

25、其中，為轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度，為標(biāo)準(zhǔn)球體樣本的球心，為光源，為相機(jī)。

26、

27、其中為采樣點(diǎn)的坐標(biāo)，為相機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)球體樣本上的投影圓的圓心坐標(biāo)，為相機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)球體樣本上的投影圓的半徑，為光源在標(biāo)準(zhǔn)球體樣本上的投影圓的圓心坐標(biāo)，為光源在標(biāo)準(zhǔn)球體樣本上的投影圓的半徑，為標(biāo)準(zhǔn)球體樣本半徑。最后可以得到采樣點(diǎn)在圖像上的像素坐標(biāo)為。

28、（三）有益效果

29、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種材料全偏振反射矩陣測量系統(tǒng)及方法，具備以下有益效果：

30、本發(fā)明，通過使用一種材料全偏振反射矩陣測量系統(tǒng)采集圖像即可求出待測標(biāo)準(zhǔn)球體樣本的全角度的偏振反射率，相比于傳統(tǒng)的材料偏振反射矩陣測量系統(tǒng)采集一組圖像只能得到目標(biāo)在一個(gè)特定角度下的偏振反射矩陣數(shù)據(jù)，本發(fā)明可以通過降低所需采集圖像數(shù)量的維度得到一個(gè)完備的材料偏振反射率數(shù)據(jù)集，從而建立材料的全偏振反射矩陣。

技術(shù)特征：

1.一種材料全偏振反射矩陣測量系統(tǒng)，其特征在于：包括偏振光發(fā)生裝置（1）、偏振圖像采集裝置（2）、標(biāo)準(zhǔn)球體樣本固定柱（3）、旋轉(zhuǎn)裝置（4）、控制及數(shù)據(jù)處理裝置（5）；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種材料全偏振反射矩陣測量系統(tǒng)，其特征在于，所述標(biāo)準(zhǔn)球體樣本固定柱（3）放置在轉(zhuǎn)臺(tái)（42）的中軸，位置固定不隨導(dǎo)軌（41）旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)或位移，以便于對(duì)圖像進(jìn)行處理。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種材料全偏振反射矩陣測量系統(tǒng)，其特征在于，應(yīng)用于材料全偏振反射矩陣測量方法，包括以下測量步驟：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種材料全偏振反射矩陣測量系統(tǒng)，其特征在于，使用雙旋轉(zhuǎn)波片法計(jì)算mueller矩陣，因此不需要旋轉(zhuǎn)偏振片ⅰ（12）和偏振片ⅱ（23）；

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種材料全偏振反射矩陣測量系統(tǒng)，其特征在于，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)球體樣本的幾何特性，運(yùn)用采樣點(diǎn)索引算法將需要的mueller矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行精確映射，得到一個(gè)矩陣形式為的全偏振反射矩陣，為所測入射光與出射光方位角之差的總數(shù)，為所測入射天頂角的總數(shù)，為所測出射天頂角的總數(shù)，為所測波長的數(shù)量，為mueller矩陣大?。蝗肷涔馀c出射光方位角之差、入射天頂角、出射天頂角和波長為該全偏振反射矩陣中的mueller矩陣的索引；利用采樣點(diǎn)索引算法將、、對(duì)應(yīng)于原始六維偏振反射矩陣的索引值、、，從而實(shí)現(xiàn)輸入一組、、就能在原始六維偏振反射矩陣中找到對(duì)應(yīng)的mueller矩陣；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及偏振圖像重建技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種材料全偏振反射矩陣測量系統(tǒng)及方法，用于采集和測量不同材料的標(biāo)準(zhǔn)球體樣本，獲得材料偏振反射率，以建立材料的全偏振反射矩陣，該矩陣可用于材料偏振特性分析和偏振圖像重建。系統(tǒng)包括偏振光發(fā)生裝置、偏振圖像采集裝置、標(biāo)準(zhǔn)球體樣本固定柱、旋轉(zhuǎn)裝置、控制及數(shù)據(jù)處理裝置。本發(fā)明基于雙旋轉(zhuǎn)波片法計(jì)算不同材料的標(biāo)準(zhǔn)球體的Mueller矩陣。通過轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)，可獲得全角度的偏振圖像數(shù)據(jù)；通過濾光轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，可獲得不同波長的偏振圖像數(shù)據(jù)；通過波片旋轉(zhuǎn)輪的角度旋轉(zhuǎn)，得到不同偏振狀態(tài)下的圖像數(shù)據(jù)；通過結(jié)合材料的偏振特性和標(biāo)準(zhǔn)球體樣本的幾何特性對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算獲得材料的全偏振反射矩陣。

技術(shù)研發(fā)人員：胡奇,楊嘉豪,段錦,戰(zhàn)俊彤,郝有菲,丁華藤
受保護(hù)的技術(shù)使用者：長春理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/9