偏振三維成像技術(shù)的原理和研究進(jìn)展

摘要：近年來偏振三維成像技術(shù)因具有精度高、作用距離遠(yuǎn)和受雜散光影響小等特點(diǎn)得以蓬勃發(fā)展，但利用目標(biāo)反射光偏振特性進(jìn)行法向量精確求解的問題一直沒有真正得到解決，成為制約該技術(shù)發(fā)展的瓶頸。此外，由于目標(biāo)表面鏡面反射光與漫反射光間的相互干擾，造成高精度偏振三維成像實(shí)現(xiàn)困難。該綜述介紹了偏振三維成像物理機(jī)理、目標(biāo)表面出射光偏振特性，以及偏振三維成像研究進(jìn)展。最后總結(jié)了目前偏振三維成像面臨的問題和未來的發(fā)展方向。

引言

光電成像技術(shù)是人類記錄和感知環(huán)境信息的重要方式和手段，然而傳統(tǒng)光電成像雖是信息獲取與記錄的過程，但同時(shí)也是信息丟失的過程，由于探測器所限，其不僅丟失了光場中相位、偏振、光譜等信息，而且造成物體空間三維形貌信息也無法得到有效探測，造成成像效果受限。鑒于此，依據(jù)傳統(tǒng)強(qiáng)度探測方式，結(jié)合光場多物理量信息解譯模式，通過構(gòu)建物體表面反射光信息與表面形貌之間的函數(shù)關(guān)系，來實(shí)現(xiàn)物體表面三維信息的求解，就成為目前光電成像技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

目前三維成像技術(shù)根據(jù)成像模式可分為基于光源調(diào)制的主動(dòng)三維成像和基于立體視覺的被動(dòng)三維成像兩類?；诠庠凑{(diào)制的主動(dòng)三維成像包括時(shí)間飛行法（Time of Flight，ToF）、激光雷達(dá)三維成像和結(jié)構(gòu)光三維成像。ToF利用光波時(shí)空特性進(jìn)行三維空間的測量，目前已在商業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但是該技術(shù)易受環(huán)境光干擾，且受限于信號系統(tǒng)的時(shí)間分辨率，故其三維成像精度不高；激光雷達(dá)三維成像利用激光測距原理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)-目標(biāo)微面元距離信息的獲取，之后通過機(jī)械式掃描或光束偏轉(zhuǎn)的方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)表面三維信息的重建，因此這種三維重建方式在對大目標(biāo)的三維成像中實(shí)時(shí)性差，并且由于其機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致系統(tǒng)體積較大、造價(jià)較高，難以實(shí)現(xiàn)普及；結(jié)構(gòu)光三維成像技術(shù)是將一定規(guī)則的編碼條紋圖像投影到目標(biāo)表面，通過對拍攝到的輪廓圖像進(jìn)行解碼，構(gòu)建相機(jī)平面與投影平面中點(diǎn)與點(diǎn)之間的一一對應(yīng)關(guān)系，并結(jié)合相機(jī)標(biāo)定參數(shù)實(shí)現(xiàn)三維表面的獲取，其具有成像精度高的優(yōu)勢，但是該系統(tǒng)需要主動(dòng)光源照明，對照明光模式依賴強(qiáng)，因此抗環(huán)境光干擾能力差，且隨著成像距離的增加，編碼條紋的精度會(huì)隨之下降，嚴(yán)重影響三維成像精度。

目前，基于立體視覺的被動(dòng)式三維成像主要包括雙目三維成像和基于光場相機(jī)的三維成像。雙目三維成像技術(shù)基于人眼視覺原理，利用三角測距技術(shù)構(gòu)建物體的三維表面輪廓信息，由于其重建精度與相機(jī)基線長度成反比，因此在對遠(yuǎn)距離目標(biāo)成像時(shí)難以實(shí)現(xiàn)高精度的三維表面信息獲取。基于光場相機(jī)的三維成像技術(shù)通過在鏡頭和探測器之間嵌入微透鏡陣列，實(shí)現(xiàn)光線的方向測定，進(jìn)而獲取被動(dòng)條件下的三維信息，但與雙目三維成像類似，該技術(shù)受限于微透鏡陣列間的間距，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離三維成像并且成像精度較低。然而，伴隨著安防監(jiān)控、深空探測以及目標(biāo)檢測識別等眾多領(lǐng)域?qū)h(yuǎn)距離、高精度、高維度的目標(biāo)信息需求越來越迫切，通過深度挖掘和解譯光場的多維物理信息，來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、無損、高精度的三維成像就成為該領(lǐng)域目前主要的發(fā)展方向。眾所周知，光波的偏振特性信息與目標(biāo)表面法線間存在函數(shù)表征關(guān)系，能夠直接反映出目標(biāo)形貌特性。因此，研究建立物體表面反射光偏振特性信息與表面形貌之間的函數(shù)關(guān)系，能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)重建精度高、探測設(shè)備簡單以及非接觸的三維重建技術(shù)提供方案。

國內(nèi)外研究學(xué)者從上世紀(jì)70年代開始探索利用偏振信息對目標(biāo)表面進(jìn)行三維形貌恢復(fù)（Shape-from-Polarization），此后衍生出了一系列偏振三維成像方法。這些方法的核心是利用菲涅爾定律建立反射光偏振特性與目標(biāo)表面法線方向的函數(shù)關(guān)系來實(shí)現(xiàn)三維形貌重建，但是忽略了反射光類型不同對重建結(jié)果的影響。然而，由于自然界中目標(biāo)表面材質(zhì)的多樣性，表面出射光波偏振特性呈現(xiàn)顯著差異，如圖1所示。因此，深入分析不同目標(biāo)表面出射光波的偏振特性，進(jìn)而獲取目標(biāo)表面三維輪廓信息就成為偏振三維成像技術(shù)研究的核心。本文將分別從基于鏡面反射光和漫反射光的偏振三維成像基本原理出發(fā)，針對求解重建過程中存在的法線方向不確定性問題，綜述國內(nèi)外具有代表性的典型技術(shù)方法；并對基于散射光偏振特性的三維成像技術(shù)中存在的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行總結(jié)，重點(diǎn)分析研究了鏡面反射-漫反射分量分離困難、目標(biāo)絕對深度信息無法獲取等問題；最后對偏振三維成像技術(shù)未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

1 偏振三維成像的原理

由于目標(biāo)表面微面元的三維輪廓與其法向量之間具有唯一性，因此通過對表面微面元法向量信息的求解，能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)三維輪廓的重建。

偏振三維成像過程示意圖

3 偏振三維成像技術(shù)未來展望

目標(biāo)表面反射光偏振特性作為一種能夠準(zhǔn)確反映表面高頻三維輪廓特征的固有屬性，利用該信息進(jìn)行三維成像具有高精度、遠(yuǎn)距離以及非接觸等優(yōu)勢。隨著偏振三維成像技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展與完善，其在地形測繪、文物保護(hù)以及安防監(jiān)控等領(lǐng)域具有越來越廣泛的應(yīng)用，如圖28所示。目前，限制偏振三維成像技術(shù)大范圍應(yīng)用的主要有以下兩個(gè)方面：

（1）自然界中的大部分物體表面是非理想朗伯體，因此其表面出射光中會(huì)同時(shí)存在鏡面反射光與漫反射光。目前基于鏡面反射光的偏振三維成像技術(shù)主要應(yīng)用于玻璃、金屬等表面光滑的物體三維成像。而在對自然目標(biāo)進(jìn)行偏振三維重建的過程中，目標(biāo)微面元法向量特性主要由漫反射光分量提供，但是基于漫反射光的偏振三維成像技術(shù)中大多假設(shè)目標(biāo)表面是理想的朗伯體，而自然目標(biāo)表面反射光情況并不單一，通常存在鏡面反射分量干擾，并且在某些特殊目標(biāo)表面的局部區(qū)域存在高光，使得該區(qū)域的漫反射光信息趨近于零，造成三維成像結(jié)果中局部區(qū)域畸變。因此，開展基于反射光偏振特性的鏡面反射-漫反射光分離技術(shù)的研究，是推進(jìn)偏振三維成像技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵一步。（2）在目標(biāo)表面三維輪廓的恢復(fù)過程中，需要對目標(biāo)表面微面元法線場點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行多重積分，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)三維重建。這就造成在沒有外界設(shè)備輔助的情況下，僅依靠單相機(jī)獲取得到的目標(biāo)多維物理量信息無法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)輪廓真實(shí)深度信息的測量。所以，在不增加設(shè)備復(fù)雜度的情況下實(shí)現(xiàn)目標(biāo)絕對深度信息的獲取與目標(biāo)鏡面反射-漫反射分量的分離都將是未來偏振三維成像研究領(lǐng)域的重點(diǎn)。

針對上述偏振三維成像中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，我們也開展了相關(guān)技術(shù)研究，提出一種當(dāng)目標(biāo)表面存在局部高反光區(qū)域時(shí)的偏振三維成像方法，通過分析鏡面反射光與漫反射光特性，利用基于雙色反射模型的反射光分量分離方法，實(shí)現(xiàn)鏡面反射與漫反射光的分離。該方法認(rèn)為高光像素值是漫反射分量和鏡面反射分量的線性組合，其中漫反射分量是入射光經(jīng)過物體表面的多次折反射后返回物體表面，其光譜成分由物體材質(zhì)的反射特性決定；鏡面反射分量則是入射光線直接在物體表面的反射，其與表面粗糙度、光源方向有關(guān)，其光譜成分近似于光源的光譜成分。之后，利用漫反射和鏡面反射在最大色度-灰度空間的不同特性，分別實(shí)現(xiàn)對鏡面反射分量和漫反射分量的估計(jì)。進(jìn)一步，對于局部高光區(qū)域中漫反射光分量趨近于零，無法利用漫反射信息進(jìn)行三維成像的情況，我們采用基于三維輪廓梯度變化的缺失區(qū)域估計(jì)技術(shù)，對該區(qū)域信息進(jìn)行估計(jì)填補(bǔ)，目前對該技術(shù)進(jìn)行了初步驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了對表面缺失部分的重建。此外，對于偏振三維成像過程中絕對深度信息的獲取，我們提出一種基于單相機(jī)標(biāo)定的偏振三維成像方法，通過對成像系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，構(gòu)建世界坐標(biāo)系與像平面坐標(biāo)系間的關(guān)系，獲取目標(biāo)表面特征點(diǎn)在空間方向上的絕對距離信息，為整體三維成像結(jié)果的相對-絕對深度信息的轉(zhuǎn)換提供先驗(yàn)信息，最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)輪廓絕對深度信息的獲取。

此外，隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的研究人員開始研究將深度學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用于物體的三維重建。由于人臉等目標(biāo)具有特征空間明確，且訓(xùn)練數(shù)據(jù)容易獲取等特點(diǎn)，目前已實(shí)現(xiàn)在不同場景下基于深度學(xué)習(xí)的人臉三維重建，并取得較好的重建結(jié)果。因此，除解決上述難點(diǎn)以外，偏振三維成像未來較有意義的研究方向?yàn)椋海?）如何利用深度學(xué)習(xí)估計(jì)得到的人臉輪廓信息，構(gòu)建人臉微面元法向量校正模型，實(shí)現(xiàn)預(yù)測信息與真實(shí)測量信息的有效結(jié)合，解決基于偏振特性求解得到的法向量參數(shù)多值性問題，得到成像精度更高、重建更精確的三維人臉目標(biāo)；（2）目前大部分基于目標(biāo)出射光偏振特性的三維成像方法只能實(shí)現(xiàn)場景中單個(gè)目標(biāo)的三維成像，如何在不借助輔助探測方法的條件下，通過單探測器實(shí)現(xiàn)場景中多個(gè)不連續(xù)物體的三維重建；（3）隨著微納加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，如何提升可見光、紅外等波段偏振信息探測的精度，并實(shí)現(xiàn)高分辨率的偏振子圖像獲取，將會(huì)對偏振探測的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

4 總結(jié)

文中首先介紹了基于目標(biāo)表面反射光偏振信息的三維成像方法，在此基礎(chǔ)上對Wolff提出的物體表面反射模型進(jìn)行詳細(xì)的介紹。此外，對基于鏡面反射光和漫反射光在偏振三維成像過程中存在的入射角與方位角多值性問題進(jìn)行了分析，并分別對解決入射角與方位角多值性問題的方法進(jìn)行了綜述。目前，在基于鏡面反射光的入射角多值性問題消除過程中，基于旋轉(zhuǎn)目標(biāo)、多相機(jī)、多波段的入射角歧義值消除技術(shù)，均無法通過一次偏振探測實(shí)現(xiàn)入射角唯一性的測量；基于漫反射分量的入射角歧義值消除技術(shù)，存在漫反射分量少、需要對鏡面分量-漫反射分量進(jìn)行分離，實(shí)現(xiàn)過程復(fù)雜；在消除方位角多值性問題的方法中，同樣存在多次探測、求解方式復(fù)雜等問題。在基于漫反射光的偏振三維成像技術(shù)中，目前基本都需要與另一種三維感知技術(shù)相結(jié)合，獲取方位角的先驗(yàn)信息。而這些獲取先驗(yàn)信息的方法，也正是限制基于漫反射偏振三維成像技術(shù)被廣泛應(yīng)用的主要因素。因此，無論對于基于鏡面反射還是漫反射的偏振三維成像技術(shù)，進(jìn)一步研究消除入射角和方位角歧義值的方法都十分必要。此外，對于同時(shí)包含有鏡面反射與漫反射信息的物體表面出射光，如何利用偏振特性實(shí)現(xiàn)兩種不同特性信息光的分離，并實(shí)現(xiàn)目標(biāo)絕對深度信息的獲取，是偏振三維成像技術(shù)未來研究的重要方向，也是其走向?qū)嶋H應(yīng)用過程中亟待解決的難點(diǎn)。

審核編輯：湯梓紅