基于瞬態(tài)成像技術(shù)的穿透散射介質(zhì)成像

1瞬態(tài)成像技術(shù)在自然界中，有許多分散的介質(zhì)（如煙霧、霧、污染、渾濁的海洋等）。當(dāng)光穿過(guò)這些分散的介質(zhì)時(shí)，由于散射體（介質(zhì)中的微帶）的影響，光線的傳播方向會(huì)發(fā)生變化，即光會(huì)變散。這就帶來(lái)了利用傳統(tǒng)光強(qiáng)成像設(shè)備獲得的圖像的質(zhì)量惡化。例如，場(chǎng)景深度、物體材料、物體表面紋理等。因此，在科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)、居民生活、社會(huì)安全等領(lǐng)域，以及海調(diào)勘探、導(dǎo)航、遙感、測(cè)量、火災(zāi)救援等實(shí)際場(chǎng)景中，分散介質(zhì)成像可以獲得有廣泛應(yīng)用前景和意義的信息。場(chǎng)景深度可使人們?cè)u(píng)估目標(biāo)物質(zhì)的形狀、大小和距離，這對(duì)勘探和救援提供有效的指導(dǎo)。目標(biāo)表面紋理的重建可以使人們區(qū)分目標(biāo)物質(zhì)的類(lèi)型，這對(duì)指導(dǎo)下一步的行動(dòng)非常重要。因此，應(yīng)特別注意場(chǎng)景深度和目標(biāo)表面紋理的重建。為實(shí)現(xiàn)穿透散射介質(zhì)成像,計(jì)算機(jī)視覺(jué)的研究者提出了很多算法和相應(yīng)的設(shè)備,大致可以劃分為兩大類(lèi):被動(dòng)式方法為解決光照不足的問(wèn)題,研究者提出了使用人造光源的方法,我們稱(chēng)之為主動(dòng)式方法.通常的主動(dòng)式方法包括采用結(jié)構(gòu)光瞬態(tài)成像技術(shù)(TransientImagingTechnique)是計(jì)算攝像學(xué)領(lǐng)域近年來(lái)的一個(gè)重大進(jìn)展,為解決上述主動(dòng)式方法存在的問(wèn)題提供了新的思路.使用瞬態(tài)成像技術(shù)求解空氣中的場(chǎng)景深度大致的工作流程如下:使用專(zhuān)門(mén)的采集系統(tǒng)以及相應(yīng)的算法,重構(gòu)出足以描述光在場(chǎng)景中的傳播過(guò)程的超高時(shí)間分辨率的視頻,我們稱(chēng)之為瞬態(tài)視頻.通過(guò)對(duì)瞬態(tài)視頻的分析,可以得到光線的飛行時(shí)間.通過(guò)光線的飛行時(shí)間即可求解得到空氣中目標(biāo)物的深度.本文將飛行時(shí)間定義為光線從光源出發(fā),被物體表面反射,直到被接收所經(jīng)歷的總時(shí)間.瞬態(tài)成像技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):不需要對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行掃描;所用設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單和廉價(jià)在散射介質(zhì)中,由于散射現(xiàn)象的存在,現(xiàn)有的瞬態(tài)成像技術(shù)無(wú)法直接獲得目標(biāo)物反射光的飛行時(shí)間,即無(wú)法用現(xiàn)有方法求解場(chǎng)景的深度.盡管如此,正如前文所述,瞬態(tài)成像技術(shù)為我們解決如何穿透散射介質(zhì)成像提供了新的思路.通過(guò)擴(kuò)展傳統(tǒng)的被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)視覺(jué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的單次散射模型,本文基于瞬態(tài)成像技術(shù),提出瞬態(tài)單次散射模型和偏移拍攝法,求解散射場(chǎng)景中目標(biāo)物反射光的飛行時(shí)間以及物體表面反射光的強(qiáng)度,從而得到目標(biāo)物的深度和紋理.本文第2節(jié)將介紹穿透散射介質(zhì)成像以及瞬態(tài)成像技術(shù)的相關(guān)工作;第3節(jié)提出和解釋與本文工作相關(guān)的數(shù)學(xué)模型;第4節(jié)提出重構(gòu)散射場(chǎng)景中的目標(biāo)物深度的偏移拍攝法以及求解目標(biāo)物紋理的算法;第5節(jié)分析本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及該實(shí)驗(yàn)結(jié)果和傳統(tǒng)的穿透散射介質(zhì)成像方法的對(duì)比;第6節(jié)則從模型、算法和設(shè)備等層面對(duì)本文加以總結(jié),并且指出下一步的研究方向.本文的主要貢獻(xiàn)如下:(1)將計(jì)算機(jī)視覺(jué)及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中常用的單次散射模型從傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)場(chǎng)景推廣到瞬態(tài)場(chǎng)景;(2)基于散射介質(zhì)中的瞬態(tài)成像模型,提出偏移拍攝法,以重建目標(biāo)物的深度和紋理.2相關(guān)工作2.1主動(dòng)散射散射法目前的穿透散射介質(zhì)成像方法可大致分為兩類(lèi):被動(dòng)式方法和主動(dòng)式方法.被動(dòng)式方法對(duì)自然光的散射過(guò)程構(gòu)建物理模型,用算法高效地修復(fù)散射介質(zhì)引起的圖像質(zhì)量退化.Oakley和Satherley為避免被動(dòng)式方法依賴(lài)于自然光,不能用于弱光或無(wú)光的環(huán)境,自然光本身隨時(shí)間推移可能發(fā)生改變等缺點(diǎn),研究者提出采用結(jié)構(gòu)光、時(shí)間門(mén)和主動(dòng)偏振光等主動(dòng)式方法.在結(jié)構(gòu)光技術(shù)方面,Narasimhan和Nayar等人時(shí)間門(mén)(Time-gating)技術(shù)是另一種被廣泛應(yīng)用的主動(dòng)式方法.Busck無(wú)論是結(jié)構(gòu)光方法,還是時(shí)間門(mén)技術(shù),都需要拍攝多張圖片.為減少拍攝次數(shù),Treibitz和Schechner等人基于目標(biāo)物與散射介質(zhì)偏振度(DOP)不相等的假設(shè),分離場(chǎng)景的反射分量和散射分量本文提出的方法,屬于主動(dòng)式方法.雖然也需要多次拍攝,但拍攝次數(shù)與場(chǎng)景的內(nèi)容和深度無(wú)關(guān),不同于結(jié)構(gòu)光方法和時(shí)間門(mén)技術(shù).與主動(dòng)偏振光方法相比,不需要獲取無(wú)窮遠(yuǎn)處的散射強(qiáng)度.2.2瞬態(tài)成像技術(shù)的應(yīng)用從信號(hào)處理的角度看,場(chǎng)景是一個(gè)系統(tǒng),光源發(fā)出的光線是輸入信號(hào),進(jìn)入傳感器的光線是輸出信號(hào).我們稱(chēng)這樣的系統(tǒng)為場(chǎng)景光系統(tǒng),這是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng),其響應(yīng)可以分為穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)兩個(gè)階段.由于光速非常快,場(chǎng)景的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間非常短,例如3米范圍的場(chǎng)景只需要大約10納秒(10×10下面介紹兩種主流的瞬態(tài)成像技術(shù):基于飛秒激光器(FemtosecondLaser)和條紋相機(jī)(StreakCamera)的時(shí)域采集技術(shù)MIT的Velten等人采用飛秒激光器和條紋相機(jī)設(shè)計(jì)了時(shí)間分辨率達(dá)1.85皮秒(1.85×10為了降低成本和系統(tǒng)復(fù)雜性,提高采集速度,擺脫暗室環(huán)境的限制,消除瞬態(tài)成像技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到實(shí)際應(yīng)用之間的障礙,Heide和Hullin等人本文基于PMD采集系統(tǒng)及Lin等人提出的算法,將瞬態(tài)成像技術(shù)應(yīng)用到散射場(chǎng)景,實(shí)現(xiàn)穿透散射介質(zhì)的成像,以獲取目標(biāo)物的深度及紋理.3模型本節(jié)主要介紹本文所使用的數(shù)學(xué)模型.我們先在3.1節(jié)介紹在計(jì)算機(jī)視覺(jué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中常用的單次散射模型3.1穩(wěn)態(tài)單次散射模型光線的散射是指光線在傳播過(guò)程中受到微小顆粒的影響偏離原方向而分散傳播的現(xiàn)象為描述散射介質(zhì)中的單次散射現(xiàn)象,Nishita等人其中,I是點(diǎn)光源的光強(qiáng),由球體表面積公式可知,I/y假定目標(biāo)物的表面是朗伯特表面(LambertianSurface),即反射光強(qiáng)度僅與入射光強(qiáng)度、物體表面反射率兩者有關(guān),而與入射方向和出射方向無(wú)關(guān).則目標(biāo)物表面反射光的強(qiáng)度是其中,ρ是目標(biāo)物表面的點(diǎn)S的反射率,于是,觀測(cè)點(diǎn)在該方向接收到的光強(qiáng)為值得注意的是,傳統(tǒng)相機(jī)接收的光線是在(相對(duì)光速而言)較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的積分,我們把這種成像機(jī)制稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)成像.穩(wěn)態(tài)條件下的單次散射模型因此通常表示為沿著觀察方向到達(dá)相機(jī)的一系列光線的積分.觀察到的是沿該方向所有的散射光和目標(biāo)物表面反射光的總和.也就是說(shuō),對(duì)于穩(wěn)態(tài)成像,光速被視為無(wú)窮大.在下文中,我們將光線在散射場(chǎng)景中的傳播過(guò)程理解為時(shí)間的函數(shù),提出適用于瞬態(tài)成像技術(shù)的單次散射模型,我們稱(chēng)之為瞬態(tài)單次散射模型.3.2點(diǎn)光源的描述本小節(jié)將上述的穩(wěn)態(tài)單次散射模型推廣為瞬態(tài)單次散射模型,用來(lái)對(duì)散射環(huán)境下的瞬態(tài)像素建模.一個(gè)瞬態(tài)像素定義為一個(gè)光強(qiáng)序列,指的是PMD傳感器面陣上同一像素在不同時(shí)刻接收到的光信號(hào)強(qiáng)度所組成的序列將單次散射模型從穩(wěn)態(tài)推廣到瞬態(tài),就是將式(4)左邊的光強(qiáng)E推廣為散射環(huán)境下的瞬態(tài)像素S(t);將式(4)右邊第1項(xiàng)推廣為S(t)的散射分量,它們是一系列光強(qiáng)值,可以表示為時(shí)間的函數(shù)S不失一般性,我們假定光線在進(jìn)入散射介質(zhì)前須在空氣中傳播一段距離,在本研究工作中,我們使用點(diǎn)光源.假設(shè)出射光的方向與PMD傳感器面陣上的像素的觀察方向是一致的,如圖4所示.由于在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中,光源和PMD傳感器的空間位置很接近,所以這個(gè)假設(shè)是成立的,這也是很多常見(jiàn)的主動(dòng)光成像系統(tǒng)所采用的假設(shè)之一基于上述假設(shè),而光線傳播距離與x(t)相差一個(gè)偏移量ctS(t)的示意圖如圖5所示.當(dāng)光線在散射介質(zhì)中傳播時(shí),僅發(fā)生單次散射,光強(qiáng)隨x(t)呈指數(shù)衰減,與光線傳播距離ct散射分量的表達(dá)式為反射分量的表達(dá)式為其中,式(5)中的值得注意的是,由于我們假設(shè)在介質(zhì)中只發(fā)生單次散射,而且出射光的方向與相機(jī)上像素的觀察方向是一致的,所以被相機(jī)接收到的散射光是到達(dá)目標(biāo)物之前被后向散射的光線,其飛行時(shí)間t介于t其中,式(8)中的n表示散射介質(zhì)的折射率,c為光速,t∈[t3.3瞬態(tài)像素問(wèn)題的提出現(xiàn)有的瞬態(tài)成像技術(shù)的本質(zhì)是重構(gòu)瞬態(tài)像素然后組合成瞬態(tài)視頻,用于描述光線的傳播過(guò)程,以及光線與環(huán)境相互作用的過(guò)程.為重構(gòu)瞬態(tài)像素,基于PMD的瞬態(tài)成像采集系統(tǒng)將PMD應(yīng)用于多頻工作狀態(tài).Heide和Hullin等人把重構(gòu)瞬態(tài)像素問(wèn)題理解為一個(gè)求解欠定線性方程組的問(wèn)題.而Lin等人4偏移拍攝法求解深度如3.2節(jié)所述,用現(xiàn)有的瞬態(tài)成像算法重構(gòu)只能得到y(tǒng)(t).本文先用Lin等人的算法得到y(tǒng)(t),再根據(jù)y(t)求解目標(biāo)物的深度x(t本節(jié)提出偏移拍攝法來(lái),通過(guò)輕微挪動(dòng)目標(biāo)物,兩次重構(gòu)y(t),利用重構(gòu)的差異得到x(t4.1單位沖激函數(shù)的性質(zhì)如3.3節(jié)所述,卷積核函數(shù)k(t)是由現(xiàn)有的瞬態(tài)成像采集系統(tǒng)及瞬態(tài)視頻重構(gòu)算法引入的.由式(9)知,若場(chǎng)景對(duì)光脈沖的響應(yīng)為單位沖激函數(shù),用Lin等人的算法重構(gòu)的y(t)則等于k(t).為此,我們需要構(gòu)造響應(yīng)為沖激函數(shù)的場(chǎng)景.正如Heide等人在文獻(xiàn)[17]中指出,空氣中的物體表面對(duì)光脈沖的響應(yīng)為沖激函數(shù).本文在空氣中拍攝漫反射物體,并重構(gòu)y(t),則這些y(t)為k(t)與一系列幅值不等的沖擊函數(shù)的乘積.為消除隨機(jī)誤差,多個(gè)像素對(duì)應(yīng)的y(t)歸一化后求平均,即可得到k(t).4.2偏移拍攝法求解深度用Lin等人提出的方法重建的y(t)與目標(biāo)物的位置有關(guān),亦即與目標(biāo)物表面的反射光的飛行時(shí)間t設(shè)t采集設(shè)備和重構(gòu)算法決定了y(t,t對(duì)于不同的t定義當(dāng)t再把上式最右邊中括號(hào)內(nèi)的式子看作關(guān)于t的函數(shù),定義G(t)是一個(gè)單峰的函數(shù),其峰值點(diǎn)導(dǎo)數(shù)為0,設(shè)G(t根據(jù)式(14),通過(guò)式(16)求解得到的β根據(jù)泰勒公式,偏移的距離x(t因?yàn)槭?12)中的Iρ是由光源和目標(biāo)物決定,是與深度、散射介質(zhì)無(wú)關(guān)的常數(shù),再結(jié)合式(12)與式(17),可知t拍攝完成后,重構(gòu)y(t,t由于場(chǎng)景范圍有限,在該范圍內(nèi)遍歷t4.3目標(biāo)物的成像區(qū)域與像素的映射偏移拍攝法隱含一個(gè)假設(shè):移動(dòng)目標(biāo)物前后,要保證相減的y(t)來(lái)自同一相機(jī)像素,使得相機(jī)拍攝的場(chǎng)景保持不變.目標(biāo)物移動(dòng)前后,其邊緣的偏差最大,只要保證邊緣的偏差不超過(guò)一個(gè)像素,即可認(rèn)為場(chǎng)景是不變的.為簡(jiǎn)化描述,我們將成像區(qū)域用一維的線表示,該描述與二維的情形是等價(jià)的.如圖7所示,假設(shè)目標(biāo)物占據(jù)相機(jī)的整個(gè)視野,其中水平的虛線與粗實(shí)線分別表示物體移動(dòng)前后相機(jī)的成像區(qū)域,兩個(gè)方框內(nèi)的空間區(qū)域各映射到一個(gè)像素.目標(biāo)物移動(dòng)前后,同一區(qū)域?qū)?yīng)同一像素.L表示目標(biāo)物移動(dòng)前離相機(jī)的距離,ΔL表示偏移距離.由相似三角形的知識(shí)知,粗實(shí)線和粗虛線長(zhǎng)度之差與粗實(shí)線長(zhǎng)度的比值為只要這一比值小于兩個(gè)像素與一行(列)像素寬度(長(zhǎng)度)的比值即可.設(shè)傳感器平面的像素?cái)?shù)目為MN,則須滿足解得另一方面,若偏移的距離過(guò)小,相機(jī)同一像素對(duì)應(yīng)的兩個(gè)y(t)峰值出現(xiàn)的時(shí)間過(guò)于接近,相減后得到的曲線的峰值過(guò)小,此時(shí)受系統(tǒng)噪聲和隨機(jī)噪聲的影響,很難找到正確的峰值點(diǎn).4.4散射分量的定義從4.2節(jié)的方法得到目標(biāo)物反射光的飛行時(shí)間后t注意到式(5)、(6)的散射分量S定義則y(t)是f將f由最小二乘法得注意到等式(21)及(22)中β的真值雖然未知,但其作為f5系統(tǒng)和硬件設(shè)備本文實(shí)驗(yàn)使用大小為60×35×35cm的水箱,裝水約60L,水中混入散射介質(zhì)(牛奶).相機(jī)和光源置于水箱外,距離約2cm.相機(jī)和光源采用同文獻(xiàn)[17-18]的設(shè)備.5.1標(biāo)定卷積核函數(shù)kt卷積核函數(shù)的測(cè)量如圖8所示,我們把一塊平板置于離光源和數(shù)據(jù)采集設(shè)備約50cm處,作為測(cè)量k(t)的目標(biāo)物.平板表面用白色幕布覆蓋,使其接近理想的朗伯特表面.用Lin等人提出的算法重構(gòu)得到由多個(gè)瞬態(tài)像素y(t)組成的瞬態(tài)視頻.歸一化這些y(t),并將其在時(shí)間軸上平移,使其峰值點(diǎn)在時(shí)間軸上對(duì)齊,結(jié)果如圖10所示.圖中所有的y(t)的形狀幾乎是一樣的,此時(shí)的y(t)等于k(t).為消除隨機(jī)誤差,我們用這些y(t)的均值(即圖中的實(shí)線)表示卷積核函數(shù)k(t).橫坐標(biāo)為時(shí)間,單位為0.01ns.其中N_TRP(NormalizedTransientPixel)表示歸一化的y(t),Kernel表示卷積核函數(shù).為驗(yàn)證卷積核函數(shù)的形狀與場(chǎng)景無(wú)關(guān),本文通過(guò)拍攝一個(gè)有明顯深度變化物體來(lái)獲得個(gè)卷積核函數(shù).拍攝場(chǎng)景和核函數(shù)分別如圖9和圖11所示.兩個(gè)場(chǎng)景下求得的核函數(shù)的對(duì)比圖如圖12所示.“Kernel1”與“Kernel2”分別表示平板場(chǎng)景和物體場(chǎng)景得到的核函數(shù).兩者的相關(guān)系數(shù)為0.9989.可見(jiàn)k(t)的形狀,僅由系統(tǒng)決定的,與場(chǎng)景無(wú)關(guān),這支持了3.3節(jié)的理論.在實(shí)際操作中,我們使用圖10中的核函數(shù).5.2深度的量化與重建的深度圖為重構(gòu)目標(biāo)物的深度及紋理,將一個(gè)玩具熊置于水箱中作目標(biāo)物,如圖13所示.由4.3節(jié)的討論知,偏移距離不能過(guò)大或過(guò)小.本實(shí)驗(yàn)取L為65cm,ΔL為0.5cm,滿足不等式(20).為保證偏移距離為約0.5cm,第1次拍攝時(shí),將玩具熊放置在水箱后壁(圖中白色幕布處)附近,使玩具底座邊緣距離水箱后壁約0.5cm,第2次拍攝時(shí),令玩具熊底座邊緣緊貼水箱后壁.我們?cè)谒渲醒b入體積大約為60L的自來(lái)水,然后分別混入5ml、10ml和15ml牛奶作為散射介質(zhì),并在這3種散射強(qiáng)度下重構(gòu)目標(biāo)物的深度及紋理.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14、圖15及圖16所示.為量化實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在加入牛奶之前,我們?cè)谇逅蝎@取目標(biāo)物深度及紋理的真實(shí)值,深度的單位為厘米(cm),紋理由強(qiáng)度值表示,無(wú)量綱.為獲取真實(shí)值,我們使用Lin等人為驗(yàn)證本文方法的可用性,本文的偏移拍攝法需要與傳統(tǒng)方法作對(duì)比.對(duì)比實(shí)驗(yàn)方面,我們選取He等人在60L自來(lái)水中混入5ml牛奶時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14所示.其中,子圖(a)、(b)分別表示深度真實(shí)值以及用本文提出的偏移拍攝法求解得到的深度圖.其中深度為絕對(duì)值,單位為mm(毫米).玩具部分的深度接近真實(shí)值.由于背景部分沒(méi)有被移動(dòng),得到的背景深度和紋理并不準(zhǔn)確.為了使目標(biāo)物可見(jiàn),我們將背景設(shè)置與真實(shí)值一致,將背景設(shè)定為一個(gè)固定值并不影響我們驗(yàn)證方法的正確性.為量化偏移拍攝法重構(gòu)的深度與目標(biāo)物深度真實(shí)值的差異,我們?cè)谏疃葓D中選取同一行同一列像素來(lái)比較,如子圖(b)的白色直線所示.比較結(jié)果如子圖(g)和(h)所示,其中GT和Re分別表示真實(shí)值和重構(gòu)值.重構(gòu)結(jié)果與真實(shí)值之差為毫米級(jí)別,在某些區(qū)域,結(jié)果與真實(shí)值比較吻合.圖14的子圖(c)是使用He等人的方法處理含散射的圖像I(如子圖(i)所示)所得的深度圖.由于玩具熊的顏色與散射介質(zhì)的顏色(白色)相近,正如He等人在論文中提出那樣,這種場(chǎng)景下He等人的算法結(jié)果是不理想的.而本文提出的方法,對(duì)場(chǎng)景的顏色和材質(zhì)沒(méi)有任何假設(shè),在這種場(chǎng)景下是可用的.另一方面,即使是比較理想的場(chǎng)景,由于He等人的方法并不求解散射系數(shù),所以重構(gòu)的深度是相對(duì)值,而本文的方法可以得到深度的絕對(duì)值.圖14的子圖(d)、(e)、(f)為紋理圖,分別為用Lin等人的方法得到的真實(shí)紋理、本文的方法求解的紋理圖以及He等人的方法求解的紋理圖.由于測(cè)量值的幅值與光強(qiáng)成正比,沒(méi)有對(duì)應(yīng)的物理單位,所以我們對(duì)紋理圖的強(qiáng)度進(jìn)行了歸一化.從子圖(d)、(e)、(f)可以看出,重構(gòu)后的紋理對(duì)比度略低于真實(shí)值,略高于使用He的方法得到的結(jié)果.為量化紋理圖與真實(shí)值的差異,我們計(jì)算了它們與真實(shí)值的PSNR(PeakSignaltoNoiseRatio,峰值信噪比).結(jié)果如表1所示,本文的方法的PSNR高于He的方法.兩者的PSNR都高于去散射之前的圖像.在60L自來(lái)水中混入10ml牛奶時(shí),結(jié)果如圖15所示.從子圖(b)可以看出重構(gòu)的深度圖準(zhǔn)確度不如混入5ml牛奶時(shí)的情況,比如玩具熊額頭的小顆粒不如前者清晰.但從子圖(g)、(h)看出,局部深度的準(zhǔn)確度與5ml的情況相差不遠(yuǎn).從圖15的子圖(e)、(f)看,混入10ml牛奶時(shí)重建的紋理圖比5ml的情況整體相對(duì)模糊.He等人的算法重構(gòu)的深度圖也比圖14中略差.但從表1可以看到,本文方法、He等人的方法與真值的PSNR都高于去散射前的圖像,其中本文方法略高.重構(gòu)后的紋理圖相比去散射前的圖像輪廓更清晰.在60L自來(lái)水中混入15ml牛奶時(shí),結(jié)果如圖16所示.此時(shí)本文的偏移拍攝法重建的深度圖只得到一個(gè)輪廓,深度值偏離真實(shí)值較遠(yuǎn),偏差大于前面兩種情況.這有兩部分原因,一是因?yàn)榻橘|(zhì)的散射較強(qiáng),到達(dá)物體表面光線比例較小,系統(tǒng)噪聲的比例增大.二是在真實(shí)的物理過(guò)程中,隨著散射強(qiáng)度增大,多次散射比例增大,用單次散射模型逼近真實(shí)物理過(guò)程的準(zhǔn)確度下降.He等人的算法重建的深度圖幾乎不可見(jiàn),紋理圖與本文方法一樣,也比較模糊.PSNR值都低于5ml和10ml的兩種情況.6wreckingmotib系統(tǒng)自然相關(guān)國(guó)際習(xí)慣法本文將傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖形學(xué)的單次散射模型從穩(wěn)態(tài)推廣到瞬態(tài).從模型到算法,提出了一整套利用瞬態(tài)成像技術(shù)進(jìn)行穿透散射介質(zhì)成像的方案.該方案可應(yīng)用于散射環(huán)境中,獲得目標(biāo)物的較精確的深度圖和紋理圖.在模型層面,單次散射模型被廣泛應(yīng)用于穿透散射介質(zhì)成像問(wèn)題的研究中.但由于其忽略了多次散射的影響,難以精確描述散射介質(zhì)的性質(zhì),特別是當(dāng)濃度較大時(shí).所以,一個(gè)可能的后續(xù)工作是使用更為精確的散射模型,或者繞開(kāi)散射分量的模型,先分離反射分量與散射分量,再根據(jù)反射分量重構(gòu)深度圖.在算法層面,文中所提出的偏移拍攝法利用等效參數(shù)在器件層面,由于無(wú)法將設(shè)備置于水下,本文在實(shí)驗(yàn)中提出的方法采取了移動(dòng)物體的折中策略.若要應(yīng)用于自然場(chǎng)景(如海底),則無(wú)法移動(dòng)目標(biāo)物,只能移動(dòng)相機(jī).下一步工作可以考慮將光源和相機(jī)置于密閉容器中,則有望應(yīng)用于水下自然場(chǎng)景.BackgroundImagingthroughscatteringmediasuchasfog,haze,smokeandmuddywaterisaverychallengingimageenhancementandscenereconstructionproblem.Therearemanyimportantapplicationssuchasexplorationofwreckagesandminesinthesea.Inthepastfewdecadestherehavebeenlotsofworkstacklingwiththisproblemfromdifferentangles.Ononehand,computervisionresearchersproposednewimagingsystemsusingactiveilluminationssuchasstructuredlight,activepolarization,andcombiningwithalgorithmstoimprovethevisibilityandcontrast,andsometimesrecoveringthedepthandsurfacepropertiesofthetargets.Ontheotherhand,computergraphicsresearchershadproposedmethodstounderstandlightpropagatingindensescatteringmediaforrenderingapplications.Theso-calledsinglescatteringmodelisusedwidelyincomputervisionandcomputergraphicstohandlethisproblem.However,mostofthesemethodsutilizeonlythesteadyresponseofthelightonthescene,whichassumethatthespeedoflightisinfiniteandtheintegraloflightismeasured.Scanningisneededorattenuationbasedmethod(activepolarization)couldonlygetarough3Dstructure.Recently,theconceptoftransientimagewasintroducedtodescribetheopticalimpulseresponseofasceneatanextremelyhightemporalresolutionbeforeitsdistributioninthesceneachievesaglobalequilibrium,allowingnewpropertiesofscenestobeobservedandinterpreted.Transientimaginganalysislighttransportsinthetimedomainusingstreakcameraorinth