偏振三維成像技術的原理和研究進展

摘要：近年來偏振三維成像技術因具有精度高、作用距離遠和受雜散光影響小等特點得以蓬勃發展，但利用目標反射光偏振特性進行法向量精確求解的問題一直沒有真正得到解決，成為制約該技術發展的瓶頸。此外，由于目標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現困難。該綜述介紹了偏振三維成像物理機理、目標表面出射光偏振特性，以及偏振三維成像研究進展。最后總結了目前偏振三維成像面臨的問題和未來的發展方向。

引言

光電成像技術是人類記錄和感知環境信息的重要方式和手段，然而傳統光電成像雖是信息獲取與記錄的過程，但同時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，依據傳統強度探測方式，結合光場多物理量信息解譯模式，通過構建物體表面反射光信息與表面形貌之間的函數關系，來實現物體表面三維信息的求解，就成為目前光電成像技術發展中的一個重點和熱點。

目前三維成像技術根據成像模式可分為基于光源調制的主動三維成像和基于立體視覺的被動三維成像兩類?；诠庠凑{制的主動三維成像包括時間飛行法（Time of Flight，ToF）、激光雷達三維成像和結構光三維成像。ToF利用光波時空特性進行三維空間的測量，目前已在商業領域廣泛應用，但是該技術易受環境光干擾，且受限于信號系統的時間分辨率，故其三維成像精度不高；激光雷達三維成像利用激光測距原理，實現系統-目標微面元距離信息的獲取，之后通過機械式掃描或光束偏轉的方式實現目標表面三維信息的重建，因此這種三維重建方式在對大目標的三維成像中實時性差，并且由于其機械結構復雜，導致系統體積較大、造價較高，難以實現普及；結構光三維成像技術是將一定規則的編碼條紋圖像投影到目標表面，通過對拍攝到的輪廓圖像進行解碼，構建相機平面與投影平面中點與點之間的一一對應關系，并結合相機標定參數實現三維表面的獲取，其具有成像精度高的優勢，但是該系統需要主動光源照明，對照明光模式依賴強，因此抗環境光干擾能力差，且隨著成像距離的增加，編碼條紋的精度會隨之下降，嚴重影響三維成像精度。

目前，基于立體視覺的被動式三維成像主要包括雙目三維成像和基于光場相機的三維成像。雙目三維成像技術基于人眼視覺原理，利用三角測距技術構建物體的三維表面輪廓信息，由于其重建精度與相機基線長度成反比，因此在對遠距離目標成像時難以實現高精度的三維表面信息獲取?；诠鈭鱿鄼C的三維成像技術通過在鏡頭和探測器之間嵌入微透鏡陣列，實現光線的方向測定，進而獲取被動條件下的三維信息，但與雙目三維成像類似，該技術受限于微透鏡陣列間的間距，無法實現遠距離三維成像并且成像精度較低。然而，伴隨著安防監控、深空探測以及目標檢測識別等眾多領域對遠距離、高精度、高維度的目標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，來實現遠距離、無損、高精度的三維成像就成為該領域目前主要的發展方向。眾所周知，光波的偏振特性信息與目標表面法線間存在函數表征關系，能夠直接反映出目標形貌特性。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關系，能夠為實現重建精度高、探測設備簡單以及非接觸的三維重建技術提供方案。

國內外研究學者從上世紀70年代開始探索利用偏振信息對目標表面進行三維形貌恢復（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表面法線方向的函數關系來實現三維形貌重建，但是忽略了反射光類型不同對重建結果的影響。然而，由于自然界中目標表面材質的多樣性，表面出射光波偏振特性呈現顯著差異，如圖1所示。因此，深入分析不同目標表面出射光波的偏振特性，進而獲取目標表面三維輪廓信息就成為偏振三維成像技術研究的核心。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，針對求解重建過程中存在的法線方向不確定性問題，綜述國內外具有代表性的典型技術方法；并對基于散射光偏振特性的三維成像技術中存在的關鍵技術問題進行總結，重點分析研究了鏡面反射-漫反射分量分離困難、目標絕對深度信息無法獲取等問題；最后對偏振三維成像技術未來發展趨勢進行了展望。

1 偏振三維成像的原理

由于目標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，能夠實現目標三維輪廓的重建。

偏振三維成像過程示意圖

3 偏振三維成像技術未來展望

目標表面反射光偏振特性作為一種能夠準確反映表面高頻三維輪廓特征的固有屬性，利用該信息進行三維成像具有高精度、遠距離以及非接觸等優勢。隨著偏振三維成像技術進一步的發展與完善，其在地形測繪、文物保護以及安防監控等領域具有越來越廣泛的應用，如圖28所示。目前，限制偏振三維成像技術大范圍應用的主要有以下兩個方面：

（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同時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主要應用于玻璃、金屬等表面光滑的物體三維成像。而在對自然目標進行偏振三維重建的過程中，目標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中大多假設目標表面是理想的朗伯體，而自然目標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表面的局部區域存在高光，使得該區域的漫反射光信息趨近于零，造成三維成像結果中局部區域畸變。因此，開展基于反射光偏振特性的鏡面反射-漫反射光分離技術的研究，是推進偏振三維成像技術走向實際應用的關鍵一步。（2）在目標表面三維輪廓的恢復過程中，需要對目標表面微面元法線場點云數據進行多重積分，實現目標三維重建。這就造成在沒有外界設備輔助的情況下，僅依靠單相機獲取得到的目標多維物理量信息無法實現目標輪廓真實深度信息的測量。所以，在不增加設備復雜度的情況下實現目標絕對深度信息的獲取與目標鏡面反射-漫反射分量的分離都將是未來偏振三維成像研究領域的重點。

針對上述偏振三維成像中亟待解決的關鍵技術問題，我們也開展了相關技術研究，提出一種當目標表面存在局部高反光區域時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，實現鏡面反射與漫反射光的分離。該方法認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，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，分別實現對鏡面反射分量和漫反射分量的估計。進一步，對于局部高光區域中漫反射光分量趨近于零，無法利用漫反射信息進行三維成像的情況，我們采用基于三維輪廓梯度變化的缺失區域估計技術，對該區域信息進行估計填補，目前對該技術進行了初步驗證，實現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標定的偏振三維成像方法，通過對成像系統進行標定，構建世界坐標系與像平面坐標系間的關系，獲取目標表面特征點在空間方向上的絕對距離信息，為整體三維成像結果的相對-絕對深度信息的轉換提供先驗信息，最終實現目標輪廓絕對深度信息的獲取。

此外，隨著神經網絡技術的不斷發展，越來越多的研究人員開始研究將深度學習技術應用于物體的三維重建。由于人臉等目標具有特征空間明確，且訓練數據容易獲取等特點，目前已實現在不同場景下基于深度學習的人臉三維重建，并取得較好的重建結果。因此，除解決上述難點以外，偏振三維成像未來較有意義的研究方向為：（1）如何利用深度學習估計得到的人臉輪廓信息，構建人臉微面元法向量校正模型，實現預測信息與真實測量信息的有效結合，解決基于偏振特性求解得到的法向量參數多值性問題，得到成像精度更高、重建更精確的三維人臉目標；（2）目前大部分基于目標出射光偏振特性的三維成像方法只能實現場景中單個目標的三維成像，如何在不借助輔助探測方法的條件下，通過單探測器實現場景中多個不連續物體的三維重建；（3）隨著微納加工技術的進一步發展，如何提升可見光、紅外等波段偏振信息探測的精度，并實現高分辨率的偏振子圖像獲取，將會對偏振探測的發展產生深遠影響。

4 總結

文中首先介紹了基于目標表面反射光偏振信息的三維成像方法，在此基礎上對Wolff提出的物體表面反射模型進行詳細的介紹。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，基于旋轉目標、多相機、多波段的入射角歧義值消除技術，均無法通過一次偏振探測實現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，存在漫反射分量少、需要對鏡面分量-漫反射分量進行分離，實現過程復雜；在消除方位角多值性問題的方法中，同樣存在多次探測、求解方式復雜等問題。在基于漫反射光的偏振三維成像技術中，目前基本都需要與另一種三維感知技術相結合，獲取方位角的先驗信息。而這些獲取先驗信息的方法，也正是限制基于漫反射偏振三維成像技術被廣泛應用的主要因素。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，進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現兩種不同特性信息光的分離，并實現目標絕對深度信息的獲取，是偏振三維成像技術未來研究的重要方向，也是其走向實際應用過程中亟待解決的難點。

審核編輯：湯梓紅