偏振为何能够实现三维成像？偏振三维成像的原理是什么

偏振为何能够实现三维成像？偏振三维成像的原理是什么

建立在几何光学基础上的光学成像技术，在成像过程中，将三维的空间映射到了一个平面上，自然丢失了z轴方向上的距离（深度）信息。那么，三维成像当然是要找到那个丢失的维度，这自然要付出代价。我们就来先看看寻找另一个维度的代价吧。

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寻找另一个维度的代价

双目立体视觉

人类的双目视觉是是天生的三维立体成像典范。人以左右眼看同一对象，由于两眼所见角度不同，在视网膜上形成的像并不完全相同，当这两个像经过大脑综合以后就能区分物体的前后、远近关系，从而产生立体视觉。注意，是经过大脑综合后形成立体视觉，这就是说，双目立体视觉是经过“计算”完成的，那么，在数学上，该怎么解释？ 双目视觉是建立在几何光学基础上的，核心是几何代数运算。假设双目视觉中的左右两个相机位于同一平面（光轴平行），且相机参数（如焦距f）一致。

理想双目相机成像模型(y轴垂直于该平面)

y方向高度点一致

如图所示，根据三角形相似定律：

解方程得：

全息三维成像

全息三维成像通过将含有目标信息的物光波与无目标信息的参考光波进行干涉，得到干涉全息图。通过对全息图的再现，获取物光波中携带的相位信息，最后通过相位与目标深度之间的关系，得到目标三维图像。全息技术将目标相位信息通过干涉条纹记录下来，在获取强度信息的同时，得到物光相位信息。在全息三维成像中，物光和参考光分别表示为：

全息三维成像

结构光三维成像

散射三维成像

除了上述介绍的两种方法外，利用散射介质也能够实现目标的三维成像。由于散射介质的随机特性，不同深度目标点间的PSF互不相同。因此，目标的三维信息通过散射介质被编码到散斑中，通过对不同目标物形成的散斑图进行反卷积重建就能实现三维物体在不同深度下信息的恢复，此时，目标的三维分布可以表示为：

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偏振三维成像的原理

这里r，t表示反射和透射，p，s表示p光和s光。与天顶角θ的关系如下式所示：

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偏振成像系统与偏振三维成像卫星载荷

偏振成像系统

偏振光学成像系统主要分为：旋转偏振片偏振成像系统、多孔径偏振成像系统、分孔径偏振成像系统、分振幅偏振成像系统和分焦平面偏振成像系统。 早期的偏振成像主要为旋转偏振成像系统，通过旋转偏振片在不同的角度依次获取不同偏振状态的图像。这种成像系统具有结构简单、体积小和低成本的优势，但缺点在于实时性较差且旋转偏振片容易震动造成误差。

偏振三维成像卫星载荷

2022年8月9日12时11分，搭载“计算偏振三维成像相机”载荷的东海一号卫星成功发射，这标志着我国将首次实现星载对地目标的实时被动三维成像，同时代表着我国计算成像技术在空间领域的科学研究应用，取得重要突破！ 在现有的技术体系下，从微小卫星载荷搭载的角度上看，选择多孔径偏振成像系统是一种最优的方法，主要是技术成熟度高，偏振片的消光比高，获得的偏振信息具有较高的信噪比，这对后期的三维信息重建非常有帮助，下一节将重点讲述。这种方法的代价是光学系统和探测器都是4套，体积大，重量重，成本高。 由于该偏振三维成像载荷的分辨率较低，光学系统体积小，成本不太高，而由这些代价能换得更高精度的偏振信息，在应用上来讲，也是值得的。 对于偏振成像而言，其实只需要3个偏振分量就可以了，所以，在本次载荷的设计中采用了0°、45°、90°三个偏振方向和无偏振的全光相机构成。下面是载荷的技术指标。

表 偏振三维载荷技术指标

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影响偏振三维成像的因素

偏振三维成像技术具有被动式、远距离高精度、实时性等特点，相较于其他三维成像方法在很多应用场景中具有明显优势，尤其是远距离上，能够单相机拍摄384000 km外的月球三维表面，好像只有偏振三维成像能够做到。但是该方法在求解法向量时，结果存在两个随机解，它们相差180°，而只有一个是正确解。因此，如何解决这种解的奇异性问题，是目前偏振三维成像技术在实际应用中存在的最大的问题。

高精度偏振三维成像的前提当然是获取到更高信噪比的偏振度和偏振角信息，而偏振消光比是影响偏振信息的最重要因素。 偏振消光比是沿偏振主态方向分解的两个正交偏振分量之间的比例关系，单位是dB。100:1意味着20 dB，10000:1意味着40 dB。对于起偏器来说，消光比越高，将输入光变为线偏振光的能力就越强。 对于光源来说，消光比越高输出光就会越接近于线偏振光。理论上线偏光的能量完全集中于一个方向上，消光比无穷大;圆偏光的能量平均分布于两正交方向上，消光比为0；椭圆偏振光,消光比介于0和无穷之间。由于各轴上的能量都相等，非偏振光的消光比为0。实际上，40 dB消光比已经相当高了，低偏光源的消光比一般小于0.5 dB。 我们来看两个数据：Thorlabs公司的偏振片消光比可达10000:1，而Sony的偏振芯片只能做到300:1。 很显然，选用旋转偏振片这种方式可以获得更高信噪比的偏振图像，偏振芯片走向应用，在算法上还有很长的路要走。 接着，我们再来看看影响偏振的还有哪些因素。 环境光干扰是影响偏振三维成像的重要原因之一。自然场景下的偏振三维成像技术由于物体表面漫反射光偏振信息受自然条件下的大气散射光、环境中镜面反射光等复杂环境光的影响，使得混杂后的光同时进入探测器，导致目标漫反射 光的弱偏振特性无法有效分离和精确解译。 此外，偏振三维成像方法还基于以下几个假设： 1)相机正投影； 2)光滑(连续)物体； 3)介电(即非金属)材料； 4)折射率已知； 5)照明由远处的点源提供； 6)表面无相互反射； 7)目标是已知或均匀反照率； 8)光源和观察方向不同。 无疑，在偏振三维成像发展的初级阶段，这些假设条件多多少少都会影响着偏振三维成像的发展，当然，这些也是偏振三维成像走向应用面临的挑战，相信不久的将来，这些问题都能一一克服。 有人问：偏振三维成像的精度能达到多少？这是一个好问题。回答这个问题首先要说明：偏振三维成像获得的表面形貌是相对值，只有知道了确切的距离信息，才能换算成绝对值，而这个确切的距离信息恰恰是被动成像所缺少的。这个距离信息一般可以由相机标定获得，这只限于近距离，也可由双目视觉计算获得，当然，还可以用激光测距雷达等手段给出。 在做偏振三维人脸成像实验中，我们对100米外的人脸进行三维重建，精度可以达到毫米级别，即量级。这里，特别需要说明的是：这种高精度的结果需要很高的空间分辨率，像素数也要足够高。 另外，偏振三维成像不同于双目视觉，由于只用一个相机就可以实现，不存在视差这样的问题，因此会导致形成的三维形貌只有一个视角方向，这在有些场景会受到应用限制。解决办法当然有：多个偏振相机组合。

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更广阔的应用前景