一种材料全偏振反射矩阵测量系统及方法

本发明涉及偏振图像重建与偏振特性分析，特别是设计一种材料全偏振反射矩阵测量系统及方法。

背景技术：

1、面向场景对象的双向反射分布函数（brdf）的真实建模是基于物理渲染的重要前提。在过去的几十年，包含各种材料实测brdf值的数据库推动了brdf模型的高速发展。但是传统的brdf数据集忽略了散射对光的偏振状态的影响，而人眼通常无法察觉到这些影响。因此，现有的brdf数据库只能捕获散射通量，或者偏振brdf数据集在空间上过于稀疏，无法用于偏振图像渲染。因此，真实反映目标材料的偏振特性是非常可取的。

2、目标的偏振反射率是描述材料偏振特性的重要参数，它不仅依赖于目标的材料和表面结构，还受到观测波长和观测角度的影响。因此，准确获取目标在不同波长、不同观测角度下的偏振反射率对于材料偏振特性分析和应用至关重要。现有技术中，往往测量一次只能得到一个角度下的偏振反射率，不仅增加了操作的复杂度，而且也影响了测量的精度和重复性。此外，多波长测量时往往需要更换不同的测量设备或者测量头，这会导致测量中断，从而影响测量效率和数据的连续性。为了解决上述问题，急需一种能够实现多波长、全角度测量的材料偏振反射率测量系统和方法。

技术实现思路

1、（一）解决的技术问题

2、针对传统的材料偏振反射率测量系统无法有效地测量大规模偏振反射率数据集的问题，本发明提供了一种材料全偏振反射矩阵测量系统及方法，通过将采集的目标确定为球体，并使用采样点索引算法索引对应的数据点，降低了所需采集图像的维度，解决了上述背景技术中所提出的问题。

3、（二）技术方案

4、本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

5、一种材料全偏振反射矩阵测量系统，包括偏振光发生装置、偏振图像采集装置、标准球体样本固定柱、旋转装置、控制及数据处理装置。所述旋转装置为转台及其上固定的导轨。

6、所述偏振光发生装置包括光源、偏振片ⅰ和波片旋转轮ⅰ，通过旋转波片旋转轮ⅰ改变慢轴角度。

7、所述偏振图像采集装置包括滤光转轮、波片旋转轮ⅱ、偏振片ⅱ、相机，滤光转轮上安装个不同波长的滤光片。

8、所述旋转装置包括导轨和转台，导轨固定在转台上，并且在转台中轴的位置放置标准球体样本固定柱。

9、所述控制及数据处理装置控制偏振光发生装置的波片旋转轮ⅰ改变入射光的偏振态、控制偏振图像采集装置的滤光转轮和波片旋转轮ⅱ改变采集波长及检偏角度、控制偏振图像采集装置的相机进行图像采集、控制旋转装置的转台改变旋转角度，并将采集到的图像数据进行处理得到需要的全偏振反射矩阵。

10、进一步地，标准球体样本固定柱放置在转台的中轴，位置固定不随导轨旋转而旋转或位移，以便于对图像进行处理。

11、所述的一种材料全偏振反射矩阵测量系统，应用于材料全偏振反射矩阵测量方法，包括以下测量步骤：

12、s1：控制旋转装置，使得偏振光发生装置、标准球体样本和偏振图像采集装置处于一条直线，并进行光路校准。

13、s2：校准偏振片ⅰ、偏振片ⅱ、旋转波片旋转轮ⅰ和波片旋转轮ⅱ至初始角度。

14、s3：通过控制及数据处理装置控制转台、滤光转轮、波片旋转轮ⅰ和波片旋转轮ⅱ进行旋转。转台每次旋转一个步长，共需旋转次。转台每旋转一次，滤光转轮需要旋转次，对应滤光转轮的个波长。滤光转轮每旋转一次，波片旋转轮ⅰ和波片旋转轮ⅱ就需要同步旋转次，波片旋转轮ⅰ与波片旋转轮ⅱ每次旋转的角度之比为。波片旋转轮ⅱ每旋转完一次，相机则拍摄一张图像，并将图像数据传输至控制及数据处理装置，相机总共需要拍摄张图像。

15、s4：控制及数据处理装置对得到的图像数据进行处理，得到标准球体样本的多波长全角度的材料偏振反射率数据。

16、进一步地，所述s3中使用双旋转波片法计算mueller矩阵，因此不需要旋转偏振片ⅰ和偏振片ⅱ。

17、首先，使入射光为自然光，则，得到出射光强值的表达式：

18、

19、随后，采用最小二乘法拟合一组偏振图像数据的mueller矩阵，公式如下，

20、

21、其中，为测量的光强值，为计算得到的光强值。结合最小二乘法，可以得到一个大小是的原始六维偏振反射矩阵，为图像的水平分辨率，为图像的垂直分辨率。

22、进一步地，所述s4中控制及数据处理装置对得到的图像数据进行处理，使用采样点索引算法将需要的mueller矩阵数据提取出来，得到一个矩阵形式为的全偏振反射矩阵，为所测入射光与出射光方位角之差的总数，为所测入射天顶角的总数，为所测出射天顶角的总数，为所测波长的数量，为mueller矩阵大小。入射光与出射光方位角之差、入射天顶角、出射天顶角和波长为该全偏振反射矩阵中的mueller矩阵的索引值。利用采样点索引算法将、、对应于原始六维偏振反射矩阵的索引值、、，从而实现输入一组、、就能在原始六维偏振反射矩阵中找到对应的mueller矩阵。

23、计算的公式如下：

24、

25、其中，为转台的旋转角度，为标准球体样本的球心，为光源，为相机。

26、

27、其中为采样点的坐标，为相机在标准球体样本上的投影圆的圆心坐标，为相机在标准球体样本上的投影圆的半径，为光源在标准球体样本上的投影圆的圆心坐标，为光源在标准球体样本上的投影圆的半径，为标准球体样本半径。最后可以得到采样点在图像上的像素坐标为。

28、（三）有益效果

29、与现有技术相比，本发明提供了一种材料全偏振反射矩阵测量系统及方法，具备以下有益效果：

30、本发明，通过使用一种材料全偏振反射矩阵测量系统采集图像即可求出待测标准球体样本的全角度的偏振反射率，相比于传统的材料偏振反射矩阵测量系统采集一组图像只能得到目标在一个特定角度下的偏振反射矩阵数据，本发明可以通过降低所需采集图像数量的维度得到一个完备的材料偏振反射率数据集，从而建立材料的全偏振反射矩阵。

技术特征：

1.一种材料全偏振反射矩阵测量系统，其特征在于：包括偏振光发生装置（1）、偏振图像采集装置（2）、标准球体样本固定柱（3）、旋转装置（4）、控制及数据处理装置（5）；

2.根据权利要求1所述的一种材料全偏振反射矩阵测量系统，其特征在于，所述标准球体样本固定柱（3）放置在转台（42）的中轴，位置固定不随导轨（41）旋转而旋转或位移，以便于对图像进行处理。

3.根据权利要求1或2所述的一种材料全偏振反射矩阵测量系统，其特征在于，应用于材料全偏振反射矩阵测量方法，包括以下测量步骤：

4.根据权利要求3所述的一种材料全偏振反射矩阵测量系统，其特征在于，使用双旋转波片法计算mueller矩阵，因此不需要旋转偏振片ⅰ（12）和偏振片ⅱ（23）；

5.根据权利要求3所述的一种材料全偏振反射矩阵测量系统，其特征在于，根据标准球体样本的几何特性，运用采样点索引算法将需要的mueller矩阵数据进行精确映射，得到一个矩阵形式为的全偏振反射矩阵，为所测入射光与出射光方位角之差的总数，为所测入射天顶角的总数，为所测出射天顶角的总数，为所测波长的数量，为mueller矩阵大小；入射光与出射光方位角之差、入射天顶角、出射天顶角和波长为该全偏振反射矩阵中的mueller矩阵的索引；利用采样点索引算法将、、对应于原始六维偏振反射矩阵的索引值、、，从而实现输入一组、、就能在原始六维偏振反射矩阵中找到对应的mueller矩阵；

技术总结本发明涉及偏振图像重建技术领域，具体为一种材料全偏振反射矩阵测量系统及方法，用于采集和测量不同材料的标准球体样本，获得材料偏振反射率，以建立材料的全偏振反射矩阵，该矩阵可用于材料偏振特性分析和偏振图像重建。系统包括偏振光发生装置、偏振图像采集装置、标准球体样本固定柱、旋转装置、控制及数据处理装置。本发明基于双旋转波片法计算不同材料的标准球体的Mueller矩阵。通过转台旋转，可获得全角度的偏振图像数据；通过滤光转轮旋转，可获得不同波长的偏振图像数据；通过波片旋转轮的角度旋转，得到不同偏振状态下的图像数据；通过结合材料的偏振特性和标准球体样本的几何特性对图像数据进行分析，计算获得材料的全偏振反射矩阵。技术研发人员：胡奇,杨嘉豪,段锦,战俊彤,郝有菲,丁华藤受保护的技术使用者：长春理工大学技术研发日：技术公布日：2024/9/9