[发明专利]一种微光条件下偏振三维重建方法

权利要求书

1.一种微光条件下偏振三维重建方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，通过单光子探测器获取目标物体表面反射光子数，由光子计数的概率分布特性将光子计数值映射到强度值，从而得到目标表面反射光偏振信息；

步骤2，利用步骤1中获取的目标表面反射光偏振信息，根据传统偏振三维重建算法获得初始重建结果；

步骤3，获取激光照明光源的方向向量；

步骤4，利用光源方向提供的阴影约束对初始重建结果中的目标表面法向量方位角进行校正，从而解决初始重建结果中表面凹凸性模糊问题。

2.如权利要求1所述的一种微光条件下偏振三维重建方法，其特征在于：步骤1的具体实现包括以下子步骤，

步骤1.1，利用脉冲扫描激光作为照明光源，接收端利用单光子探测器在3个以上的偏振角度获取每个偏振角度下每个像元反射光子计数值；

步骤1.2，对于一次单独测量，测得光子的概率分布如(1)式所示：

其中k＝0,1,…,N为单位时间内探测次数，p(0)＝e^-m；

在(1)式基础上，对于给定的k值，实际反射光子数m的负对数似然函数Г如下(2)式所示：

Г＝(N-k)m-klog(1-e^-m) (2)

通过最大化(2)中的负对数似然函数Г，得到实际反射光子数m如(3)式所示

其中，N为探测光子计数值，m可代表每个像元实际反射光偏振强度值，从而得到目标表面不同偏振角度下反射光二维偏振强度图像。

3.如权利要求1所述的一种微光条件下偏振三维重建方法，其特征在于：步骤2的具体实现包括以下子步骤；

步骤2.1，获取的偏振图像每个像素点的光强变化与偏振角度α_p以及目标表面法向量有关，根据菲涅尔公式可知，其关系满足(4)式：

其中，I_p指的是在转动偏振片时偏振图像中每个像素点光强值随偏振角度α_p的变化值，下标p表示光强值与偏振角度α_p的对应关系；将不同偏振角度对应的光强值进行余弦曲线拟合，由拟合结果可以得到各点的最大光强值I_max，最小光强值I_min和相位角

步骤2.2，由(5)式可以得到两个可能的法向量方位角

由于无法确认方位角的准确取值，具体实现过程中先粗略地取作为法向量计算值，错误取值将在后续步骤中被校正；

步骤2.3，由2.1中得到的I_max和I_min，利用(6)式可以求到目标表面偏振度P：

已知偏振度P和物体表面折射率n时，由(7)式可以得到漫反射目标表面天顶角θ：

步骤2.4，由方位角和天顶角可以求得目标表面法向量分布；

步骤2.5，利用Frankot-Chellappa积分算法，由表面法向量积分得到表面相对深度数据，即初始偏振三维重建结果。

4.如权利要求3所述的一种微光条件下偏振三维重建方法，其特征在于：步骤3中利用搭建的实验系统获取激光照明光源的方向向量，实验系统以探测点为坐标原点，反射光方向为z轴方向，平行于线偏振片表面为xOy平面建立空间坐标系，并在此坐标系中根据激光光源位置量取其在各坐标轴的标量长度s_x,s_y,s_z，从而确定光源方向矢量

5.如权利要求4所述的一种微光条件下偏振三维重建方法，其特征在于：步骤4的具体实现包括以下子步骤；

步骤4.1，获取目标表面反射光实际非偏振强度图像I_un；

步骤4.2，反射光非偏振光强度值I_un，目标表面法向量N与光源向量s存在(9)式所示的约束关系：

I_un＝N·s (9)

在步骤2中，获得的两个可能的法向量方位角提供了两种可能的法向量值N₁和N₂，这也是重建表面存在凹凸性模糊的根源，根据上面的关系式可以得到两个反射光非偏振强度的计算值I₁；

I₁＝N₁·s

I₂＝N₂·s

步骤4.3，通过对比目标反射光非偏振强度的计算值和实际值的误差，即比较|I_un-I₁|和|I_un-I₂|的值，选择其中较小的误差所对应的法向量作为更准确的法向量值，从而实现对法向量方位角的校正，解决重建结果中的凹凸性模糊问题。