本文介绍了一项关于海上目标三维重建的研究，题为《通过镜面反射和漫反射的天顶角估计实现海上目标的偏振三维重建》。该研究由大连海事大学航海学院的Shuolin Zhang、Zhenduo Zhang、Rui Ma、Zhen Wang和Qilong Jia共同完成，并于2024年11月16日发表在《Applied Sciences》期刊上。研究的主要目标是解决偏振三维成像技术中天顶角估计的难题，特别是在复杂海洋环境下，如何通过镜面反射和漫反射的混合模型来提高天顶角估计的精度和鲁棒性。
海上目标识别面临诸多挑战，如复杂的光照条件、波浪干扰和天气因素，这些因素会显著降低成像精度，尤其是在远距离目标识别和检测中。传统的三维成像技术，如结构光三维成像、立体视觉、全息三维成像、激光雷达（LiDAR）和飞行时间（ToF）技术，各有其局限性。例如，结构光三维成像对环境光敏感，立体视觉在低纹理区域表现不佳，而激光雷达在恶劣天气条件下性能下降。近年来，偏振三维成像技术因其能够通过分析反射光的偏振特性来捕捉目标表面的几何形态，逐渐成为研究热点。该技术特别适用于复杂光照条件下的远距离成像，能够通过单张图像获取目标表面的天顶角和方位角信息，从而实现三维重建。
研究的主要流程包括以下几个步骤：
偏振三维重建原理：自然光在目标表面反射后会发生部分偏振，其偏振状态与材料成分、表面粗糙度和入射角有关。通过菲涅尔定律和斯涅尔定律，研究团队推导了天顶角和方位角的计算公式，并利用这些角度信息重建目标表面形状。
天顶角估计模型：研究提出了一种基于镜面反射和漫反射的混合模型来估计天顶角。传统的偏振三维重建方法主要依赖镜面反射特性，但镜面反射具有强方向性，且其偏振度与入射角之间存在多值关系，导致重建结果不准确。为了解决这一问题，研究团队引入了漫反射光的偏振度来估计入射角，并通过混合反射模型提高了天顶角估计的精度。
实验验证：研究团队搭建了一个偏振图像采集系统，使用太阳作为光源，偏振相机采集海上目标的反射光图像。通过对比提出的混合反射模型和传统的漫反射模型，验证了所提方法在远距离海上目标三维重建中的优越性。
实验结果表明，所提出的混合反射模型在远距离海上目标的三维重建中表现出更高的精度和细节保留能力。例如，在1.5公里外的灯塔图像重建中，混合反射模型能够清晰地重建出灯塔的轮廓和表面纹理，而传统的漫反射模型则表现出模糊和细节丢失。此外，研究还验证了该方法在室内自然光条件下的泛化能力，通过对公交车模型的偏振图像进行重建，进一步证明了该方法的有效性。
该研究提出了一种基于混合反射模型的天顶角估计方法，显著提高了偏振三维重建在复杂光照条件下的精度和鲁棒性。该方法不仅适用于实验室环境，还能在复杂的户外场景中实现高精度的三维重建，特别是在海上目标识别和成像中具有重要的应用价值。研究的主要创新点在于通过结合镜面反射和漫反射的特性，解决了传统方法在混合光照条件下的细节丢失问题，为远距离海上目标的三维重建提供了新的解决方案。
尽管该方法在复杂光照条件下表现出色，但仍面临一些挑战。例如，在强阳光下，镜面反射可能导致重建结果出现局部塌陷和失真。此外，目标的偏振度和海水的偏振度差异也会影响重建精度。未来的研究将致力于优化算法，提高目标提取的准确性，并减少计算时间，进一步提升重建效率。