天津大学胡浩丰团队：偏振引导散射解耦的水下低光图像恢复 | 光学学报·亮点文章

深海、夜间水下成像时常常面临“双重困境”：一方面，水体吸收和光照衰减会使图像整体变暗；另一方面，悬浮颗粒引起的散射会导致图像对比度下降、细节模糊和噪声增强。

天津大学胡浩丰教授课题组发表在《光学学报》“AI光学：涉水光学”的特邀论文“偏振引导散射解耦的水下低光图像恢复方法”提出一种偏振引导散射解耦的水下低光图像恢复方法，将偏振成像物理规律与深度图像先验相结合，在无需配对训练数据的条件下，分离背向散射光和直接透射光，实现散射去除与光照增强。

文章链接：费筱茼, 申凌皓, 黄一钊, 徐艺家, 贾大功, 胡浩丰. 偏振引导散射解耦的水下低光图像恢复方法（特邀）[J]. 光学学报, 2026, 46(12): 1200008.

1、研究背景

水下视觉信息是海洋探测、水下机器人作业和海洋科学研究的重要基础。然而在深海、夜间极端水下环境中，光照衰减与水体吸收、散射效应耦合，使图像质量显著下降，严重限制了目标观测与识别。

传统水下图像恢复方法通常依赖物理模型中的先验假设，例如背景光、透射率等参数估计。但在低光条件下，图像信噪比显著下降，参数估计容易失准，直接基于成像模型反演还可能放大噪声。虽然近年来深度学习方法在水下图像增强中取得了较好效果，但监督学习方法需要大量“退化图像—清晰图像”配对数据，而真实水下低光场景中这类数据很难获取。

因此，如何在无需配对数据的条件下，充分利用水下偏振图像中蕴含的物理信息，实现散射去除、亮度恢复和细节增强，是研究团队关注的核心问题。

研究团队提出了一种偏振引导散射解耦的水下低光图像恢复方法。该方法将水下低光图像恢复问题转化为“直接透射光—背向散射光”的分离问题，利用散射光和目标信息光在偏振特性上的差异，对正交偏振态图像进行建模。与依赖大量配对数据的监督学习方法不同，论文引入深度图像先验思想，仅利用网络结构本身的隐式正则化能力，在无监督条件下从单幅偏振图像中分离散射分量和目标信息分量，从而避免低光条件下直接反演成像模型带来的噪声放大问题。

图1 研究团队构建的算法流程图。（a）为背向散射光和直接透射光分量算法流程图；（b）为图像恢复流程；（c）为DIP_D、DIP_B⊥和DIP_B‖的网络结构图

在具体实现上，研究人员构建了三个差异化并行网络，分别估计直接透射光、平行偏振态背向散射光和垂直偏振态背向散射光。针对直接透射光包含丰富边缘和纹理信息、背向散射光空间分布更平滑的特点，研究团队对不同分支采用差异化结构设计，使网络分别适应目标细节恢复和散射光估计。同时，方法引入重建约束、偏振差分约束、偏振度重建约束和自适应亮度恢复约束，引导网络输出符合水下偏振成像物理规律，最终实现散射去除、噪声抑制和光照增强。

研究团队在实验室模拟场景、大型水池场景和真实海域场景中对该方法进行了验证。结果显示，与多种传统偏振去散射方法和深度学习增强方法相比，该方法在低光和浑浊条件下能够更有效地去除散射、提升对比度并保留目标纹理细节，表现出较好的稳定性和实际应用潜力。

图2不同浓度实验室数据图像恢复结果对比

图3 池试数据图像恢复结果对比

图4 真实海试数据处理结果对比

未来，团队将继续面向复杂水下环境，开展偏振图像恢复和智能视觉感知研究，进一步探索彩色偏振、视频恢复和实时化应用，并服务于水下目标检测、识别、跟踪及三维感知等任务，为水下机器人可靠作业提供高质量视觉支撑。

作者简介

申凌皓，天津大学海洋科学与技术学院助理研究员，硕导。长期从事偏振成像、水下成像等方面研究。主持国家自然科学基金项目1项。以第一作者在PhotoniX、IEEE TCYB、IEEE TMM、IEEE TGRS 等期刊上发表多篇SCI论文。

胡浩丰，天津大学教授，博导，海洋技术系主任。入选国家高层次青年人才、自然资源部科技领军人才、天津市杰青、第四届强国青年科学家、第二届海洋强国青年科学家、全球前2%顶尖科学家榜单、中国科协“青年人才托举工程”。以第一/通讯作者发表SCI论文70余篇，ESI高被引5篇，国家发明专利20余项。