İmge kıymetlendirmede polarizasyon tekniklerinin kullanımı
Usage of polarization techniques for image enhancement
Yazar: MUHAMMET ÖZBAY
Danışman: YRD. DOÇ. DR. YAKUP SABRİ ÖZKAZANÇ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Polarizasyon, ışığın karakterizasyonu için enerjiye göre daha detaylı fiziksel bir tanımlamadır. Bu nedenle polarize görüntüler geleneksel yöntemle elde edilen görüntülerden daha zengin bilgiler içermektedir. Polarizasyon, çoğu canlı tarafından çıplak gözle fark edilememekte, polarize filtreler gibi ek yardımcı materyaller sayesinde sezimlenebilmektedir. 
Polarizasyon üzerinde yapılan ilk bilimsel çalışmalar ise Erasmus Bartholinus (1625-1698) tarafından 1669 yılında kalsit kristali üzerindeki çift kırılma karakteristiğinin ortaya çıkarılması ile başlamıştır. James Clerk Maxwell'in (1831-1879) elektrodinamik teorisi ve on dokuzuncu yüzyılın ikinci yarısında Heinrich Hertz'in (1857-1894) gerçekleştirdiği deneysel çalışmalar sayesinde polarizasyon deneylerle ile de doğrulanmış bir temel üzerine oturtulmuştur. 
Polarizasyon görüntüleri, kameraların önüne polarizer konularak basit bir mekanizmayla elde edilebilmektedir. Kameralar vasıtasıyla polarize görüntülerin elde edilebilmesinin kolaylaşması ve polarizasyon ile ilintili görüntülerin geleneksel görüntülerden daha fazla bilgi içermesinden dolayı polarizasyonun bilgisayar görmesinde kullanılması yakın tarihte yaygınlaşmaya başlamıştır. Düz yüzeylerin tespit edilmesi, yüzeylerin yönelme açılarının bulunması, iletken veya yalıtkan nesnelerin tespiti, görüntülerdeki sis etkisinden dolayı düşen görüş mesafesinin artırılması, derinlik haritalarının oluşturulması, yarı-yansımaların ortadan kaldırılması, görüntülerde nesnelerin kenarlarının bulunması, nesnelerinin 3 boyutlu şekillerinin elde edilmesi gibi birçok alanda kullanılmaktadır. 
Çalışma kapsamında polarizasyonun tanımının yapıldıktan sonra polarize filtrenin 0°, 45° ve 90° açılarında alınan üç farklı ölçüm kullanılarak Stokes parametreleri ile parametrizasyonunun yapılabileceği gösterilmiştir. Daha sonra polarizasyonun bilgisayar görmesinde kullanımı araştırılmış ve ilgili çalışmalar 4 başlık altında toplanmıştır.
Polarize görüntülerin elde edilebilmesi için bir düzenek oluşturulmuş ve çeşitli saha çalışmaları gerçekleştirilmiştir. İlgili düzenek ile peşi şıra elde edilen polarize görüntülerdeki kaymaların düzeltilmesi için görüntülere imge çakıştırma işlemi uygulanmıştır. 
Deneysel çalışmalarda, ilk olarak polarize görüntüleme üzerinde durulmuş ve polarizasyon ile çeşitli yüzeylerin bölütlenmesi ve görüş mesafesinin artırılması gibi çalışmalar sunulmuştur. Daha sonra saydam ya da yarı saydam yüzeylerde oluşan yansımaların polarizasyon ve bağımsız bileşenler analizi algoritması ile ayrıştırılabileceği gösterilmiştir. İlgili ayrıştırma yönteminin çeşitli senaryolardaki başarımı analiz edilmiştir. Sisten dolayı görüş mesafesinin düştüğü durumlarda polarizasyon ve bağımsız bileşenler algoritması ile görüntülerde netliğin artırılabileceği gösterilmiştir. Bu çalışmaya ek olarak gökyüzü polarizasyon karakteristiği incelenmiştir. Bunun sonucunda, doğrusal polarizasyon derecesi ve açısı bilgilerinin güneşin pozisyonuna bağlı olarak değişimi ortaya konmuştur. Bulutların ise gökyüzünden gelen ışığın polarizasyon derecesini düşürdüğü gösterilmiştir.

Abstract:
Polarization provides more detailed description of the light than its energy. For this reason, polarized images contain more information than conventional images. Polarization is not noticeable by the naked eye by most living things, but can be detected by additional auxiliary materials such as polarized filters.
The investigations of polarized light began with the discovery of the phenomenon of double refraction in calcite crystals by Erasmus Bartholinus (1625–1698) in 1669. With foundation of the wave equation by James Clerk Maxwell's (1831–1879) electrodynamic theory and its experimental confirmation by Heinrich Hertz (1857–1894) in the second half of the nineteenth century, polarization has its mathematical bases proven with experiments.
Polarization images can be obtained with a simple mechanism by putting a polarizer in front of the cameras. The use of polarization in computer vision has begun to become widespread in recent years, as the simplicity of obtaining polarized images through cameras and the fact that polarized images contain more information than traditional images. Polarization is used many areas like detecting flat surfaces, finding surface orientation angles, detecting conductive or insulating objects, increasing the view distance due to the haze effects, creating depth maps, removing semi-reflections in the transparent surfaces, edge detection and constructing 3D shapes of objects.
In this study, after definition of polarization, it has been shown that parameterization can be done with Stokes parameters by using three different measurements taken at 0°, 45° and 90° angles of polarized filter. After that, the use of polarization in computer vision has been investigated and related studies have been collected under four sections.
A test set-up was obtained to take polarized images and various field studies were carried out. An image registration technique has been applied to correct the distortions in the polarized images obtained in a sequential manner with the related test set-up.
In the experimental studies, firstly polarized imaging is emphasized and studies such as segmentation of various surfaces with polarization and increasing of visibility are presented. After that, it has been shown that semi-reflections occurring on transparent or semi-transparent surfaces can be separated by independent components analysis.  The performance of the relevant decomposition method has been analysed in various scenarios. It also has been shown that the visibility could be increased by using polarization and independent component analysis when haze occurred in the scene. In addition to this study, the sky polarization characteristics has been investigated. As a result of this, it has been shown that the degree of linear polarization and angle of linear polarization are depend on celestial position of the sun. The degree of linear polarization of a light beam coming from clouds is less than the clear sky.