Real-time imaging through fog over long distance

Imaging through turbid media like fog, tissues, colloids etc. has various applications in real-life situations. The problem of imaging through such scattering media presents a challenge that can be addressed by using novel imaging schemes, information theory and laws of light transport through random scattering media. The thesis is divided into two parts corresponding to two different imaging modalities, namely, polarimetric contrast imaging and intensity modulated light imaging. In both the cases, advanced imaging systems, capable of imaging in real-time are used and their performances are evaluated both theoretically and experimentally. In the first part of the thesis, a two-channel, snapshot polarimetric camera, based on a Wollaston prism is used to attain optimal imaging of polarized light source through fog. An original outdoor experiment is setup in the vicinity of the campus Beaulieu in Rennes, France, where a source is placed on a telecommunication tower more than a kilometer away from the imaging system. Data acquired in various weather conditions show that the efficiency of the two-channel polarimetric camera depends on the background noise correlation in the two images. Further, this was confirmed using an information theoretical analysis, which showed that a polarimetric contrast maximizing image representation is a linear combination of the two polarimetric images whose weights depend on the background noise correlation. Based on the derived optimal polarimetric representation, a detection scheme was presented, leading to an end-to-end study of two-channel polarimetric imaging through fog that may be useful in transport applications like aircraft landing/taxiing in degraded weather. The second part of the thesis deals with intensity modulated light and its potential for ballistic photon imaging through scattering media. First, using the diffusion theory of photon transport and information theory, it was shown that for a given photon budget, ballistic imaging can be achieved for a minimum modulation frequency that depends on the scattering properties of the intervening medium. In real-life situation, the minimum frequency can be in the range of MHz. Real-time imaging at these frequencies is a challenge. Hence, a novel demodulation camera system based on electro-optics was proposed and patented. The imaging system is capable of real-time, full-field demodulation at frequencies of several MHz (potentially, in GHz as well), without requiring a phase synchronized source. A prototype of the imaging system was developed and shown that a demodulation camera based on the proposed design is robust, portable and cost-effective. Finally, the work presented in this thesis pave way for implementation of advanced imaging systems in real-life situations, varying from biomedical imaging to transport safety.L'imagerie à travers les milieux turbides comme le brouillard, les tissus, les colloïdes, etc. répond à plusieurs besoins de la vie courante. L'imagerie à travers de tels milieux diffusants est un défi auquel peuvent répondre les nouveaux systèmes d'imagerie, la théorie de l'information et l'étude des lois de transport de la lumière dans les milieux aléatoires. La thèse est divisée en deux parties adressant deux modalités d'imagerie différentes, à savoir : l'imagerie de contraste polarimétrique et l'imagerie modulée en intensité. Dans les deux cas, des systèmes d'imagerie en temps réel sont proposés et mis au point. Leurs performances sont évaluées à la fois théoriquement et expérimentalement. Dans la première partie de la thèse, une caméra polarimétrique à deux canaux instantanés conçue autour d'un prisme de Wollaston est utilisée pour imager de manière optimale une source de lumière polarisée noyée dans un brouillard. Une expérience en situation réelle a été mise en place à proximité du campus de Beaulieu à Rennes. La source est placée sur une tour de télécommunication située à plus d'un kilomètre du système imageant. Les données acquises dans diverses conditions météorologiques montrent que l'efficacité de cette caméra polarimétrique dépend de la corrélation du bruit de fond dans les deux images initiales. Ceci a été confirmé grâce à une analyse fondée sur la théorie de l'information qui montre que le contraste polarimétriques maximal est obtenu par une combinaison linéaire des deux canaux polarimétriques dont la pondération dépendant de la corrélation du bruit de fond dans les deux canaux. Un système de détection, intégrant cette représentation polarimétrique optimale, a été développé pour explorer de bout en bout les capacités offertes par l'imagerie polarimétrique à deux canaux à travers le brouillard. Ces études trouvent des applications directes dans le transport par temps dégradé, y compris pour l'aide à l'atterrissage d'aéronefs. Dans la même logique, la deuxième partie de la thèse porte sur l'apport de la modulation d'intensité plein champ pour imager les photons balistiques dans les milieux diffusants. En utilisant de concert la théorie de la diffusion et la théorie de l'information, nous avons pu montrer que, pour un budget de photons donné, il existait une fréquence de modulation minimale pour laquelle le filtrage de photons balistique devient efficace. Cette fréquence dépend des propriétés de diffusion du milieu intermédiaire et se trouve être dans la gamme du MHz en situation réelle. L'imagerie en temps réel à de telles fréquences étant un vrai défi, nous avons proposé un système de démodulation plein champ inédit basé sur l'utilisation d'un cristal électro-optique. Ce système d'imagerie, dont nous avons breveté le principe, est en mesure de démoduler avec une caméra standard une scène en temps réel et en plein champ à des fréquences de plusieurs MHz (voire GHz) sans synchronisation de phase. Un prototype de ce système a été développé permettant de confirmer qu'il était robuste, portable et rentable. Le travail présenté dans cette thèse ouvre la voie à la mise en œuvre de systèmes d'imagerie de pointe fonctionnant dans des situations réelles, allant de l'imagerie biomédicale, à la sécurité