CN102116997A - 基于偏振识别的水下摄像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学仪器技术领域，特别涉及一种基于偏振识别的水下摄像系统及方法。技术方案是：包括水下光源、偏振调制部分和图像采集及处理部分；所述的水下光源包括半导体激光器、滤光片、起偏器、偏振旋转器和扩束器，所述偏振调制部分包括检偏器、步进电机、步进电机控制器和红外探测器；所述图像采集及处理部分包括高频CCD摄像机、图像采集系统和计算机；有益效果是：本发明可以有效提高目标成像的对比度和清晰度；提高了目标探测和识别效率；偏振成像可以利用不同目标退偏振的差异消除背景光的干扰，提供了从杂乱背景中识别目标的手段，较普通的光强度成像识别目标的方法具有明显优势。

Description

基于偏振识别的水下摄像系统及方法

一、技术领域：

本发明涉及一种光学仪器技术领域，特别涉及一种基于偏振识别的水下摄像系统及方法。

二、背景技术：

水下摄像系统是用于探测水中物体，并在水上进行电视显象的光学观测工具，它为实时观察水中目标提供高分辨率的视频图象。它已成为进行水下作业所必要的设备之一。尤其在人们无法和难以直接观察的海下空间更是不可少。现已普遍用于包括军事目的大内的各种水下作业中，包括用于观察武器试验、舰船修造、探索水雷、鱼雷和检查布雷情况；观察、控制海底工程作业和水下建筑过程，侦察和选择水下施工地址、设备安装以及定期检查工程建筑质量情况；在海洋研究中，用于考察海底地貌形态和海底表层地质结构，观察海中生物的生活习性和活动规律等。

但是在水下环境中，水(衰减)非常大，而且水中存在着各种悬浮物，这些悬浮物的性能各异，对光有散射作用。由于水对光的吸收和散射，使整个水下影像呈现雾化效果，对比度较差，所以只能看到近处的物体。尤其散射光对影像衬度影响较大，它造成了图像对比度下降，对水下成像影响极大，使影像衬度成为水下成像中最严重的问题之一。通常的水下光强度成像系统是根据光强的差别来区分目标，由于散射导致的水下物体和背景强度差别不明显或目标背景很杂乱时，用强度来区分目标就很困难，而利用光的另一个特性—偏振特性来区别目标，可以克服由于光强差太小所带来的困难。水下偏振成像探测系统正是为适应这样的需要而发展起来的。

国外对偏振成像的研究开展的比较早，二十世纪七十年代以来，各国科学家对多种物体的偏振特性研究做了大量的工作，掌握了许多数据，从中获得物质偏振特性的规律，分析偏振产生的机理，为偏振的应用提供理论依据和必要的原始资料。国内关于偏振成像方面的研究基础比较落后，仅在高校和研究所等少数单位开展一些工作。1997-2000年，安光所研究人员利用532nm的激光作为光源，面阵CCD作为探测器，利用水中粒子和水中物体的退偏振差异，重点研究了水中物体的偏振成像。通过理论计算得出了水下目标成像对比度、成像距离、水体衰减常数之间的关系，并推导出了水下目标最远成像距离的计算公式。获取了532nm圆偏振光照射下水中物体的偏振图像，并测得了水体衰减常数为0.5时，圆偏振成像系统最远成像距离为1.92m。后来的工作中，又利用线偏振光作了类似的实验。但是以上偏振成像方法对水体清澈程度有一定要求。

而且由于近年来资源开发活动主要在海底，近几年来国际上重点发展浑水中的水下成像观察技术，这已经成为海洋开发技术中的重要环节之一。

三、发明内容：

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种基于偏振识别的水下摄像系统及方法，可以获取水下物体的基于偏振信息而不是光强信息的图像，可实现较混浊水体的水下物体成像。

一种基于偏振识别的水下摄像系统的技术方案是：包括水下光源、偏振调制部分和图像采集及处理部分；所述的水下光源包括半导体激光器、滤光片、起偏器、偏振旋转器和扩束器，半导体激光器所发的激光光束经滤光片滤光后，再经起偏器变为偏振光，该偏振光经偏振旋转器和扩束器后变为偏振方向可调的线偏振光；所述偏振调制部分包括检偏器、步进电机、步进电机控制器和红外探测器；所述图像采集及处理部分包括高频CCD摄像机、图像采集系统和计算机；水下的目标物经所述的线偏振光照射后，其反射光射入偏振调制部分，首先进入由步进电机控制的检偏器，经检偏器出射后的光束被高频CCD摄像机采集后和红外探测器的信号同步送入进行异或图像算法处理。

上述的偏振旋转器为扭转向列型液晶旋转偏振器，通过控制可以对偏振旋转角度进行精确控制，可以快速旋转线偏振光束的偏振方向。

上述的检偏器的外圈上设有多个触发孔，排列在多个标定的透光方向上。

上述的红外探测器由红外发射端和接收端两部分组成。

另外，一种基于偏振识别的水下摄像方法，其技术方案是：由半导体激光器所发的激光光束经滤光片滤光后，再经起偏器变为偏振光，该偏振光经偏振旋转器和扩束器后变为偏振方向可调的线偏振光；水下的目标物经所述的线偏振光照射后，其反射光射入偏振调制部分，首先进入由步进电机控制的检偏器，经检偏器出射后的光束被高频CCD摄像机采集后和红外探测器的信号同步送入计算机处理。

本发明的有益效果是：本发明可以有效提高目标成像的对比度和清晰度；提高目标探测和识别效率；偏振成像可以利用不同目标退偏振的差异消除背景光的干扰，提供了从杂乱背景中识别目标的手段，较普通的光强度成像识别目标的方法具有明显优势。

四、附图说明：

附图1是本发明的结构原理图；

附图2是本发明的检偏器的结构示意图；

附图3是本发明的目标物的光强度图像及偏振图像；

附图3(a)是未加偏振片的自然光下的目标物的光强度图像；

附图3(b-f)是加偏振片且起偏器透光方向和检偏器透光方向夹角分别为0°、30°、45°、60°、90°时的目标物的光强度图像；

附图4(a-d)分别是本发明获取的偏振特征量I、偏振特征量Q、偏振特征量U和偏振度图像；

外圈1、触发孔2、半导体激光器3、滤光片4、起偏器5、偏振旋转器6、扩束器7、目标物8、红外探测器9、检偏器10、高频CCD摄像机11、步进电机12、步进电机控制器13、图像采集系统14、计算机15。

五、具体实施方式：

结合附图1-4，对本发明作进一步的描述：

一种基于偏振识别的水下摄像系统的技术方案是：包括水下光源、偏振调制部分和图像采集及处理部分；所述的水下光源包括半导体激光器3、滤光片4、起偏器5、偏振旋转器6和扩束器7，偏振调制部分包括检偏器10、步进电机12、步进电机控制器13和红外探测器9；图像采集及处理部分包括高频CCD摄像机11、图像采集系统14和计算机15。

其中，偏振旋转器6为扭转向列型液晶旋转偏振器，通过控制可以对偏振旋转角度进行精确控制，可以快速旋转线偏振光束的偏振方向。检偏器10的外圈1上设有多个触发孔2，排列在多个标定的透光方向上。红外探测器9由红外发射端和接收端两部分组成。滤光片采用干涉滤光片；起偏器采用格兰泰勒棱镜起偏器，

本发明的水下摄像方法具体如下：

半导体激光器3发出的激光经干涉滤光片，再经过直径10mm的格兰泰勒棱镜起偏器后产生线偏振光，偏振光经过偏振旋转器6后再经过5×显微物镜的扩束器7，使水下目标物8恰好被全部照亮，目标物8的反射或散射光经检偏器10后由高频CCD摄像机11探测。旋转偏振片6的透光轴是AO轴，步进电机12控制旋转频率，使得四个标定的透光方向AO、BO、CO和DO依次经过X轴。高频CCD摄像机11记录进入CCD的动态光强的变化，形成空间物体某波长处的强度变化图。检偏器10的外圈有4个触发孔2，排列在四个标定的透光方向上。红外探测器9发出平行于系统z轴的红外光，当旋转的触发孔恰好处于光路上时，红外探测器9接收到光信号，将图像送入计算机中进行异或图像算法处理(异或图像算法为现有技术)。触发孔2按顺时针方向旋转，系统清零后，触发孔A对准光路，此后B、C、D依次对准光路。

抓取的五个偏振方向的光强图像依次为I_0°，I_30°，I_45°，I_60°，I_90°形成强度灰度图像。图像上每一像素记录空间物体某波长处的辐射被旋转偏振片调制的结果，选取四个偏振方向的强度值可计算出目标背景的偏振参量，进而计算得到相应像素对应的空间某波长处的偏振度和偏振角，形成偏振度和偏振角灰度图像。

本发明的实验结果及分析：

实验采用半导体激光器作为照明光源，照明目标为白色打印纸片、1分硬币和纸片上的铅笔涂层(长方形)。实验采集了不加偏振片时自然光下的目标图像(强度图)以及加偏振片且起偏器透光方向和检偏器透光方向夹角分别为0°、30°、45°、60°、90°时共6幅目标的图像，实验图像如图3所示，分别为(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)六幅图像。

图3(a)目标图像与背景图像对比度较小，细节不清晰。比较(b)、(c)、(d)三幅偏振图像可以看出，随着偏振夹角增加硬币逐渐变暗。(d)是偏振夹角为45°时所成的偏振图像，长方形涂层的轮廓已显现出来。(f)是偏振夹角为90°时所成图像，硬币已完全变暗，且硬币和铅笔涂层的轮廓均非常清晰，成像效果明显好于强度图。其原因为：当激光照射在硬币上时，以反射光和单次散射光为主，而反射光和单次散射光的偏振度较大，当两个偏振片相互平行时，透射光最强，此时硬币最亮；当两个偏振片相互垂直时，透射偏振光强度最小，此时硬币灰度降低。白纸基本上完全退偏，无论两个偏振片相互之间夹角多大，都有多次散射光透射出来，并且透射光基本保持不变。所以这一光强度基本不变的背景衬托出硬币和涂层灰度的变化。综合以上可以看出，退偏振小的物体(硬币)明暗变化明显；目标(涂层)和背景(纸片)对入射线偏振光退偏振的差异导致在90°时涂层较不加偏振时明显变暗，而纸片变化较小，所以提高了成像对比度。正是因为不同的目标具有不同的偏振特性，所以偏振探测成为目标识别的有力手段。

根据以上由实验获得的强度图像和偏振图像，可以看出附图3中的(b)、(c)、(d)、(e)和(f)五幅图像中，虽然背景光被完全消除了，但同时目标的反射光也被很大程度地滤除掉了，影响了成像效果，这是我们所不希望看到的情况。所以为了滤除背景散射光，同时又不影响成像效果，本文根据理论公式，利用图像融合技术，选取偏振方向为0°，45°和90°的偏振图像，计算了目标的Stokes图像和偏振度及偏振角图像，具体参照附图4。其中I、Q、U和偏振度图像分别为Stokes参量的I、Q、U分量与偏振度值组成的图像。

可以看出：利用图像融合技术计算得到的目标物的Stokes图像压缩了背景的信号，但是效果不明显。计算得到的目标的偏振度图像，如(d)图，极大地压缩了杂乱背景信号，而目标物反射光压缩较小，效果明显好于直接探测得到的强度图像和偏振图像，这为进一步目标探测和识别提供了方便。所以综合利用偏振探测技术和图像融合技术压缩杂乱背景信号，使得复杂背景下的目标检测和识别成为可能。

实验采用激光作为照明光源，获取了目标的强度图像和不同偏振夹角情况下的偏振图像，并对强度图像和不同偏振夹角的偏振图像进行了对比分析。结果显示：偏振成像技术可以提高目标成像的对比度；相对于退偏振强的目标，退偏振弱的目标图像亮度变化明显。所以偏振成像技术可以有效地提高目标探测和识别效率。偏振成像可以利用不同目标退偏振的差异消除背景光的干扰，提供了从杂乱背景中识别目标的手段，较光强识别目标的方法具有明显优势。

Claims (5)

1.一种基于偏振识别的水下摄像系统，其特征是：包括水下光源、偏振调制部分和图像采集及处理部分；所述的水下光源包括半导体激光器(3)、滤光片(4)、起偏器(5)、偏振旋转器(6)和扩束器(7)，半导体激光器(3)所发的激光光束经滤光片(4)滤光后，再经起偏器(5)变为偏振光，该偏振光经偏振旋转器(6)和扩束器(7)后变为偏振方向可调的线偏振光；

所述偏振调制部分包括检偏器(10)、步进电机(12)、步进电机控制器(13)和红外探测器(9)；所述图像采集及处理部分包括高频CCD摄像机(11)、图像采集系统(14)和计算机(15)；

水下的目标物(8)经所述的线偏振光照射后，其反射光射入偏振调制部分，首先进入由步进电机(12)控制的检偏器(10)，经检偏器(10)出射后的光束被高频CCD摄像机(11)采集后和红外探测器(9)的信号同步送入计算机(15)进行异或图像算法处理。

2.根据权利要求1所述的基于偏振识别的水下摄像系统，其特征是：所述的偏振旋转器(6)为扭转向列型液晶旋转偏振器，通过控制可以对偏振旋转角度进行精确控制，可以快速旋转线偏振光束的偏振方向。

3.根据权利要求1所述的基于偏振识别的水下摄像系统，其特征是：所述的检偏器(10)的外圈(1)上设有多个触发孔(2)，排列在多个标定的透光方向上。

4.根据权利要求1所述的基于偏振识别的水下摄像系统，其特征是：所述的红外探测器(9)由红外发射端和接收端两部分组成。

5.一种基于偏振识别的水下摄像方法，其特征是：由半导体激光器(3)所发的激光光束经滤光片(4)滤光后，再经起偏器(5)变为偏振光，该偏振光经偏振旋转器(6)和扩束器(7)后变为偏振方向可调的线偏振光；水下的目标物(8)经所述的线偏振光照射后，其反射光射入偏振调制部分，首先进入由步进电机(12)控制的检偏器(10)，经检偏器(10)出射后的光束被高频CCD摄像机(11)采集后和红外探测器(9)的信号同步送入计算机(15)处理。

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