CN102230884A

CN102230884A - 基于偏振测量的路面积水积冰检测方法及其装置

Info

Publication number: CN102230884A
Application number: CN2011100768046A
Authority: CN
Inventors: 李勃; 顾昊; 张潇; 江登表; 董蓉; 吴聪; 郁健; 陈启美
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2011-11-02

Abstract

基于偏振测量的路面积水积冰检测方法及其装置，在路况摄像机的CCD图像传感器前固定一片透射方向为水平的偏振片，偏振片前设置一块TN型液晶，对应TN型液晶设有控制电压电路，所述控制电压电路用于对TN型液晶提供电场，利用光的偏振特性，由路面反射光的偏振光检测路面的积水积冰情况。本发明方法可以直接应用在联网监控的摄像机上，直接在现有路测摄像机上推广使用，改装简便、费用低，对原系统无影响并可融入原监控网络，并且工作稳定、检测范围广、检测准确，具有极大的应用价值。

Description

基于偏振测量的路面积水积冰检测方法及其装置

技术领域

本发明涉及光学检测，用于路面状态检测，为一种基于偏振测量的路面积水积冰检测方法及其装置。

背景技术

道路的表面是否有积水积冰对安全运输影响甚大。传统路况监测仪利用红外线或微波等在干燥路面和冰雪路面吸收率不同的原理进行路面状态检测，取样空间受限，同时价格昂贵，不能沿路段大范围布设，难以反映整条路段真实状况；Hiroshi FUKUI与Junichi TAKAGI等提出使用图像处理的方法(Hiroshi Fukui，Junichi Takagi，YoshiroMurata and MasashiTakeuchi.An Image Processing Method To Detect RoadSurfaceCondition Using Optical Spatial Frequency[J].IEEEConference on Intelligent TransportationSystem，1997：1005-1009.)，利用监测图像的最大全宽和空间频率分布区分不同的路面状况，不过这一方法需要有人工光源作为辅助，只能在夜间使用，且光源和CCD摄像机位置固定，探测范围小，难以推广使用；Muneo Yamada和Koji Ueda等提出对路面反射光进行水平和垂直两个方向的偏振测量以检测路面状态(M.Yamada，K.Ueda，I.Horibaand N.Sugie.Discriminationof the road condition toward understanding of vehicle driv-ingenvironments[J].IEEE Transactions on Intelligent Trans-portation Systems，2001，2(1)：26-31.)，给出了路面状态监测的新思路，但并未进行完善的理论分析，也没有提出可行的测量方案。

路面偏振状态测量至今尚无特别完善的方案。若人工旋转偏振片，则只能做理论实验，难于应用；若采用步进电机旋转偏振片，则设备复杂昂贵、易造成抖动误差，长期使用易导致偏振片与摄像机主光轴偏移；若使用双摄像机或多摄像机同时曝光，后期进行图像配准，则运算较为复杂，开发测试难度大；Yuukou Horita和Keiji Shibata等使用一种巧妙的光学系统将垂直偏振图像和水平偏振图像成像在摄像机的不同位置(YuukouHorita，Keiji Shibata，Kei Maeda，Yuji Hayashi.Omni-directional Polarization Image SensorBased on an Omni-directional Camera and a Polarization Filter[C].Sixth IEEE InternationalConference on Advanced Video and Signal Based Surveillance，2009：280-285.)，但该设备需要特殊的光学设备，成像范围和效果也不如人意，难以应用在现有监控设施下；若使用半透半反射片将光线分为均等的两部分，则需要复杂的光学系统和双倍数量的摄像机，也难于大范围使用。

发明内容

本发明要解决的问题是：现有的路面积水积冰检测的检测范围小，检测装置价格昂贵，或者是检测装置、方法复杂的问题，需要一种简单易实现，工作稳定，成本适宜，检测范围广的路况检测方法。

本发明的技术方案为：基于偏振测量的路面积水积冰检测方法，在路况摄像机的CCD图像传感器前固定一片透射方向为水平的偏振片，偏振片前设置一块TN型液晶，对应TN型液晶设有控制电压电路，所述控制电压电路用于对TN型液晶提供电场，利用光的偏振特性，由路面反射光的偏振光检测路面的积水积冰情况：

对TN型液晶施加电场时，液晶分子规则排列，所有光线正常通过，积水积冰路面反射的水平偏振光通过偏振片，在摄像机获取的画面中，积水积冰路面表现出明显的亮度；

撤销电场时，即TN型液晶无外加电场时，液晶分子扭曲排列，积水积冰路面反射的水平偏振光通过液晶后偏振方向被扭转90度，偏振光被翻转到垂直方向，由水平偏振片滤除，此时积水积冰路面在摄像机获取的画面中表现出很小的光强；

正常路面的反射光在上述两种状态下，在摄像机获取的画面中相同；

通过对TN型液晶的电场控制，比较TN型液晶有无电场下摄像机获取的画面，存在亮度变化的部分则为积水积冰路面，由此来检测路面的积水积冰情况。

进一步的，设置与路面成53度入射角的光源，用于夜间的路面积水积冰检测。

作为优选，对摄像机所获取的图像进行处理，包括差分、滤波、二值化操作，再比较得出路面状态划分。

上述方法的检测装置，在路况摄像机的CCD图像传感器前固定一片透射方向为水平的偏振片，偏振片前设有一块TN型液晶，对应TN型液晶设有控制电压电路，所述控制电压电路用于对TN型液晶提供电场。

本发明方法可以直接应用在联网监控的摄像机上，直接在现有路测摄像机上推广使用，改装简便、费用低，对原系统无影响并可融入原监控网络，并且工作稳定、检测范围广、检测准确，具有极大的应用价值。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为反射光偏振度与入射角的关系图。

图3为积水积冰路面与正常路面的反射状况示意图。

图4为路面反射光总的状态示意图。

图5为本发明装置的结构示意图。

图6为本发明检测时，外加电场下路面光线的变化情况示意图。

图7为本发明检测时，无外加电场下路面光线的变化情况示意图。

具体实施方式

如图1，本发明在路况摄像机的CCD图像传感器前固定一片透射方向为水平的偏振片，偏振片前设置一块TN型液晶，对应TN型液晶设有控制电压电路，所述控制电压电路用于对TN型液晶提供电场，利用光的偏振特性，由路面反射光的偏振光检测路面的积水积冰情况，撤消对TN型液晶的电场，摄像机获取水平偏振状态的图像，对TN型液晶外加电场，摄像机采集垂直偏振方向的图像。通过对TN型液晶的电场控制，比较TN型液晶有无电场下摄像机获取的画面，存在亮度变化的部分则为积水积冰路面，由此来检测路面的积水积冰情况。

人类的视觉系统能够通过色彩和亮度的形式感受到光的频率和强度特征，但对于光的另一基本特征——偏振特性却无法直接感知。因此传统的图像处理和理解过程都是基于强度和频率域的信号处理，只能对目标的轮廓、类别等做一些初步的分析和判断，不能理解目标的材质和细节特征。

光作为一种电磁波，具有横波的偏振特性，而反射面材料的导电特性和光滑程度的差异将引起光偏振特性的差异。一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。对入射某一平面的电矢量E而言，可以分解为垂直于入射面的分量E_s和平行于入射面的分量E_p。

根据Fresnel反射模型，反射电矢量的两个分量可以表示为：

E_{p}^{,} = \frac{\tan (θ_{1} - θ_{2})}{\tan (θ_{1} + θ_{2})} E_{p}

E_{s}^{,} = \frac{\sin (θ_{1} - θ_{2})}{\sin (θ_{1} + θ_{2})} E_{s} - - - (1)

其中θ₁，θ₂表示入射角和折射角，其关系可以由Fresnel公式算出，参见文献：梁铨廷.物理光学[M].北京：电子工业出版社，2008.。显见E’_p和E’_s强度不相等，且E’_s＞E’_p，反射光表现出平行于路面的线偏振特性。当入射角增加时，E’_p分量急剧下降，尤其是

时，入射角为布儒斯特角，E’_p分量为0，反射光只有E’_s方向的分量，是完全偏振光。在其他角度下，反射光的线偏振度为

其中

以水为例，其折射率为1.3333，绘制出图2所示的反射光偏振度-入射角关系图，显见对任意入射角，其反射光均具有偏振度。当入射角小于20度或者大于80度时，检测效果会受一定的干扰影响，而对于我国的地理位置，正常太阳高度对应的入射角具有较大的偏振度，自然光入射角小于20度的情况很少出现，有也是正午，路面基本不会出现结冰等恶劣路况；入射角大于80度为晨昏时间或无自然光源的夜间时间，可以使用人工光源作为辅助，使光源对路面成53度入射角(布儒斯特角)实现检测。

如图3所示，当路面覆盖有积水或积冰的时候，其表面光滑，发生镜面反射，得到如上所述的偏振光；而正常路面发生漫反射，由于其表面粗糙，入射角不固定，故反射光具有各个方向的振动，从统计特性上不具有偏振性(都安平.成像偏振探测的若干关键技术研究[D].西安：西北工业大学硕士论文，2006.)，考虑到老化路面趋于光滑，可能会表现出一定的偏振度，但其相对冰水面反射光的偏振度可忽略不计，处理时可当做噪声滤除。

如图4所示，正常路面的反射为非偏振光，积水/冰路面反射为水平方向线偏振光，叠加为部分偏振光进入摄像机。由于其偏振方向为水平，因此水平偏振图像中亮度高而垂直偏振图像中亮度低的部分可判断为有低摩擦系数的介质存在，而正常路面的亮度在两种偏振状态下几乎没有区别。

如图5所示，按照本发明的方法设置检测装置，在摄像机前固定一片透射方向为水平的偏振片，偏振片前设置一块TN型液晶。TN型液晶有如下特点：无外加电场时，液晶分子扭曲排列，通过液晶的偏振光偏振方向被扭转90度，自然光不受影响；外加电场时，液晶分子规则排列，光线正常通过(L.Wolff，T.Mancini，P.Pouliquen，A.Andreou.Liquid crystal polarization camera.IEEE Transactions on Robotics and Automation，1997，13(2)：195-203.)。如图6和图7所示，外加电场时，光滑路面反射的水平偏振光顺利通过偏振片，在摄像机上表现出较大的亮度；而去除电场时，偏振光被翻转到垂直方向，由水平偏振片滤除，在摄像机上表现出很小的光强。而正常路面的反射光在摄像机获取的画面中，两种状态下几乎完全相同。

为达到更好的检测效果，可以对摄像机所获取的图像再进行处理，包括差分、滤波、二值化等操作，再比较得出路面状态划分。

本发明方法可在现有的几乎所有路况检测摄像机上采用，改装简便、费用低，对原系统无影响并可融入原监控网络。

Claims

1.基于偏振测量的路面积水积冰检测方法，其特征是在路况摄像机的CCD图像传感器前固定一片透射方向为水平的偏振片，偏振片前设置一块TN型液晶，对应TN型液晶设有控制电压电路，所述控制电压电路用于对TN型液晶提供电场，利用光的偏振特性，由路面反射光的偏振光检测路面的积水积冰情况：

2.根据权利要求1所述的基于偏振测量的路面积水积冰检测方法，其特征是设置与路面成53度入射角的光源，用于夜间的路面积水积冰检测。

3.根据权利要求1或2所述的基于偏振测量的路面积水积冰检测方法，其特征是对摄像机所获取的图像进行处理，包括差分、滤波、二值化操作，再比较得出路面状态划分。

4.权利要求1-3任一项所述的基于偏振测量的路面积水积冰检测方法的检测装置，其特征是在路况摄像机的CCD图像传感器前固定一片透射方向为水平的偏振片，偏振片前设有一块TN型液晶，对应TN型液晶设有控制电压电路，所述控制电压电路用于对TN型液晶提供电场。