CN103389075A - 基于可见光偏振成像的实时非接触水面波纹测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于可见光偏振成像的实时非接触水面波纹测量方法，首先利用偏振成像系统获取水面反射光的多偏振态图像，根据多偏振态图像计算反射光的偏振度和偏振方位角；然后利用偏振度，结合菲涅尔定律计算出入射至水面光线的入射角；最后基于偏振方位角和入射角，计算水面微面元的法向量。本发明方法为非接触成像测量，避免测量方法影响水面波纹，测量时不需要事先在水下放置靶标或模板等，适用于机载水下成像图像校正的实际需求；同时，能够实时给出水面波纹的二维空间坡度分布，便于机载水下成像的图像校正。

Description

基于可见光偏振成像的实时非接触水面波纹测量方法

技术领域

本发明涉及水面波纹测量技术领域，具体涉及一种基于可见光偏振成像的实时非接触水面波纹测量方法。 

背景技术

海浪和水面波纹的观测很早就被人们关注，国内外已研制和采用了多种测波仪器和方法。近年来国内外提出机载水下成像图像的校正问题，水面波纹信息是图像校正中一个必不可少的信息。因此，研究非接触实时水面波纹的测量方法显得尤为重要。 

对测波方法进行分类，从测量范围可分为单点式、多点式、面式，按照传感器位置可分为水面以下、水面附近、水面以上。水面以下的测量方式分为水压式测波仪和声学式测波仪等。水面附近的测量方法分为电阻式探针测量、激光高度计、激光坡度测量、重力式测波仪、色编码波浪测量技术等。水面以上的测量方法又分为航空立体摄影测量、雷达测量、偏振测量。 

激光探针探测波高是在水面上方设置激光测距装置，以一定的频率测量探头与水面的垂直距离，分析所测距离信号的变化规律，得出波浪高度、周期等信息，描述波浪的形态和变化规律。色编码技术用于测量海面波浪坡度，在水下放置色编码板，用颜色编码水面坡度，色编码技术测量方法测试前需要进行色度标定。航空立体摄影测量用激光平行光线照射，拍摄飞机垂直下方的全息照片，通过傅里叶变换透镜形成弗朗和费衍射图像，再利用光电读出器测出波浪的方向和能量。偏振测波利用白天无偏的天空光作为入射光，通过偏振分光成像系统获取水面入射光和反射光偏振方位角的关联，从而推断出视场中图像 的瞬时二维偏振度和偏振方位角。偏振测波利用白天无偏的天空光作为入射光，通过偏振分光成像系统获取水面反射光的顺势二维偏振度和偏振方位角信息，进一步利用向量运算和菲涅尔定律演算出水面波纹的瞬时二维坡度。 

现有的水面波纹测量技术中：电阻式探针测量属于接触式测量，测量过程会影响水面波纹的原有形状；激光高度计/激光坡度计通过分析测量探头与水面的垂直距离，得出波浪高度、周期等信息，不能实时给出水面波纹的空间二维分布；色编码技术虽能给出水面波纹的空间二维分布，但是需要在水下放置色编码板，这在实际的海面波浪测量中不适用；航空立体摄影测量只能给出波浪的方向和能量，不能实时给出水面波纹的空间二维分布。 

综上所述，现有的水面波纹测量方法存在影响水面波纹形状、不能实时提供空间二维分布的问题，因此实现水面波纹非接触实时的测量是一个亟待解决的问题。 

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，为了解决实时提供水面波纹空间二维分布的问题，提出一种基于可见光偏振成像的实时非接触水面波纹测量方法。 

本发明方法是通过下述技术方案实现的： 

一种基于可见光偏振成像的实时非接触水面波纹测量方法，其具体实施步骤如下： 

步骤一、利用偏振成像系统获取水面反射光的多偏振态图像，根据多偏振态图像计算反射光的偏振度DOLP和偏振方位角Ψ； 

步骤二、利用偏振度DOLP，结合菲涅尔定律计算出入射至水面光线的入射角θ_i； 

步骤三、基于偏振方位角Ψ和入射角θ_i，计算水面微面元的法向量n_W； 

该步骤的具体过程为： 

(1)以偏振成像系统的光学主点为坐标原点O，以偏振成像系统中CCD的行方向和列方向分别为X轴和Y轴，并以光轴方向为Z轴，建立偏振成像系统坐标系O-XYZ； 

设定入射光线由水面微面元进行反射；定义入射光和反射光所在平面为反射面，且入射光线与反射光线在水面微面元上的交点为A；定义反射光线与偏振成像系统上像面的交点为D，定义反射面与像面的交线与像面下边界线的交点为B； 

(2)计算直线AO的方向向量n_AO，基于偏振方位角Ψ计算直线BD的方向向量n_BD，然后根据n_AO和n_BD计算反射面的法向量n_R； 

(3)根据入射角θ_i、直线AO的方向向量n_AO、反射面的法向量n_R和入射光的方向向量n_i，计算出水面微面元的法向量n_W； 

步骤四、根据步骤三计算的水面微面元的法向量n_W求解水面波纹坡度，实现水面波纹非接触实时测量。 

进一步地，所述的同时偏振成像模块采用无偏泛光照明，4通道偏振成像系统对水面反射光成像。 

有益效果： 

(1)本发明方法为非接触成像测量，避免测量方法影响水面波纹。 

(2)测量时不需要事先在水下放置靶标或模板等，适用于机载水下成像图像校正的实际需求；同时，能够实时给出水面波纹的二维空间坡度分布，便于机载水下成像的图像校正。 

附图说明

图1为本发明偏振成像示意图 

图2为本发明水面微面元反射光偏振特性示意图 

图3为本发明流程图 

图中：1-水体，2-水面，3-偏振成像仪器，4-偏振态图像。 

具体实施方式

如图3所示，本发明基于可见光偏振成像的实时非接触水面波纹测量方法，该方法的基本实施过程如下： 

步骤一、偏振成像系统获取水面反射光的多偏振态图像，根据多偏振态图像计算反射光的偏振度DOLP和偏振方位角Ψ。 

无偏泛可见光入射到水面，同时4通道偏振成像系统对水面反射光(即水面对无偏泛可见光的反射光)成像，一次曝光获取反射光同一状态的4幅不同偏振态图像数据I₁、I₂、I₃、I₄；依据4通道偏振成像系统的仪器矩阵A，4幅不同偏振态图像数据I₁、I₂、I₃、I₄分别计算得到表征水面反射光偏振信息的斯托克斯矢量S₁、S₂、S₃、S₄如式(1)： 

$\left[\begin{array}{c}{S}_1\\ S_2\\ S_3\\ S_4\end{array}\right]=A\·\left[\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\\ I_3\\ I_4\end{array}\right]---\left(1\right)$

依据水面反射光偏振信息的斯托克斯矢量S₁、S₂、S₃、S₄计算偏振度DOLP和偏振方位角Ψ数据，如式(2)、(3)。 

$\mathrm{DOLP}=\frac{\sqrt{S_2^2+S_3^2}}{S_1}---\left(2\right)$

$\mathrm{\Ψ}=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left(\frac{S_3}{S_2}\right)---\left(3\right)$

步骤二、利用步骤一中的偏振度DOLP数据，结合菲涅尔定律计算出入射角θ_i，如式(4)： 

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{DOLP}=\left|\frac{{\cos }^2({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_t)-{\cos }^2({\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_t)}{{\cos }^2({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_t)+{\cos }^2({\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_t)}\right|\\ \sin {\mathrm{\θ}}_i=n\sin {\mathrm{\θ}}_t\end{array}\right.---\left(\text{4}\right)$

其中n为水的折射率。根据式(4)求得入射角θ_i的解有两个，本发明中入射光(无偏泛可见光)和反射光的夹角满足θ_i+θ_t＜2θ_i＜w+90°，将其与式(4)结合即可确定入射角的θ_i的唯一解，如式(5)： 

其中w为偏振成像系统的半视场角，θ_i为折射角。 

步骤三、基于偏振方位角Ψ和入射角θ_i，计算水面微面元的法向量n_W。具体过程为： 

(1)如图2，以O偏振成像系统的光学主点为坐标原点，以偏振成像系统CCD的行方向和列方向分别为X轴和Y轴，并以光轴方向为Z轴，建立偏振成像系统坐标系O-XYZ。空间内存在水面微面元、反射面和像面，设定入射光线由水面微面元进行反射即反射面与水面微面元两平面相互垂直；定义入射光和反射光所在平面为反射面，且入射光线与反射光线在水面微面元上的交点为A；定义反射光线与偏振成像系统上像面的交点为D，定义反射面与像面的交线与像面下边界线的交点为B；像面的平面方程为z＝-f，其中f为光学系统焦距。 

(2)计算直线AO的方向向量n_AO，基于偏振方位角Ψ计算直线BD的方向向量n_BD，然后根据n_AO和n_BD计算反射面的法向量n_R。 

点A、O、D均位于反射光上故三点共线，由D(u，v，-f)和O(0，0，0)的坐标已 知，故可以求得直线AO的方向向量n_AO如式(6)： 

$n_{\mathrm{AO}}={[x_{\mathrm{AO}},y_{\mathrm{AO}},z_{\mathrm{AO}}]}^T={[\frac{u}{\sqrt{u^2+v^2+{(-f)}^2}},\frac{v}{\sqrt{u^2+v^2+{(-f)}^2}},\frac{-f}{\sqrt{u^2+v^2+{(-f)}^2}}]}^T---\left(6\right)$

其中，D点坐标(u，v，-f)满足u＝(i-1)×wpixel，v＝(j-1)×hpixel，其中(i，j)为像素坐标，wpixel为成像器件单个像元的宽度，hpixel为成像器件单个像元的高度。 

直线BD为反射面与像面的交线，像面垂直于Z轴，BD与X轴正方向的夹角为Φ且Φ与偏振方位角Ψ满足Φ＝Ψ+90°，故根据步骤一中求得的偏振方位角Ψ可求得直线BD的方向向量n_BD如式(7)： 

n_BD＝[x_BD，y_BD，z_BD]^T＝[cosΦ， sinΦ， 0]^T＝[-sinΨ， cosΨ， 0]^T    (7) 

直线AO、BD均在反射面内且AO和BD相交于D点，由两条相交直线即可确定反射面的法向量n_R，如式(8)： 

n_R＝n_AO×n_BD          (8) 

(3)根据入射角θ_i、直线AO的方向向量n_AO、反射面的法向量n_R和入射光的方向向量n_i，计算出水面微面元的法向量n_W。 

由于反射面与水面微面元两平面相互垂直，所以两平面的法向量n_W与n_R相互垂直，且水面微面元的法向量n_W与AO的夹角为θ_i，因此水面微面元的法向量n_W满足式(9)： 

$\left\{\begin{array}{c}{n}_W\·n_{\mathrm{AO}}=\left|n_W\right|\left|n_{\mathrm{AO}}\right|\cos {\mathrm{\θ}}_i\\ n_W\·n_R=0\\ \left|n_W\right|=1\end{array}\right.---\left(9\right)$

根据式(9)求得水面微面元的法向量n_W的解有两个。 

由于光轴的方向向量z＝[0，0，1]^T，水面微面元的法向量n_W与光轴的方向向量z夹角为钝角，故两向量点乘之积小于零，如式(10)： 

n_W·z＜0          (10) 

记入射光的方向向量为n_i＝[x_i，y_i，z_i]^T，入射光、反射光和水面微面元法线均位于反射面内即位于同一平面内，且入射光和反射光关于法线对称，因此入射光的方向向量n_i、反射光AO的方向向量n_AO和水面微面元的法向量n_W满足式(11)、(12)： 

$\frac{n_{\mathrm{AO}}-n_i}{|n_{\mathrm{AO}}-n_i|}=\±n_W---\left(11\right)$

$\frac{z_{\mathrm{AO}}-z_i}{|n_{\mathrm{AO}}-n_i|}=\±z_W---\left(12\right)$

可见光光线从介质表面上方向下入射，因此z_i≥0，故满足式(13)： 

$z_i=z_{\mathrm{AO}}\stackrel{\‾}{+}{z}_W\·|n_{\mathrm{AO}}-n_i|\≥0---\left(13\right)$

根据限定条件式(11)和式(13)结合式(9)可以确定水面微面元法向量n_W的唯一解如式(14)： 

$\left\{\begin{array}{c}{n}_W\·n_{\mathrm{AO}}=\left|n_W\right|\left|n_{\mathrm{AO}}\right|\cos {\mathrm{\θ}}_i\\ n_W\·n_R=0\\ \left|n_W\right|=1\\ n_{\mathrm{AO}}-n_i=\±n_W|n_{\mathrm{AO}}-n_i|\\ z_i=z_{\mathrm{AO}}\stackrel{\‾}{+}{z}_W\·|n_{\mathrm{AO}}-n_i|\≥0\end{array}\right.---\left(14\right)$

由此水面微面元法向量n_W确定。 

步骤四、对曲面，设曲面高度为h(x，y)，则曲面坡度

曲面法向量水面微面元为曲面，水面微面元法向量n_W＝[x_W，y_W，z_W]^T已在步骤三求得，利用曲面坡度

与曲面法向量 

间关系式可求得水面微面元坡度s_W＝[-x_W，-y_W]^T，由此可以建立水面波纹的法向量和水面波纹坡度的定量关系，实现了对水面波纹坡度的非接触实时测量。 

Claims (2)

1.一种基于可见光偏振成像的实时非接触水面波纹测量方法，其特征在于，具体实施步骤如下：

步骤一、利用偏振成像系统获取水面反射光的多偏振态图像，根据多偏振态图像计算反射光的偏振度DOLP和偏振方位角Ψ；

步骤二、利用偏振度DOLP，结合菲涅尔定律计算出入射至水面光线的入射角θ_i；

步骤三、基于偏振方位角Ψ和入射角θ_i，计算水面微面元的法向量n_W；

该步骤的具体过程为：

(1)以偏振成像系统的光学主点为坐标原点O，以偏振成像系统中CCD的行方向和列方向分别为X轴和Y轴，并以光轴方向为Z轴，建立偏振成像系统坐标系O-XYZ；

设定入射光线由水面微面元进行反射；定义入射光和反射光所在平面为反射面，且入射光线与反射光线在水面微面元上的交点为A；定义反射光线与偏振成像系统上像面的交点为D，定义反射面与像面的交线与像面下边界线的交点为B；

(2)计算直线AO的方向向量n_AO，基于偏振方位角Ψ计算直线BD的方向向量n_BD，然后根据n_AO和n_BD计算反射面的法向量n_R；

(3)根据入射角θ_i、直线AO的方向向量n_AO、反射面的法向量n_R和入射光的方向向量n_i，计算出水面微面元的法向量n_W；

步骤四、根据步骤三计算的水面微面元的法向量n_W求解水面波纹坡度，实现水面波纹非接触实时测量。

2.如权利要求1所述的一种基于可见光偏振成像的水面波纹坡度非接触实时测量方法，其特征在于，所述的同时偏振成像模块采用无偏泛光照明，4通道偏振成像系统对水面反射光成像。

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