CN105300377B - 基于三象限偏振片的天空偏振模式探测方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于一种天空偏振模式探测系统。技术方案是：包括镜头，三象限偏振片，手持式光场相机，其特征在于，三象限偏振片位于镜头光圈所在平面，由三个材料相同的偏振片组成。其中，相邻两个偏振片的偏振方向之间的夹角为60°。利用本发明提供的探测系统实现天空偏振模式的探测，解决现有方法在天空偏振模式探测时要么因需要多次测量而使得系统实时性差，要么因需要多套测量单元而导致系统结构复杂的问题。

Description

基于三象限偏振片的天空偏振模式探测方法与系统

技术领域

本发明的应用属于天文导航技术领域，涉及一种利用三象限偏振片和手持式光场相机探测天空偏振模式的方法与系统。

背景技术

利用天空光的偏振分布信息可以进行导航，它具有抗干扰能力强、成本较低等特点。为实现精确的天空偏振光导航，需要准确探测天空在较大视场范围内的偏振度和偏振化方向角信息。通常把偏振度和偏振化方向角信息一起称为偏振模式。目前用于大视场天空偏振模式探测的方法主要有两种，分别是基于光电二极管的方法和相机成像的方法。基于光电二极管的方法需要很多个光电二极管指向不同的天区测量，因而系统结构复杂，实现也较为困难。相机成像的方法借助于广角镜头可对大视场的天空区域直接成像，但是为了测量偏振模式需要获得多幅不同偏振方向下的天空图像，这往往需要通过一个相机多次拍摄或者多个相机同时拍摄两种途径来实现，前一实现途径实时性不强，后一实现途径会导致系统结构复杂。

总之，在实现大视场天空偏振模式探测时，现有的方法要么实时性差，要么系统结构复杂。手持式光场相机的出现为实现经过一次成像即可测量大视场天空偏振模式提供了可能。手持式光场相机是一种在普通相机的光敏感元件前安装有微透镜阵列的新型成像器件，它由华裔科学家Ren Ng于2005年发明。由于微透镜阵列的存在，手持式光场相机在对天空拍摄时每个微透镜都将某个特定视点下的天区成像为弥散光斑。将该弥散光斑按照不同区域分割利用，实现天空同一视点不同偏振方向下图像的获取，则可达到一次成像即完成大视场 天空偏振模式探测的目的。

发明内容

发明要解决的技术问题是：本发明基于一种天空偏振模式探测系统，提供一种天空偏振模式探测方法。本发明通过单个手持式光场相机对大视场天空的一次成像，即实现了天空偏振模式的探测，用于解决现有方法在天空偏振模式探测时要么因需要多次测量而使得系统实时性差，要么因需要多套测量单元而导致系统结构复杂的问题。

本发明的技术方案一是：

一种天空偏振模式探测系统，包括镜头，三象限偏振片，手持式光场相机，其特征在于，三象限偏振片位于镜头光圈所在平面，由三个材料相同的偏振片组成。其中，相邻两个偏振片的偏振方向之间的夹角为60°。

本发明的技术方案二是：

一种天空偏振模式探测方法，利用技术方案一提供的天空偏振模式探测系统，具体包括下述步骤：

第一步，利用天空偏振模式探测系统拍摄一幅天空图像，并将天空图像的灰度值转化为目标辐射的光强值。

第二步，获得天空偏振度和偏振化方向角。

设天空偏振模式探测系统中手持式光场相机的微透镜阵列包括M行、N列微透镜；任意微透镜Len_m,n对应的成像圆斑中心的像素在图像坐标系下的坐标为(X_m,n，Y_m,n)，其中第一个坐标元素表示像素在图像中的行序号，第二个坐标元素表示像素在图像中的列序号。图像坐标系约定如下：图像左上角为坐标系的原点，图像中竖直向下的方向为第一个坐标元素的正向，图像中水平向右的方向为第二个坐标元素的正向。成像圆斑半径为d个像素，其中d≥5， 1≤m≤M，1≤n≤N。本发明中所有微透镜的焦距相同，尺寸相同，成像圆斑半径也相同。

利用下式计算微透镜E_m,n对应的天区偏振度P_m,n和偏振化方向角θ_m,n：

(公式一)

公式一中，I_0°表示天空图像中所有与像素点(X_m,n-D，Y_m,n)的距离小于等于个像素的像素点的光强平均值；其中，[]表示四舍五入取整。

公式一中，I_60°表示天空图像中所有与像素点的距离小于等于个像素的像素点的光强平均值。其中，[]表示四舍五入取整。

公式一中，I_120°表示天空图像中所有与像素点的距离小于等于个像素的像素点的光强平均值。

对所有的微透镜Len_1,1,...Len_m,n...,Len_M,N按照上述方法进行计算，从而得到所有微透镜对应视角的天区偏振度矩阵P(P_1,1,...P_m,n,...P_M,N)和偏振化方向角矩阵θ(θ_1,1,...θ_m,n,...θ_M,N)。偏振度矩阵P和偏振化方向角矩阵θ即为需要的天空偏振模式测量结果。

本发明的有益效果是：利用手持式光场相机和在光圈位置加入三象限偏振片的镜头，通过对大视场天空的一次拍摄即得到一幅在任意视角下均包含三个偏振方向的天空图像，进而通过对获取图像的处理计算出天空任意视角的偏振度和偏振化方向角信息。因此，本发明通过单个相机对大视场天空的一次成像 即实现了天空偏振模式的探测，解决了现有方法应用于天空偏振模式探测时实时性差和系统结构复杂的问题。

附图说明

图1为本发明提供的天空偏振模式探测系统原理示意图；

图2为具体实施流程图；

图3为三象限偏振片实物图；

图4为在镜头光圈处插入三象限偏振片的鱼眼镜头实物图；

图5为天空偏振模式探测系统实物图；

图6为室内实验场景图；

图7为天空偏振模式探测系统在对液晶显示器一次拍摄时获取的图像；

图8为图7局部放大的结果；

图9为液晶显示器的偏振化方向角分布的测量结果；

图10为液晶显示器的偏振度分布的测量结果；

图11为天空偏振模式探测系统获得的天空图像；

图12为晴朗天空的偏振度分布的测量结果；

图13为晴朗天空的偏振化方向角分布的测量结果。

具体实施方式

以下将结合说明书附图对本发明做进一步详细说明。

图1为本发明提供的天空偏振模式探测系统(以下简称系统)原理示意图。如图所示，系统包括镜头1，三象限偏振片3，手持式光场相机6。为了尽可能的获得较大的对天空成像范围，镜头1在本实施实例中建议选用视场角达到180°的鱼眼镜头。三象限偏振片3位于镜头1的光圈2所在位置。三象限偏振片3包括第一偏振片7，第二偏振片8和第三偏振片9。三象限偏振片3为圆形， 第一偏振片7、第二偏振片8和第三偏振片9是三个位于同一平面的形状为扇形且尺寸相同的偏振片，每个扇形的张角均为120°，其中双向箭头指示了它们各自的偏振方向，第一偏振片7和第二偏振片8的偏振方向之间的夹角为60°，第二偏振片8和第三偏振片9的偏振方向之间的夹角为60°，第三偏振片9和第一偏振片7的偏振方向之间的夹角也为60°。需要说明的是，各偏振方向并不需要像图1所示的均指向圆心，只需要满足相互夹角为60°这一个条件即可。微透镜阵列4位于镜头1和相机的感光面5之间，微透镜阵列4由许多焦距相同，尺寸相同的微透镜排列而成，见微透镜阵列细节放大图13。微透镜阵列细节放大图13是微透镜按照正方形排布的结果，实际应用时也可以设计为按照六边形蜂窝状排布以更高效的利用相机的感光面5的空间。微透镜阵列4和相机的感光面5组合在一起构成了手持式光场相机6。关于手持式光场相机结构的详细介绍参见Ren Ng的博士学位论文《Digital light field photography》。为了方便地使用系统，将系统获得的天空图像进行后续处理，可以给系统再连接计算机10。计算机10负责相机控制、图像采集存储、图像处理和数据解算的工作。利用计算机10给手持式光场相机6发送控制信号11，控制信号11的箭头指示信号流向，手持式光场相机6也可以打包向计算机10发送图像数据包12，图像数据包12的箭头指示数据流向。

图2给出了本发明方法的工作流程图，其中第一步中将天空图像的灰度值转化为辐射光强值这一过程又称为相机响应曲线标定，使用Debevec和Malik所提出的方法(1997年ACM SIGGRAPH97会议论文，Recovering high dynamic range radiance maps fromphotographs)，可得到天空偏振模式探测系统拍摄得到的图像灰度值与拍摄目标辐射光强之间满足的光强响应曲线。天空偏振模式探测系统搭建完毕后，只需要在第一次使用的时候实施一次相机响应曲线标定即 可，以后使用时可直接省略该步骤，无需重复标定。在本步骤中手持式光场相机6拍摄一副天空图像时，应注意控制相机的曝光量，以尽可能缩小图像中过曝光或欠曝光区域大小，因为曝光不良的图像会显著降低本发明获取的天空偏振模式的精度。第二步获得天空偏振度和偏振化方向角，该步骤中图像坐标系的定义与《数字图像处理》一书中的定义相同(作者：冈萨雷斯，电子工业出版社2005年出版，第8页)。此外，为了第二步中描述的方便和对应公式的简洁，假定三象限偏振片3固定在相机1的光圈2中时，其中有两个象限的连接缝与相机成像传感器5的竖直方向平行。

图3为我们自行定制加工的三象限偏振片3的实物图，图中白色背景为液晶显示器。由于液晶显示器可认为是完全偏振光，因此放置于液晶显示器前的具有不同偏振方向的三象限偏振片的各个象限显示出了不同的亮度值。

图4为在光圈2处插入三象限偏振片3的镜头1实物，图中白色背景依旧为液晶显示器。使用了双面胶将三象限偏振片3的边缘与镜头1中光圈2的边缘相互粘结固定，以避免实际使用中三象限偏振片3在光圈2中发生相对位置的移动。

图5为天空偏振模式探测系统实物图。

我们利用上述的方法和系统分别开展了室内和室外实验。

室内实验中，我们将液晶显示器作为天空偏振模式探测系统的测量对象。由于液晶固有的特征，液晶显示器发出的光可以认为是完全偏振光。图6为室内实验场景图，图中液晶显示器放置于距离镜头较近的地方，目的是尽可能的将显示器充满相机的成像视场。

图7给出了天空偏振模式探测系统在对液晶显示器一次拍摄时获取的图像。图8为图7局部放大的结果，图8中可以看到，每个微透镜所成的像中有 三个不同的亮度区域，这分别对应了三象限偏振片的三个偏振方向。

图9给出了天空偏振模式探测系统对液晶显示器的偏振化方向角分布的测量结果。图像中的灰度值表示了偏振化方向角的数值，单位是度(°)，可见对于液晶显示器的偏振化方向角的测量结果比较均匀，与真实情况吻合，其数值约为135°，与实际测量得到的液晶显示器真实的偏振化方向角数值吻合。约定沿着显示器竖直边缘向下的方向为0°参考方向，顺时针旋转为负，逆时针旋转为正。图中箭头所指示为液晶显示器的偏振化方向角测量结果数值对应在右侧灰度指示条上的位置。

图10给出了天空偏振模式探测系统对液晶显示器的偏振度分布的测量结果。图像中的灰度值表示了偏振度的数值(偏振度没有单位)，可见对于液晶显示器的偏振度的测量结果同样比较均匀，其数值约为0.9，这与真实情况是较为吻合的。图中箭头所指示为液晶显示器的偏振化方向角测量结果数值对应在右侧灰度指示条上的位置。

室外实验中，我们使用天空偏振模式探测系统对真实的晴朗天空进行了偏振模式测量。测量地点在湖南省长沙市，时间为2015年6月24日下午6点，天气晴朗。天空偏振模式探测系统获得的天空图像如图11所示。天空偏振模式探测系统竖直向上拍摄天空图像，由于镜头的视场角限制，太阳并没有出现在图像中，图中的箭头指示了太阳在图像中所处的方位。

图12给出了天空偏振模式探测系统对晴朗天空的偏振度分布的测量结果，图中的箭头指示了太阳在图像中所处的方位。根据天空偏振模式分布的瑞利散射理论，天空在垂直于天顶与太阳连线的方向上具有最大的偏振度。由此可见，本发明对天空的偏振度测量结果与理论预计吻合的很好。

图13给出了天空偏振模式探测系统对晴朗天空的偏振化方向角分布的测 量结果，图中的箭头指示了太阳在图像中所处的方位。根据天空偏振模式分布的瑞利散射理论，天空在垂直和指向天顶与太阳连线的方向上的偏振化方向角约为90°(假设天顶与太阳连线的方向为0°参考方向)。由此可见，本发明对天空的偏振度测量结果与理论预计吻合的很好。需要说明的是，对于大视场的广角镜头，其渐晕效应较为明显，图12和图13给出的测量结果是建立在首先对拍摄得到的原始图像进行了失光校正的基础上得到的。

Claims (2)

1.一种天空偏振模式探测系统，包括镜头、三象限偏振片、手持式光场相机，其特征在于，三象限偏振片位于镜头光圈所在平面，由三个材料相同且尺寸相同的偏振片组成；其中，相邻两个偏振片的偏振方向之间的夹角为60°。

2.一种天空偏振模式探测方法，利用权利要求1提供的天空偏振模式探测系统，具体包括下述步骤：

第一步，利用天空偏振模式探测系统拍摄一幅天空图像，并将天空图像的灰度值转化为目标辐射的光强值；

第二步，获得天空偏振度和偏振化方向角；

设天空偏振模式探测系统中手持式光场相机的微透镜阵列包括M行、N列微透镜，所有微透镜均相同；任意微透镜Len_m,n对应的成像圆斑中心的像素在图像坐标系下的坐标为(X_m,n，Y_m,n)，其中第一个坐标元素表示像素在图像中的行序号，第二个坐标元素表示像素在图像中的列序号；图像坐标系定义如下：图像左上角为坐标系的原点，图像中竖直向下的方向为第一个坐标元素的正向，图像中水平向右的方向为第二个坐标元素的正向；成像圆斑半径为d个像素，其中d≥5，1≤m≤M，1≤n≤N；

利用下式计算微透镜E_m,n对应的天区偏振度P_m,n和偏振化方向角θ_m,n：

公式一中，I₀表示天空图像中所有与像素点(X_m,n-D，Y_m,n)的距离小于等于k个像素的像素点的光强平均值，其中，[]表示四舍五入取整；

公式一中，I₆₀表示天空图像中所有与像素点的距离小于等于k个像素的像素点的光强平均值；

公式一中，I₁₂₀表示天空图像中所有与像素点的距离小于等于k个像素的像素点的光强平均值；

对所有的微透镜Len_1,1,...Len_m,n...,Len_M,N按照上述方法进行计算，从而得到所有微透镜对应视角的天区偏振度矩阵P＝(P_1,1,...P_m,n,...P_M,N)和偏振化方向角矩阵θ＝(θ_1,1,...θ_m,n,...θ_M,N)；偏振度矩阵P和偏振化方向角矩阵θ即为需要的天空偏振模式测量结果。