CN105352499B - 基于多象限偏振片的天空偏振模式探测方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种天空偏振模式探测系统和探测方法。技术方案一是：天空偏振模式探测系统包括象限数大于等于八的多象限偏振片，手持式光场相机，镜头，多象限偏振片位于镜头的光圈所在平面；多象限偏振片由多个位于同一平面的材料相同的偏振片拼接组成，其中每个偏振片的偏振方向均指向多象限偏振片的中心，或者均垂直于指向多象限偏振片中心的方向。技术方案二是：探测方法包括下述步骤：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。本发明解决了现有方法在天空偏振模式探测时实时性差和系统结构复杂的问题。

Description

基于多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，涉及一种利用象限数大于等于八的多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，包括象限数大于等于八的多象限偏振片，手持式光场相机，镜头，其特征在于，多象限偏振片位于镜头的光圈所在平面。多象限偏振片由多个位于同一平面的材料相同的偏振片拼接组成，其中每个偏振片的偏振方向均指向多象限偏振片的中心，或者均垂直于指向多象限偏振片中心的方向。

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)，成像圆斑半径为D个像素，其中D≥5，1≤m≤M，1≤n≤N。成像圆斑中心像素坐标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。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。

获得天空图像平面上所有与像素点(X_m,n，Y_m,n)的距离小于等于D个像素的图像区 域，该图像区域为圆形，令其为G_m,n。对圆形图像区域G_m,n进行Radon变换，选择Radon变换的 投影角度范围为0度到180度，令Radon变换的投影角度步长为S(S的数值的选择应满足S可 整除90的要求)，则共有个投影角度，记它们所组成的投影角度序列为C，C＝{0,S, 2S,...k×S,...，180},针对该投影角度序列C中的任意一个投影角度k×S，则 存在一个该投影角度的Radon变换结果，它是由2D+1个数值组成的序列，记为R_k，所有投影 角度的Radon变换结果序列记为Ra，查找Ra中任一序 列中的极大值，记为Rmax_k。则针对所有投影角度得到的所有极大值序列在MaxR中查找极大值，结果记为MaxMaxR，对 应该极大值在MaxR中的元素序号记为NmaxR,则有序号为NmaxR的元素 是在投影角度为NmaxR×S的Radon变换结果中得到的，最终有微透镜Len_m,n对应的偏振化方 向角θ_m,n＝NmaxR×S。

在Radon变换结果序列Ra中选取序号为K的元素K的值的确定应判断投影角度θ_m,n的值是否大于90度来定，若大于90度则 若小于90度则在R_K的子序列 中查找极小值，记为MinMinR，其中，[]表示四舍五入取整数。微透镜Len_m,n对应的天区偏振度P_m,n可计算如下：

(公式一)

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象限数大于等于八的多象限偏振片的广角镜头，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多个偏振方向的天空图像，进而通过对获取图像的Radon变换得到天空的偏振度和偏振化方向角信息。因此，本发明基于图像处理的方法，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，解决了现有方法在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为十六象限偏振片实物图；

图4为在镜头光圈处插入十六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为一个微透镜对应成像圆斑的Radon变换结果

图10为液晶显示器的偏振化方向角分布的测量结果；

图11为液晶显示器的偏振度分布的测量结果。

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，象限数大于等于八的多象限偏振片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度的鱼眼镜头。多象限偏振片3位于镜头1的光圈2所在平面。在本实施实例中多象限偏振片3为圆形，共包括十六个象限。各个象限是位于同一平面的形状为扇形且尺寸相同的偏振片，每个扇形的张角相同，张角的角度值与象限的数量有关，假设象限数为A，则张角的角度值为在本实施实例中由于采用了十六象限偏振片，因此每个象限的扇形张角为22.5度。各象限的偏振方向均指向多象限偏振片的中心，或者均垂直于指向多象限偏振片中心的方向。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10。微透镜阵列细节放大图10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 fieldphotography》。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7。计算机7负责相机控制、图像采集存储、图像处理和数据解算的工作。计算机7可以给手持式光场相机6发送控制信号8，控制信号8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7发送图像数据包9，图像数据包9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)。本步骤中，Radon变换中文也称“拉东变换”，是J.Radon发明的一种图像投影方法，文献有对其详细的介绍：J.Radon,P.C.Parks.On the determination of functions from their integralvalues along certain manifolds,IEEE Transactions on Medical Imaging,1986年第五卷第四期，170–176页。

图3为我们自行定制加工的多象限偏振片3的实物图，实际加工时选择了十六个象限。关于多象限偏振片的象限数量选择的问题，数量越多则测量天空偏振模式精度越高，但是相应的加工难度和成本也会显著增加，因此较为合适的象限数量为十六。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十六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所在平面插入多象限偏振片3的镜头1实物，图中白色背景依旧为液晶显示器。使用了双面胶将多象限偏振片3的边缘与镜头1中光圈2 的边缘相互粘结固定，以避免实际使用中多象限偏振片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开展了室内的验证性实验。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多个不同的亮度区域，这分别对应了多象限偏振片的不同偏振方向，各个亮度不同的区域组合在一起形成了规律明显的亮度明暗变化的图样。

图9给出了某一个微透镜对应成像圆斑的Radon变换结果，图中横坐标表示投影角度值(单位为度)，纵坐标对应了任意一个投影角度下Radon变换结果曲线的序号，图中A点和B点分别为对整个Radon变换结果查找的极小值和最大值点，图中的X和Y分别给出了该点对应的投影角度值和Radon变换结果序号，Z表示该点的像素光强值投影结果，即A点和B点的Z坐标分别对应公式一中的MinMinR和MaxMaxR。

图10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-45度，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。液晶显示器的偏振化方向角的测量值是以竖直向上的方向为0度参考方向。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。液晶显示器某一个测量点偏振化方向角的值显示在图像中，图中的X和Y分别给出了该点对应在图像坐标系下的坐标，Z表示该点的偏振化方向角的测量结果。

图11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0.5，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。液晶显示器某一个测量点的偏振度值显示在图像中，图中的X和Y分别给出了该点对应在图像坐标系下的坐标，Z表示该点的偏振度的测量结果。液晶显示器发出的光可认为是完全偏振光，因此偏振度测量结果与真实值存在一定的偏差，这主要是因为多象限偏振片在加工过程中的缺陷导致的，从图3中可见，我们定制加工的十六象限偏振片在中心区域没有起偏效果，这会最终导致系统对目标的偏振度测量结果偏低。若改进加工工艺，或者采用更昂贵的偏振片材料以缩小多象限偏振片中的不可用区域可有效解决该问题。

Claims (2)

1.一种天空偏振模式探测系统，包括象限数大于等于八的多象限偏振片、手持式光场相机、镜头，其特征在于，多象限偏振片位于镜头的光圈所在平面；多象限偏振片由多个位于同一平面的材料相同且尺寸相同的偏振片拼接组成，其中每个偏振片的偏振方向均指向多象限偏振片的中心，或者均垂直于指向多象限偏振片中心的方向。

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)，成像圆斑半径为D个像素，其中D≥5，1≤m≤M，1≤n≤N；成像圆斑中心像素坐标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；

获得天空图像平面上所有与像素点(X_m,n，Y_m,n)的距离小于等于D个像素的图像区域，该图像区域为圆形，令其为G_m,n；对圆形图像区域G_m,n进行Radon变换，选择Radon变换的投影角度范围为0度到180度，令Radon变换的投影角度步长为S，S的数值的选择应满足S可整除90的要求，则共有个投影角度，记它们所组成的投影角度序列为C，C＝{0,S,2S,...k×S,...，180},针对该投影角度序列C中的任意一个投影角度k×S，则存在一个该投影角度的Radon变换结果，它是由2D+1个数值组成的序列，记为R_k，所有投影角度的Radon变换结果序列记为Ra，查找Ra中任一序列R_k中的极大值，记为Rmax_k；则针对所有投影角度得到的所有极大值序列在MaxR中查找极大值，结果记为MaxMaxR，对应该极大值在MaxR中的元素序号记为NmaxR,则有序号为NmaxR的元素是在投影角度为NmaxR×S的Radon变换结果中得到的，最终有微透镜Len_m,n对应的偏振化方向角θ_m,n＝NmaxR×S；

在Radon变换结果序列Ra中选取序号为K的元素R_K,K的值的确定应判断投影角度θ_m,n的值是否大于90度来定，若大于90度则若小于90度则在R_K的子序列中查找极小值，记为MinMinR，其中，[]表示四舍五入取整数；微透镜Len_m,n对应的天区偏振度P_m,n可计算如下：

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。