CN107084681A - 能主动适应水环境和水下目标的主动光照视觉成像系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能主动适应水环境和水下目标的主动光照视觉成像系统和方法。蓝光源和红光源分别采用蓝光激光器和红光激光器，其偏振态都为线偏振光，且偏振方向一致，两束激光经过二相色分光镜耦合；耦合光经λ/2波片和第一λ/4波片后，投射照明到水下被测物体表面，经被测物体表面反射，经第二λ/4波片、检偏器后由相机拍摄成像，图像的质量由计算机进行评价，并根据水环境及其变化和具体被测物体的情况，对影响水下主动照明成像系统的照明波长、功率以及偏振态进行综合调节，确定最佳的波长、功率、偏振态，主动适应水环境和水下目标，获得最佳水下成像质量。

Description

能主动适应水环境和水下目标的主动光照视觉成像系统和 方法

技术领域

本发明属于水下视觉成像技术领域，涉及一种能主动适应水环境和水下目标的主动光照视觉成像系统和方法。

背景技术

水下视觉在海底资源勘探、海洋开发、水下探测、水下反恐等方面有广泛的应用。众所周知，水下声成像的图像分辨力低，目标细节无法从图像中获取，难以满足上述应用需要。水下光成像，尤其是主动激光成像可弥补声成像的不足，但是水的光学特性以及水环境的复杂性使得实际应用时仍面临诸多困难。

水介质的光学特性及水环境的复杂性使得水下成像效果比空气中成像的质量要差。水对光存在严重的吸收和散射作用，吸收和散射这两个不相关的物理过程导致光在水中传输时的能量按指数规律迅速衰减。尽管可以通过增加照明光功率的方法来扩展水下成像距离，但这也会给水下图像带来背景灰度不均和图像质量变差的问题。现有研究表明，光在水中传播的吸收、散射带来的成像距离变短和成像质量变差在不同的水环境，不同的目标距离远近和反射特性情况下，与照明光的波长、功率、偏振态都有关系。

水的散射与波长有关，不同水环境的光散射特性也不同，选择合适的照明光波长可起到增强图像清晰度的作用，为简便起见，一般采用绿光或红光作为照明光，现有的水下主动光照视觉成像系统，照明光波长设定后，不能主动适应未知水环境及其变化的需要；水下成像距离与照明光功率有关，照明光功率越大，成像距离越远，但后向散射、前向散射都随之增大，导致图像背景光增强，图像清晰度降低，因此，最佳的照明光功率应由成像距离远近决定，并与水环境有关，现有的水下主动光照视觉成像系统不具备这样的主动适应性；偏振技术可抑制部分散射光，采用圆偏振光或线偏振光照明，利用散射光与目标反射光退偏特性的不同，在探测器前加检偏器，可抑制后向散射，同时目标反射光也有所降低，其综合效果与水环境及目标反射特性有关，因此，照明光的偏振态也需要主动适应水环境和目标情况，目前的系统不具有这样的适应性。

现有的利用照明光波长、功率、偏振态设计来改善成像距离和成像质量的水下主动光照视觉成像系统，这类系统以适合特定水环境及特定目标为目的，不能主动适应各种水环境和水下目标的具体情况，且没有综合考虑照明光波长、功率、偏振态的适应效果。因此，综合考虑照明光波长、功率、偏振态对视觉系统成像质量的影响，主动适应水环境及其变化和水下目标具体情况，是水下主动光照视觉成像系统急需要解决的问题。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术和系统的缺陷，提供一种能主动适应水环境和水下目标的主动光照视觉成像系统和方法，提高水下视觉成像系统的成像质量。结构光成像系统是一种采用激光产生点、线、或网格状结构光的主动投射照明系统，结构光投射到被测物体表面，被物体表面调制（变形），并被相机记录，通过对相机记录的调制（变形）图像的解调，可以获得物体的三维信息。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种能主动适应水环境和水下目标的主动光照视觉成像系统，包括蓝光源、二相色分光镜、红光源、λ/2波片、电机、第一λ/4波片、被测物体、第二λ/4波片、检偏器、相机、计算机；在所述蓝光源和红光源的输出光的交点处设置二相色分光镜，所述λ/2波片设置于二相色分光镜的后方，所述第一λ/4波片设置于λ/2波片的后方、被测物体的前方，所述第二λ/4波片、检偏器、相机分别设置于被测物体反射光的光路上，所述蓝光源、红光源、电机、相机都与计算机连接，所述电机连接λ/2波片，驱动其绕光轴旋转。其中λ为光的波长。

所述第一λ/4波片、第二λ/4波片采用菲涅耳棱镜，菲涅耳棱镜具有最稳定且最佳消色差效果的特点，所述λ/2波片由两块菲涅耳棱镜组合而成。

一种能主动适应水环境和水下目标的主动光照视觉成像方法，应用上述的能主动适应水环境和水下目标的主动光照视觉成像系统，具体步骤如下：蓝光源和红光源分别采用蓝光激光器和红光激光器，其偏振态都为线偏振光，且偏振方向一致，两束激光经过二相色分光镜耦合；耦合光经λ/2波片和第一λ/4波片后，投射照明到水下被测物体表面，经被测物体表面反射，经第二λ/4波片、检偏器后由相机拍摄成像，图像的质量由计算机进行评价，并根据水环境及其变化和具体被测物体的情况，对影响水下主动照明成像系统的照明波长、功率以及偏振态进行综合调节，确定最佳的波长、功率、偏振态，主动适应水环境和水下目标，获得最佳水下成像质量。

所述蓝光源和红光源在计算机控制下能够同时或单独工作，使投射照明到被测物体表面的光的波长不同，且输出的光功率经计算机调节控制；经过λ/2波片的光还是线振偏光，但偏振方向改变，再经第一λ/4波片后其偏振态属于线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光中的某一种，取决于λ/2波片与第一λ/4波片快轴或慢轴的相对夹角，当偏振态为椭圆偏振光时，其椭偏度也取决于λ/2波片与第一λ/4波片快轴或慢轴的相对夹角；第二λ/4波片与第一λ/4波片的快轴或慢轴方向一致，检偏器的偏振方向与蓝光源和红光源发射的线偏光方向垂直；电机驱动λ/2波片绕光轴旋转，使经第一λ/4波片的输出光在线偏振光、圆偏振光、不同椭偏度的椭圆偏振光之间变化。

所述方法其中的图像质量评价与综合调节，具体为：计算机采用图像清晰度评价函数来评价在不同照明光波长、功率以及偏振态条件下的成像质量，对相机所获取的被测物体反射的图像进行图像清晰度函数评价，在图像评价函数值曲线中，位于峰值状态的照明光波长、功率以及偏振态为最佳条件；根据波长、功率以及偏振态对相机成像效果的影响程度分析，波长对成像清晰度的影响大于功率，功率的影响大于偏振态，因此为获得最佳成像效果，需综合调节各参数，首先控制蓝光源和红光源的单独或同时工作，以调节照明光波长，其次调节照明光功率，最后旋转λ/2波片以调节照明光偏振态。

与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：

本发明综合调节影响水下主动照明成像系统的照明波长（颜色）、功率以及偏振态等因素，并根据水环境及其变化和具体探测目标情况，对获得的图像通过图像清晰度评价函数进行评价，确定出最佳的波长（颜色）、功率、偏振态，主动适应水环境和水下目标，获得最佳水下成像质量。

附图说明

图1为主动适应水环境和水下目标的主动光照视觉成像系统示意图。

图2为照明光波长、功率、偏振态综合调节流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施例做进一步的说明。

如图1所示，一种能主动适应水环境和水下目标的主动光照视觉成像系统，包括蓝光源1、二相色分光镜2、红光源3、λ/2波片4、电机5、第一λ/4波片6、被测物体7、第二λ/4波片8、检偏器9、相机10、计算机11；在所述蓝光源1和红光源3的输出光的交点处设置二相色分光镜2，所述λ/2波片4设置于二相色分光镜2的后方，所述第一λ/4波片6设置于λ/2波片4的后方、被测物体7的前方，所述第二λ/4波片8、检偏器9、相机10分别设置于被测物体7反射光的光路上，所述蓝光源1、红光源3、电机5、相机10都与计算机11连接，所述电机5连接λ/2波片4，驱动其绕光轴旋转。

所述第一λ/4波片6、第二λ/4波片8采用菲涅耳棱镜，所述λ/2波片4由两块菲涅耳棱镜组合而成。

如图2所示，一种能主动适应水环境和水下目标的主动光照视觉成像方法，应用上述的能主动适应水环境和水下目标的主动光照视觉成像系统，具体步骤如下：蓝光源1和红光源3分别采用波长为450nm和680nm的蓝光激光器和红光激光器，其偏振态都为线偏振光，且偏振方向一致，如同是水平方向，两束激光经过二相色分光镜2耦合；耦合光经λ/2波片4和第一λ/4波片6后，投射照明到水下被测物体7表面，经被测物体7表面反射，经第二λ/4波片8、检偏器9后由相机10拍摄成像，图像的质量由计算机11进行评价，并根据水环境及其变化和具体被测物体7的情况，对影响水下主动照明成像系统的照明波长、功率以及偏振态进行综合调节，确定最佳的波长、功率、偏振态，主动适应水环境和水下目标，获得最佳水下成像质量。

所述蓝光源1和红光源3在计算机11控制下能够同时或单独工作，使投射照明到被测物体7表面的光的波长不同，且输出的光功率经计算机11调节控制；经过λ/2波片4的光还是线振偏光，但偏振方向改变，再经第一λ/4波片6后其偏振态属于线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光中的某一种，取决于λ/2波片4与第一λ/4波片6快轴或慢轴的相对夹角，当偏振态为椭圆偏振光时，其椭偏度也取决于λ/2波片4与第一λ/4波片6快轴或慢轴的相对夹角；第二λ/4波片8与第一λ/4波片6的快轴或慢轴方向一致，检偏器9的偏振方向与蓝光源1和红光源3发射的线偏光方向垂直；电机5驱动λ/2波片4绕光轴旋转，使经第一λ/4波片6的输出光在线偏振光、圆偏振光、不同椭偏度的椭圆偏振光之间变化。

其中的图像质量评价与综合调节，具体为：计算机11采用图像清晰度评价函数来评价在不同照明光波长、功率以及偏振态条件下的成像质量，对相机10所获取的被测物体7反射的图像进行图像清晰度函数评价，在图像评价函数值曲线中，位于峰值状态的照明光波长、功率以及偏振态为最佳条件；根据波长、功率以及偏振态对相机10成像效果的影响程度分析，波长对成像清晰度的影响大于功率，功率的影响大于偏振态，因此为获得最佳成像效果，需综合调节各参数，首先控制蓝光源1和红光源3的单独或同时工作，以调节照明光波长，其次调节照明光功率，最后旋转λ/2波片4以调节照明光偏振态。

Claims (5)

1.一种能主动适应水环境和水下目标的主动光照视觉成像系统，其特征在于，包括蓝光源（1）、二相色分光镜（2）、红光源（3）、λ/2波片（4）、电机（5）、第一λ/4波片（6）、被测物体（7）、第二λ/4波片（8）、检偏器（9）、相机（10）、计算机（11）；在所述蓝光源（1）和红光源（3）的输出光的交点处设置二相色分光镜（2），所述λ/2波片（4）设置于二相色分光镜（2）的后方，所述第一λ/4波片（6）设置于λ/2波片（4）的后方、被测物体（7）的前方，所述第二λ/4波片（8）、检偏器（9）、相机（10）分别设置于被测物体（7）反射光的光路上，所述蓝光源（1）、红光源（3）、电机（5）、相机（10）都与计算机（11）连接，所述电机（5）连接λ/2波片（4），驱动其绕光轴旋转。

2.根据权利要求1所述的一种能主动适应水环境和水下目标的主动光照视觉成像系统，其特征在于，所述第一λ/4波片（6）、第二λ/4波片（8）采用菲涅耳棱镜，所述λ/2波片（4）由两块菲涅耳棱镜组合而成。

3.一种能主动适应水环境和水下目标的主动光照视觉成像方法，应用权利要求1或2所述的能主动适应水环境和水下目标的主动光照视觉成像系统，其特征在于，具体步骤如下：蓝光源（1）和红光源（3）分别采用蓝光激光器和红光激光器，其偏振态都为线偏振光，且偏振方向一致，两束激光经过二相色分光镜（2）耦合；耦合光经λ/2波片（4）和第一λ/4波片（6）后，投射照明到水下被测物体（7）表面，经被测物体（7）表面反射，经第二λ/4波片（8）、检偏器（9）后由相机（10）拍摄成像，图像的质量由计算机（11）进行评价，并根据水环境及其变化和具体被测物体（7）的情况，对影响水下主动照明成像系统的照明波长、功率以及偏振态进行综合调节，确定最佳的波长、功率、偏振态，主动适应水环境和水下目标，获得最佳水下成像质量。

4.根据权利要求3所述的一种能主动适应水环境和水下目标的主动光照视觉成像方法，其特征在于，所述蓝光源（1）和红光源（3）在计算机（11）控制下能够同时或单独工作，使投射照明到被测物体（7）表面的光的波长不同，且输出的光功率经计算机（11）调节控制；经过λ/2波片（4）的光还是线振偏光，但偏振方向改变，再经第一λ/4波片（6）后其偏振态属于线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光中的某一种，取决于λ/2波片（4）与第一λ/4波片（6）快轴或慢轴的相对夹角，当偏振态为椭圆偏振光时，其椭偏度也取决于λ/2波片（4）与第一λ/4波片（6）快轴或慢轴的相对夹角；第二λ/4波片（8）与第一λ/4波片（6）的快轴或慢轴方向一致，检偏器（9）的偏振方向与蓝光源（1）和红光源（3）发射的线偏光方向垂直；电机（5）驱动λ/2波片（4）绕光轴旋转，使经第一λ/4波片（6）的输出光在线偏振光、圆偏振光、不同椭偏度的椭圆偏振光之间变化。

5.根据权利要求3所述的一种能主动适应水环境和水下目标的主动光照视觉成像方法，其特征在于，其中的图像质量评价与综合调节，具体为：计算机（11）采用图像清晰度评价函数来评价在不同照明光波长、功率以及偏振态条件下的成像质量，对相机（10）所获取的被测物体（7）反射的图像进行图像清晰度函数评价，在图像评价函数值曲线中，位于峰值状态的照明光波长、功率以及偏振态为最佳条件；根据波长、功率以及偏振态对相机（10）成像效果的影响程度分析，波长对成像清晰度的影响大于功率，功率的影响大于偏振态，因此为获得最佳成像效果，需综合调节各参数，首先控制蓝光源（1）和红光源（3）的单独或同时工作，以调节照明光波长，其次调节照明光功率，最后旋转λ/2波片（4）以调节照明光偏振态。