CN107478858B - 基于斯托克斯矢量光流的运动速度检测传感器装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种面向天空偏振光的斯托克斯矢量光流采集装置，属于定位导航传感器设计领域。主要由可调刻度旋钮装置，传感器保护外罩，集成偏振光流传感器等主要部分组成。该发明为光机电一体化设计，通过外壳上的可调刻度旋钮选择三个不同角度的偏振方向，自然光经过这三个角度的偏振片滤光后，入射到集成偏振光流传感器，由偏振光流传感器内部的CMOS感光元件和光电转换模块，把偏振光信息转换为电信号，传感器集成的DSP图像处理芯片把偏振光转换的电信号经由内嵌的斯托克斯矢量和偏振光流算法解算。同时采用一种递归算法解算偏振光流值，减小了计算过程中带来的误差。该发明具有结构简单，集成度高，性能稳定，鲁棒性高，计算结果准确等优点。

Description

基于斯托克斯矢量光流的运动速度检测传感器装置及检测 方法

技术领域

本发明属于基于偏振光学理论和偏振光流算法相结合的光导航信息采集及计算设备，特别设计了利用斯托克斯矢量的偏振信息来进行偏振光流场和光流速度值计算的采集方法和传感器。涉及专利分类号G物理G06计算；推算；计数G06T一般的图像数据处理或产生G06T7/00图像分析，例如从位像到非位像G06T7/20运动分析。

背景技术

光流法是目前运动图像分析的重要方法，是指时变图像中模式运动速度。光流表达了图像的变化，由于它包含了目标运动的信息，因此可被观察者用来确定目标的运动情况。

光流场是指图像中所有像素点构成的一种二位瞬时速度场。所以光流不仅包含了被观察物体的运动信息，而且还包含有关景物三维结构丰富信息。偏振是光在传播过程中电矢量振动方向周期性规则变化的一种现象，是独立于强度、光谱和位相的又一信息属性。偏振图像含有丰富的偏振信息。利用斯托克斯矢量的四个参量可以描述光波的强度和所有偏振态。四个参量都是光强的时间平均值，组成一个四维数学参量。

传统的天空偏振导航技术仅仅使用了偏振光中偏振方位角的相位信息，其中蕴含着更丰富的偏振斯托克斯矢量光流信息，却一直被研究者忽略。

发明内容

针对以上问题，本发明给出的基于斯托克斯矢量光流的运动速度检测传感器装置及检测方法如下：

一种基于偏振斯托克斯矢量光流的运动速度检测传感器装置，包括三个呈旋转对称的偏振光流检测通道；

所述的偏振光流检测通道包括设置在顶部、可旋转特定角度的偏振片；在所述的通道底部设有偏振光流传感器；

使用过程中，调节所述偏振片至设定的角度，底部的偏振光流传感器采集多角度的光流信息，传输至处理单元。

作为优选的实施方式，每个所述的偏振光流检测通道顶部设有上盖，配合上盖周边的刻度，完成特定角度的旋转。

更进一步的，所述的偏振光流检测通道外部设有调节偏振片和偏振光流传感器间距的调焦弹簧。

更进一步的，工作状态下，呈旋转对称的三个所述的偏振光流检测通道中的偏振片分别调节到0°、45°和90°位置。

一种基于偏振斯托克斯矢量光流的运动速度检测方法，包括：

—采用如权利要求4所述的基于偏振斯托克斯矢量光流的运动速度检测传感器装置，分别获取0°、45°和90°的偏振光通道采集的偏振光信号；

—用MULLER矩阵表示偏振器件对原光波偏振属性的改变；并将所述°、45°和90°所述MULLER矩阵，求解出入射光束的斯托克斯分量I、Q、U，其中，I为投影在所述三个偏振光通道的光流传感器上的天空光强，Q为0°方向偏振分量的光强，U为45°方向偏振分量光强；

—假设光流场同时满足基本约束方程和全局平滑条件，则光流的基本约束为

全局平滑条件为

—确定能够保证所述全局平滑条件

以及基本约束

同时达到最小值的泛函能量的最小值；

所述泛函能量如下式所示：

—将得到的偏振斯托克斯矢量Q、U带入上式就可以得到偏振光流算法：

—解欧拉方程，采用递归算法最后得到基于斯托克斯矢量的光流值为：

其中u，v分别为沿x轴和y轴的光流值，

分别是沿x轴和y轴光流局部平均值。n为迭代次数。λ为权重系数。

更进一步的，所述表示偏振器件对原光波偏振属性的改变的MULLER矩阵如下：

式中，ψ为偏振光栅的偏振角度。I是投影在三个偏振光通道的传感器单元上的天空光强，Q是0°方向偏振分量的光强，U是45°方向偏振分量光强，V是圆偏振分量光强；

由于采用了上述技术方案，本发明公开的基于斯托克斯矢量光流的运动速度检测传感器装置及检测方法，提供了一种生产成本低、结构原理相对简单并且具有相对较高的采集效率，避免了偏振斯托克斯图像和光流场计算的分离带来的误差。本发明用于采集自由运动的物体的光流场和计算光流速度值，它可以直接利用太阳辐射可见光在大气中散射形成的偏振光经过偏振片入射到光流传感器，经处理器处理实时的采集光流场和当前的运动速度值。

附图说明

为了更清楚的说明本申请实施技术方案，下面将对实施或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明传感器装配图

图2为本发明传感器的剖视图

图3为本发明传感器外壳的侧视图

图4为本发明集成偏振光流传感器

图5为本发明中采集装置的流程图

图6为本发明中角度设置示意图

其中：1偏振片固定外壳，2偏振片，3偏振片固定环，4上盖，5偏振光流采集器，6传感器外壳，7传感器底座，8可调刻度，9集成电路板，10镜头，11CMOS图像传感器，12DSP图像处理芯片，13传感器底座，14调焦弹簧，15镜头盖。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明的附图对本发明的技术方案进行清楚的完整描述：

如图1-6所示：一种基于斯托克斯矢量光流的运动速度检测传感器装置，主要包括：

当物体运动时，物体在图像上所产生的亮度模式也会发生运动。这种亮度模式的明显的运动被称为光流。太阳光在天空的偏振分布模式中，每一点的偏振方向受天气因素影响小，比较稳定。而且物质的偏振属性能够为目标的探测和识别提供更多维度的信息，也就是说物质因其自身属性不同会具体不同的偏振特性，如表面特性、粗糙度、阴影和外形等等。同时偏振光的微光条件下具有“弱光强化”的作用。因此本发明在集成光流传感器嵌入式算法中，利用斯托克斯方程和泰勒公式，把偏振斯托克斯分量和光流的计算结合在一起，实现了基于嵌入式偏振斯托克斯分量光流场的计算。

三个偏振光流检测通道A1，A2，A3是由偏振片固定外壳、偏振片、偏振片固定环、传感器外壳、调焦弹簧，CMOS图像传感器以及DSP图像处理芯片构成。输入的自然光信号经偏振片滤光成为偏振光，由CMOS图像传感器模块转化为电信号传输到DSP图像处理芯片。

传感器外壳6是由一定厚度的铝合金制成的，其上盖4上互成120°分布三个圆孔，即为偏振光采集通道，圆形偏振片放置于偏振片固定外壳1内部，并且内部带有内螺纹，与偏振片固定环3配合压紧偏振片2，整个偏振片的固定装置外圈由一定厚度的凸起，在上盖4上有相应的凹槽，凹槽和凸起之间配合，使偏振片固定装置可以旋转。转动过程中，固定在里面的偏振片2随着转动，可以通过上盖4上标的刻度8确定偏振片2的角度，通过三个偏振片2分别调节到0°，45°，90°作为输入量。

装置内部固定一个集成的偏振光流传感器5，三个CMOS镜头互成120°分布在集成电路板9上，与偏振光通道分别对准。偏振光流传感器5由一个镜头盖15通过螺纹连接在传感器底座13上，传感器底座13外面装有一根一定弹性系数的弹簧，顶在镜头盖下部，可以通过旋转镜头盖15来调节光流传感器的焦距。同时在集成电路板9上，三个镜头中间有一个DSP图像处理芯片12，用来计算斯托克斯矢量以及各矢量的光流值。装置下方有一个传感器底座7，在四个角上有四个固定孔，可以用螺钉固定在载体上。

基于斯托克斯矢量光流的运动速度检测方法，即设置在DSP图像处理芯片12中算法主要包括如下步骤：

采用三个偏振主轴分别成0°、45°、90°的偏振光通道，采集偏振图像，根据斯托克斯方程和米勒矩阵，计算出斯托克斯I、Q、U三个分量，进而由嵌入式偏振光流传感器的内置偏振光流算法计算光流值，其实现过程如下：

基于斯托克斯矢量的光流值解算：

斯托克斯分量可以用下列四个参数来表示，即：

S＝(I,Q,U,V)^T (1)

式中，I是投影在成像传感器上的天空光强，Q是0°方向偏振分量的光强，U是45°方向偏振分量光强，V是圆偏振分量光强。

如图6所示空间坐标系,其中黑线是线偏振光的波形图，沿着Z轴的方向是偏振光的传播方向，XY平面内的黑线是偏振光的振动方向，当振动方向和X轴平行的时候我们规定为0°线偏振光，同理振动方向和X轴成45°为45°线偏振光，和Y轴平行为90°线偏振光，以此类推。当偏振片放在偏振光前旋转的时候，偏振片的透光方向和线偏振光的方向一致的时候，投射光强最强。故在本发明以及实施例中选择了0°、45°以及90°三个角度。

偏振器件对原光波偏振属性的改变可以用MULLER矩阵表示，有:

式中，ψ为偏振光栅的偏振角度。

I是投影在三个偏振光通道的传感器单元上的天空光强，Q是0°方向偏振分量的光强，U是45°方向偏振分量光强，V是圆偏振分量光强。

根据可调刻度旋钮得到的三个角度值带入(3)式，就可以联立求解出入射光束的斯托克斯分量I、Q、U，将三个不同的角度带入得到如下方程组：

整理得：

假设光流场同时满足基本约束方程和全局平滑条件。

光流的全局平滑条件可以用光流矢量梯度平方来表示：

式中u,v分别是x,y方向上的光流。

该值越小表示像素间变化越小，光流场越平滑。设

为全局平滑，表达式为：

光流基本约束方程就是要使得相邻两帧间像素偏差达到最小，设为光流基本约束条件，表达式为：

要求得光流矢量就是要使得

和

都达到最小，就是要使得下式的泛函能量达到最小值。

将上面得到的偏振斯托克斯矢量Q、U带入上式就可以得到偏振光流算法：

使得E_I、E_Q、E_U达到最小的办法就是解欧拉方程，采用递归算法最后得到基于斯托克斯矢量的光流值为：

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于偏振斯托克斯矢量光流的运动速度检测传感器装置，其特征在于包括三个呈旋转对称的偏振光流检测通道；

所述的偏振光流检测通道包括设置在顶部、可旋转特定角度的偏振片；偏振片固定外壳、偏振片固定环、传感器外壳、调焦弹簧、CMOS图像传感器以及DSP图像处理芯片；在所述的偏振光流检测通道底部设有偏振光流传感器；所述的偏振光流检测通道外部设有调节偏振片和偏振光流传感器间距的调焦弹簧；三个CMOS图像传感器的镜头互成120°分布在集成电路板上，与偏振光流检测通道分别对准；在集成电路板上，三个镜头中间有一个DSP图像处理芯片，用来计算斯托克斯矢量以及各矢量的光流值；

输入的自然光信号经偏振片滤光成为偏振光，由CMOS图像传感器模块转化为电信号传输到DSP图像处理芯片；

工作状态下，呈旋转对称的三个所述的偏振光流检测通道中的偏振片分别调节到0°、45°和90°位置；

采用三个偏振主轴分别成0°、45°、90°的偏振光流检测通道，采集偏振图像，根据斯托克斯方程和米勒矩阵，计算出斯托克斯I、Q、U三个分量，进而由嵌入式偏振光流传感器的内置偏振光流算法计算光流值。

2.根据权利要求1所述的一种基于偏振斯托克斯矢量光流的运动速度检测传感器装置，其特征还在于：

每个所述的偏振光流检测通道顶部设有上盖，配合上盖周边的刻度，完成特定角度的旋转。

3.一种基于偏振斯托克斯矢量光流的运动速度检测方法，其特征在于包括：

—采用如权利要求2所述的基于偏振斯托克斯矢量光流的运动速度检测传感器装置，分别获取0°、45°和90°的偏振光通道采集的偏振光信号；

—用MULLER矩阵表示偏振器件对原光波偏振属性的改变；并将所述0°、45°和90°所述MULLER矩阵，求解出入射光束的斯托克斯分量I、Q、U，其中，I为投影在所述三个偏振光通道的光流传感器上的天空光强，Q为0°方向偏振分量的光强，U为45°方向偏振分量光强；

—假设光流场同时满足基本约束方程和全局平滑条件，则光流的基本约束为

全局平滑条件为

—确定能够保证所述全局平滑条件

以及基本约束

同时达到最小值的泛函能量的最小值；

所述泛函能量如下式所示：

—将得到的偏振斯托克斯矢量Q、U带入上式就可以得到偏振光流算法：

—解欧拉方程，采用递归算法最后得到基于斯托克斯矢量的光流值为：

其中u，v分别为沿x轴和y轴的光流值，分别是沿x轴和y轴光流局部平均值；n为迭代次数；λ为权重系数。

4.根据权利要求3所述的基于偏振斯托克斯矢量光流的运动速度检测方法，其特征在于：所述表示偏振器件对原光波偏振属性的改变的MULLER矩阵如下：

式中，ψ为偏振光栅的偏振角度；I是投影在三个偏振光通道的传感器单元上的天空光强，Q是0°方向偏振分量的光强，U是45°方向偏振分量光强，V是圆偏振分量光强；

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