CN107481277B - 一种成像装置及基于暗信道先验模型的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种标定物目标及兴趣物目标同时成像装置及基于暗信道先验模型的检测方法，成像装置能够同时对标定物目标及兴趣物目标进行成像。在标定物目标所在的图像区域中，利用已知标定物目标同成像设备间基线距离并通过成像模型标定计算出透射率。同时，在标定物目标所在的图像区域中根据暗信道先验模型计算场景中的背景光。在上述计算的基础上，在兴趣物目标所在的区域中，根据所计算得到的透射率以及暗信道先验模型检测出兴趣物目标区域中各点上的距离，以实现检测。本发明能够稳定、可靠地检测场景中兴趣目标物的空间距离，较为便捷，适用于多类复杂的散射环境。

Description

一种成像装置及基于暗信道先验模型的检测方法

技术领域

本发明涉及一种成像装置及基于暗信道先验模型的检测方法，属于摄影测量、检测领域。

背景技术

目前，基于摄影测量的检测所主要采用的是基于多目视觉的距离检测方法。该方法基于立体视觉原理对场景图像进行计算，得到控制点视差以检测控制点距离信息。该方法对于图像信噪比的要求较高。而在散射环境中受到场景光学噪声及光学信息衰减的影响，该方法难以准确地检测并匹配场景控制点信息，空间距离测量误差较大。散射环境中的视觉空间距离测量是机器视觉测量领域中的一个难题。

目前，国内外许多研究学者针对雾天环境与水下环境等强散射环境，将暗信道先验模型用于获取场景深度数据的过程中。例如，Yoav Y.Schechner在2005年，提出将暗信道先验模型与水下成像技术相结合，对获取同视角不同光强角度的光强图像进行处理，恢复并获取场景深度信息。S.Negah等将将暗信道先验模型与双目立体视觉成像理论相结合，补偿后向散射造成的光强衰减影响，得到场景空间距离图。Hautiere等人提出了利用成像环境中微粒带来的散射现象进行对场景深度空间距离的估计。

但是上述方法仅能检测相对空间距离非纲量比例信息，难以检测真实的空间距离纲量信息。此外，由于采用了复杂的双目视觉系统，系统的复杂度很高，对多目间基线空间距离的稳定性要求较为严格，且能耗较高。难以适用于施测作业场景复杂的散射环境。

不同于现有技术，本发明提出一种暗信道先验模型、成像模型以及环境标定计算结合的方法能够检测场景中兴趣物目标真实空间距离的纲量信息，且在方法复杂度、能耗及实用性上具有明显的优势。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术难以检测真实纲量空间距离；现有系统计算及硬件复杂度过高，难以适用于复杂境等问题，提供成像装置及基于暗信道先验模型的检测方法。成像装能够同时对标定物目标及兴趣物目标进行成像。方法在标定物目标所在的图像区域中，利用已知标定物目标同相机间基线距离的先验信息并通过成像模型及暗信道先验模型，标定计算出当前散射环境中场景的透射率及背景光。在此基础上，在兴趣物目标所在的区域中，根据所计算得到的场景透射率以及暗信道先验模型检测出兴趣物目标区域中各点上的空间距离，以实现空间距离检测。本发明能够稳定、可靠地基于单目视觉计算当前场景的透射率并检测场景中兴趣物目标真实空间距离的纲量信息，较为便捷，适用于雾天、水下等多种复杂的散射环境。

技术方案：一种标定物目标及兴趣物目标同时成像装置，包括相机，支撑结构，透明连接杆，及作为标定物目标的黑色参考小球；所述相机设置在支撑结构上；所述透明连接杆的一端固定在相机镜头的外侧壁上方，另一端悬接黑色参考小球作为标定物目标，标定物目标为黑色参考小球，半径为0.5cm，黑色参考小球中心距镜头的基线空间距离为18cm，标定物目标的成像位置位于所成图像的左上区域，在所成图像中，标定物目标中心在图像坐标系的位置为[64,64]像素，标定物目标图像区域占整幅图像区域的0.57％。

黑色参考小球半径为0.5cm，作为标定物目标，目标反射率为0；透明连接杆的长度为18cm，实现了黑色参考小球中心距镜头的基线空间距离为18cm；透明连接杆与镜头轴向平行，黑色参考小球中心距透明连接杆下部平面的垂直距离为3cm，使得标定物目标的成像位置位于所成图像的左上区域，其中透明连接杆为条形，厚度为3mm，在所成图像中，标定物目标中心位置[64,64]，标定物目标图像区域占整幅图像区域的0.57％。

一种基于暗信道先验模型的检测方法，包括如下步骤：

步骤(1)以本发明公开的成像装置同时对黑色标定物目标及兴趣物目标进行成像。其中标定物目标设计为黑色参考小球(目标反射率为0)，半径为0.5cm，黑色参考小球中心距镜头的基线空间距离为18cm，标定物目标的成像位置位于所成图像的左上区域，在所成图像中，标定物目标中心位置[64,64]，标定物目标图像区域占整幅图像区域的0.57％。

步骤(2)在标定物目标区域根据暗信道估计模型检测场景背景光：

步骤(3)在标定物目标区域标定检测场景的透射率

步骤(4)在兴趣物目标区域中检测目标点的空间距离纲量信息。

附图说明

图1为本发明成像装置的结构示意图；

图2为本发明方法流程图；

图3为本发明方法得到的检测结果示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，标定物目标及兴趣物目标同时成像装置，包括相机，支撑结构，透明连接杆，及作为标定物目标的黑色参考小球；支撑结构包括底座和支撑杆，支撑杆下端固定在底座上，相机上连接有控制缆线，安装在支撑杆上端，透明连接杆的一端通过固定螺丝固定在相机镜头的外侧壁上方，固定位置因相机选型而异，例如，Nikon D90型号相机，固定位置距离相机下平面之上10cm，距离相机中心轴距右侧离为3cm。透明连接杆的另一端悬接黑色参考小球作为标定物目标，标定物目标为黑色参考小球，半径为0.5cm，黑色参考小球中心距镜头的基线空间距离为18cm，透明连接杆与镜头轴向平行，黑色参考小球中心距透明连接杆下部平面的垂直距离为3cm，使得标定物目标的成像位置位于所成图像的左上区域，其中透明连接杆为条形，厚度为3mm，在所成图像中，标定物目标中心位置[64,64]，标定物目标图像区域占整幅图像区域的0.57％。如图2所示，基于暗信道先验模型的检测方法，包括如下步骤：

一、标定物目标及兴趣物目标同时成像

以本发明公开的成像装置同时对黑色标定物目标及兴趣物目标进行成像。其中标定物目标设计为黑色圆形小球(目标反射率为0)，半径为0.5cm，圆形小球中心距镜头的基线空间距离为18cm，标定物目标的成像位置位于所成图像的左上区域，在所成图像中，标定物目标中心位置[64,64]，标定物目标图像区域占整幅图像区域的0.57％。

二、场景背景光检测

所成图像主要包含成像光线和光幕光两种信息。成像光线指的是目标辐射出的准直光线，该部分的光线在传播过程中仅发生能量的衰减而并没有发生光路的变化。另一部分并不源于照准区域的光线通常称为光幕光，该部分光线源于环境中悬浮颗粒物的多次散射效应。成像过程可以建模为：

I(x)＝βρ_x exp[-αr(x)]+β(1-exp[-αr(x)]) (1)

其中I(x)为场景中空间x处成像所捕获的光线，β为场景中的背景光，ρ_x为场景中空间x处目标表面的反射率，α为介质对光线的衰减系数，r(x)为场景中空间x处的成像空间距离。

本发明采用基于暗信道先验模型计算场景背景光。暗信道先验发现在每个非背景区域的小图像块中，至少有一个像素中的至少一个色彩信道的强度很低，如式(2)。

其中，I_dark(x)为像素点x处暗信道的光强度，Ω_x为以像素点x为中心的邻域，I^c(y)为像素点y处色彩信道c的光强度，这种暗信道的成因主要包括以下三种情况：全黑色目标、彩色目标或阴影，即：

β_darkρ_dark exp[-α_darkr_x]≈0 (3)

其中，β_dark，ρ_dark，α_dark分别为暗信道上的背景光强度，目标反射率及透射率，r_x为像素点x处的距离。

I_dark(x)＝β_dark(1-exp[-α_darkr(x)]) (4)

根据公式(4)标定物目标区域x_c中，暗信道模型可以表示为

I_dark(x_c)＝β_dark(1-exp[-α_darkr(x_c)]) (5)

在标定物目标区域中暗信道亮度最大的点为：

标定物目标矩形区域中由于采用的是圆形标定物目标，其中必然包含有部分非标定物目标的背景区域，此时r(x_c)→+∞，exp[-α_darkr(x_c)]→0，因此：

而在λ信道上的背景光强度β_λ可以表示为：

其中，x_c为标定物目标区域中目标上的点，Q_c为标定物目标区域，

为点x_c的邻接区域，y为该邻接区域中的点，β_dark＝λ描述为当暗信道为λ时背景光在色彩信道λ上的强度，I_λ(y)为y点上信道为λ上的光强度。

β＝[β_dark＝r,β_dark＝g,β_dark＝b] (10)

其中，β_dark＝r,β_dark＝g,β_dark＝b描述为当暗信道为r,g,b信道时背景光在色彩信道r,g,b上的强度。

三、透射率标定检测

由于标定物目标表面为黑色，反射率

因此根据成像模型公式(1)可以变换为：

I_λ(x_c)＝β_λ(1-exp[-α_λr(x_c)]) (11)

则，

其中，I_λ(x_c)为标定物目标区域中目标物上的点x_c红绿蓝色彩信道λ＝[R,G,B]上的强度，α_λ为当前散射环境中色彩信道λ＝[R,G,B]的透射率，r(x_c)为标定物目标区域中目标物上的点x_c同相机间的空间距离，计算为

其中k(x_c)为点x_c到相机间的垂线空间距离，L为点x_c到相机间的基线空间距离，β_λ为当前散射环境中色彩信道λ＝[R,G,B]上的背景光强度。

标定物目标区域中目标物上的点x_c同相机间的空间距离r(x_c)计算检测为：

其中，k(x_c)为点x_c到相机间的垂线空间距离，L为点x_c到相机间的基线空间距离。

将步骤三中公式(9)，公式(13)带入公式(12)，可计算得到场景的透射率α_λ：

四、兴趣物目标点距离检测

根据步骤一公式(1)及暗信道先验模型(4)，(5)，兴趣物目标区域中的点x_o的暗信道可以表示为：

I_dark(x_o)＝β_dark(1-exp[-α_darkr(x_o)]) (15)

则兴趣物目标区域中点x_o上的距离r(x_o)计算为：

因此，根据公式暗信道先验模型(2)(4)

其中，x_o为兴趣物目标区域中目标物上的点，

为兴趣物目标区域中目标物上的点x_o的邻接区域，z为该邻接区域中的点，其中，β_dark，ρ_dark，α_dark分别为暗信道上的背景光强度，目标反射率及透射率。

以此实现兴趣物目标空间距离检测，所计算得到的检测示意图如图3所示，通过量化评测，所得到的兴趣目标物测量的定量评价结果如表1所示，从实际深度值同计算深度值的比较可以看出，本方法可以较为准确的实现距离测量，测量误差较小。

表1本发明方法所得结果的定量评价结果

Claims (3)

1.一种基于暗信道先验模型的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

通过成像装置同时对标定物目标及兴趣物目标进行成像，得到一幅包含标定物目标区域及兴趣物目标区域的图像，其中，所述成像装置包括相机、支撑结构以及透明连接杆，所述相机设置在支撑结构上，所述透明连接杆的一端固定在相机镜头的外侧壁上方，另一端悬接黑色参考小球作为标定物目标，所述标定物目标区域位于所述图像的左上区域；

在所述标定物目标区域中，根据暗信道先验模型、成像模型及已知的标定物目标同相机镜头间的基线空间距离，计算出当前散射环境中场景的透射率和背景光强度，所述透射率和所述背景光强度的计算方法如下：标定物目标表面光反射率为0，所述标定物目标区域中目标上各点的强度全部由场景背景光照射形成，所述标定物目标区域建模为：

I_λ(x_c)＝β_λ(1-exp[-α_λr(x_c)]) (11)

则，

其中，I_λ(x_c)为标定物目标区域中目标上的点x_c在红绿蓝色彩信道λ＝[R,G,B]上的强度，α_λ为当前散射环境中色彩信道λ＝[R,G,B]的透射率，r(x_c)为标定物目标区域中目标上的点x_c同相机镜头间的直线空间距离，β_λ为当前散射环境中色彩信道λ＝[R,G,B]上的背景光的强度，根据暗信道先验模型进行估计：

其中，x_c为标定物目标区域中目标上的点，Q_c为标定物目标区域，

为点x_c的邻接区域，y为该邻接区域

中的点；

则，结合式(12),(9)计算得到场景的透射率：

I_λ(y)表示邻接区域

中的点y在红绿蓝色彩信道λ＝[R,G,B]上的强度；

在所述兴趣物目标区域中，根据计算得到的透射率、背景光强度及所述暗信道先验模型检测出兴趣物目标区域中目标上各点的空间距离，实现兴趣物目标距离检测，所述兴趣物目标区域中目标上各点的空间距离按照以下公式计算：

其中，x₀为兴趣物目标区域中目标上的点，

为点x₀的邻接区域，z为该邻接区域

中的点，I_λ(z)表示邻接区域

中的点z在红绿蓝色彩信道λ＝[R,G,B]上的强度，β_λ、α_λ分别由公式(9)、(14)得到。

2.根据权利要求1所述的基于暗信道先验模型的检测方法，其特征在于，所述标定物目标区域中目标上的点x_c同相机镜头间的直线空间距离r(x_c)的计算式为

其中k(x_c)为点x_c同相机镜头间的垂线空间距离，L为点x_c到相机镜头间的基线空间距离。

3.根据权利要求1所述的基于暗信道先验模型的检测方法，其特征在于，所述黑色参考小球半径为0.5cm，在所述包含标定物目标区域及兴趣物目标区域的图像中，所述标定物目标区域的中心位置[64,64]，所述标定物目标区域占整幅图像的0.57％。

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