CN107504956A - 用于目标检测的自适应偏振信息采集与计算方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于目标检测的自适应偏振信息采集与计算方法及装置，方法包括：根据拍摄时刻的太阳高度角调整云台角度；调节偏振片方向采集目标在0°方向、45°方向和90°方向三个偏振方向的偏振图像；基于采集的偏振图像计算出目标的0°方向、90°方向、45°方向和135°方向偏振参数以及偏振度图像；装置包括偏振信息采集单元，自动调整相机拍摄角度与偏振片角度；偏振信息计算单元，基于采集的三个方向的偏振图像计算得到水面目标的偏振参数信息；以及控制单元，包括采集控制、存储控制、偏振信息计算控制等模块。本发明可以实现水面目标偏振信息的有效获取。

Description

用于目标检测的自适应偏振信息采集与计算方法及装置

技术领域

本发明涉及一种用于目标检测的自适应偏振信息采集与计算方法及装置，属于光学仪器技术领域。

背景技术

将图像和视频的处理方法应用于检测和识别水面目标始于20世纪90年代，偏振成像技术是近些年才得到快速发展的成像技术。对于水面目标的检测方法，国外很多学者已进行了大量的研究，目前常用的水面目标检测方法根据数据获取方式的不同分类，主要有以下几种：基于雷达图像的水面目标检测，基于红外图像的水面目标检测和基于可见光图像的水面目标检测。

由于水面环境存在强烈的水面镜面反射现象，会在传统目标成像过程中引入大量噪声，利用目标的光强和光谱信息很难完成目标与背景之间的分离。振成像技术是近几年来发展迅速的新型成像技术，较一些传统成像技术来说具有明显的优势，主要体现在：减小在成像过程中的水面镜面反射的干扰因素，从而提高目标的成像质量；使目标中的偏振特性可以作为目标检测的又一特征，且偏振信息较普通的光强信息来说更加稳定。在理想状态下，当太阳的入射角为布儒斯特角53°，即太阳高度角为37°时，反射光全部不能通过偏振片，平静的水面将使太阳光的反射光线达到完全偏振，水体不存在镜面反射。但在实际环境中有多种外界因素干扰，同时受限于成像设备，无法真正做到滤除水面镜面反射光，但根据这一结论，可以在一定程度上减弱水面镜面反射在偏振成像过程中引入的噪声，这样就可以提高水面目标偏振成像的质量，这也有利于提高后续的目标检测正确率。

发明内容

发明目的：本发明针对水面场景应用需求，提供一种用于水面目标检测的自适应偏振信息采集与计算方法及装置，通过偏振图像采集装置获得目标图像，基于采集的三个方向的偏振图像计算得到水面目标的偏振参数信息，用于实现水面目标检测。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于目标检测的自适应偏振信息采集与计算方法，包括如下步骤：

(1)根据拍摄时刻计算得到太阳高度角，调整云台角度使得相机与水面的拍摄角与太阳高度角沿水面法向量对称；

(2)调节偏振片方向采集目标在0°方向、45°方向和90°方向三个偏振方向的偏振图像；

(3)基于采集的偏振图像计算出目标的0°方向、90°方向、45°方向和135°方向偏振参数S_h、S_v、S_d和S_r以及偏振度图像DoP，其中：

S_h＝k₁*I(0°)-k₂*I(90°)

S_v＝k₃*I(90°)-k₄*I(0°)

S_d＝(k₅+k₆)*I(45°)-k₆*(I(0°)+I(90°))

S_r＝k₇*((I(0°)+I(90°))-(k₇+k₈)*I(45°)

其中，I(0°)、I(45°)、I(90°)分别为0°方向、45°方向、90°方向偏振图像的光强；k_{j|j＝1,3,5,7}为增强参数，k_{j|j＝2,4,6,8}为抑制参数，k_{j|j＝1,3,5,7}≥1，0＜k_{j|j＝2,4,6,8}≤1。

进一步地，增强参数和抑制参数的确定方法为：

分别设置增强参数和抑制参数的取值范围和取值间隔；

计算每一组增强参数和抑制参数值条件下得到的偏振参数图像的信息熵，取最大信息熵值对应的增强参数和抑制参数取值为最优解。

在一个具体实施例中，增强参数k_{j|j＝1,3,5,7}取值范围设为[1,10]，取值间隔为0.02；抑制参数k_{j|j＝2,4,6,8}取值范围设为[0.1,1]，取值间隔为0.01。

一种用于目标检测的自适应偏振信息采集与计算装置，包括：偏振信息采集单元、偏振信息计算单元、控制单元和存储模块；

偏振信息采集单元包括相机、可调云台、旋转镜头和步进电机；其中旋转镜头是由两个偏振片组成的偏振镜，前一偏振片固定，后一偏振片为可转动偏振片，与步进电机传动连接，后一偏振片外圈材质为金属材质且外圈上设有三个触片，相邻两触片的夹角为45度；

偏振信息计算单元，用于基于偏振图像采集单元采集的三个方向的偏振图像计算得到水面目标的偏振参数信息以及偏振度图像；

控制单元，包括采集控制模块、存储控制模块和偏振信息计算控制模块，其中采集控制模块用于根据太阳高度角调节云台的角度并通过控制步进电机实现镜头旋转；存储控制模块用于采集控制模块采集到图像后将图像存储；偏振信息计算控制模块用于接收偏振信息计算单元得到的偏振信息。

存储模块，用于存储采集到的图像以及计算出的目标偏振信息；

进一步地，采集控制模块中设有时间-太阳高度角计算模块，当计算出当前拍摄时刻的太阳高度角后，输出控制信号，调整云台角度从而调整相机与水面的拍摄角度。

有益效果：本发明与现有技术相比，其优点在于：本发明依靠控制模块控制系统各部分，实现了目标图像的采集、处理，偏振图像的获取、传送、显示、保存功能，同时，提出了一种新的偏振参数计算方法，得到不同感光通道的偏振参数图像、偏振度图和合成光强图，有效表征目标的偏振信息。该系统获得偏振信息较手动获得目标偏振信息更为方便，准确。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明实施例的方法流程图；

图2为本发明实施例中云台角度调整示意图；

图3为本发明实施例的装置结构原理框图；

图4为本发明实施例采集单元结构示意图；

图5为本发明实施例中偏振参数计算数学模型示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例公开的一种用于目标检测的自适应偏振信息采集与计算方法，首先根据拍摄时刻的太阳高度角调整云台角度；然后调节偏振片方向采集目标在0°方向、45°方向和90°方向三个偏振方向的偏振图像；最后基于采集的偏振图像计算出目标的偏振参数以及偏振度图像。

其中，偏振参数计算原理和方法如下：

数学模型如图5所示，输入是满足θ₁+θ₂＝k90°,k＝1,2的一组偏振图像，输出是偏振图像之间的差值，并加入了两个参数来调控这组偏振图像的增强或抑制的大小。其表达式为：

式中，I(θ₁)和I(θ₂)为不同偏振方向的偏振光光强；θ₁和θ₂为偏振片主光轴和光的振动方向之间的夹角；和为调谐参数，通过这两个调谐参数来控制对每组偏振图像的增强或抑制大小。

根据采集到的三个方向的偏振图像计算四组偏振通道的偏振参数，其表达式如下：

S_h＝k₁*I(0°)-k₂*I(90°)

S_v＝k₃*I(90°)-k₄*I(0°)

S_d＝k₅*I(45°)-k₆*I(135°)

S_r＝k₇*I(135°)-k₈*I(45°)

其中，S_h、S_v、S_d和S_r表示偏振参数，分别是0°方向、90°方向、45°方向和135°方向偏振参数；加入k_j(j＝1...8)，从数学角度表示每个通道中不同方向偏振光之间的增强和抑制作用。

其中，由I＝I(0°)+I(90°)＝I(45°)+I(135°)可知，可将135°方向的偏振敏感度参数用0°、45°、90°方向的偏振光强来表示，表达式如下：

S_d＝k₅*I(45°)-k₆*I(135°)＝(k₅+k₆)*I(45°)-k₆*(I(0°)+I(90°))

S_r＝k₇*I(135°)-k₈*I(45°)＝k₇*((I(0°)+I(90°))-(k₇+k₈)*I(45°)

除了上述的四个通道的偏振参数，还引入一个重要的偏振参数——偏振度，其表达式如下：

增强参数k_j|j＝1,3,5和抑制参数k_j|j＝2,4,6可以控制每一个通道的偏振参数图像的输出，根据调谐参数在模型中的作用，可将增强参数k_{j|j＝1,3,5,7}取值范围设为[1,10]，取值间隔为0.02，将抑制参数k_{j|j＝2,4,6,8}取值范围设为[0.1,1]，取值间隔为0.01，引入图像的信息熵，它是衡量图像中所包含目标和背景信息量的一个指标，图像的信息熵越大则表示图像包含场景信息量越大，可以更准确地还原场景信息，其定义为：

式中，0,1,...,L-1是图像灰度值，p(i)是灰度值为i的像素个数与图像总像素个数的比值。当偏振敏感参数图像的信息熵E_P值最大时，表明图像拥有的偏振信息最多，此时的调谐参数是最优解。计算每一组增强参数和抑制参数值条件下得到的偏振参数图像的信息熵以S_h通道为例，计算调谐参数具体步骤如下：

第一步：初始化调谐参数和偏振参数图像信息熵值，此时，k_jj＝1＝1，k_jj＝2＝0.1，

第二步：计算当前调谐参数下得到的偏振图像信息熵值m表示计算次数；

第三步：与前一调谐参数条件下得到的偏振图像信息熵值相比较，如果则更新调谐参数((具体的参数调控方式：以k₁、k₂为例，k₁取初始值1时，k₂以初始值0.1，先进行图像熵的计算，然后k₁不变，k₂增加0.01计算图像熵，以此类推，直至k₂取值至1结束；然后更新k₁的值，,增加0.02，k₂以初始值0.1开始，重复k₁取初始值1时的步骤，直至k₁＝10，k₂＝1，结束)返回第二步，直到始终满足则偏振图像信息熵值为时的调谐参数k_j|j＝1、k_j|j＝2为最优解，为偏振敏感参数图像最大信息熵值。

S_v、S_d和S_r通道中的调谐参数同样采用以上优化步骤获得，根据各个通道的调谐参数计算偏振度图像DoP。其中，S_h、S_v、S_d、S_r和DoP为求得的目标偏振参数图像。

如图3所示，本发明实施例提供的一种用于目标检测的自适应偏振信息采集与计算装置，用于水面目标偏振信息获取，其主要包括偏振信息采集单元、偏振信息计算单元、控制单元、存储模块、显示模块、电源模块。

偏振信息采集单元用于采集不同太阳高度角下三个偏振方向上的偏振信息，包括相机、可调云台、设置在相机前的旋转镜头、驱动镜头旋转的步进电机。偏振信息计算单元，用于对偏振信息采集单元采集的图像信息进行处理，基于采集的三个方向的偏振图像计算得到水面目标的偏振参数信息；

控制单元还包括采集控制模块，存储控制模块，偏振信息计算控制模块，显示控制模块，通过发送脉冲控制步进电机的旋转、偏振参数计算模块的图像处理、存储模块的信息存储，显示模块的信息传输与显示。

偏振信息计算单元内置有图像处理算法，对输入的采集到的图像进行处理，得到目标偏振信息。存储模块用来存放采集模块采集的图像信息和处理模块处理后的图像信息。显示模块包含数-模转换器、显示屏，在控制信号作用下将处理模块处理后得到的目标偏振信息进行显示，电源模块对系统内的各个模块提供供电服务。

如图4所示，旋转镜头包括以下部分：由两个偏振片组成的偏振镜，前一偏振片通过螺丝固定，后一偏振片为可转动偏振片，与步进电机传动连接，后一偏振片外圈材质为金属材质且外圈上设有三个触片，分别对应0度、45度、90度偏振。通过采集控制模块输出控制信号控制步进电机旋转来调整偏振片旋转角度，信号发射装置所连金属探针始终接触可转动偏振片外围的金属层，偏振片旋转时，当信号接收装置所连金属探针触碰到偏振片边缘的触片形成一回路，信号接收装置便接收到电信号，采集控制模块接收到信号接收装置的信号后控制相机采集目标偏振图像信息。

下面详细叙述控制单元的每个模块的功能：

偏振信息采集控制模块计算当前时刻下的太阳高度角并调节相机与水面所成角度，完成对采集单元的控制，通过发送脉冲使步进电机旋转带动镜头旋转，当信号接收装置接收到信号时，由接收装置发送脉冲信号给采集控制模块，调用中断程序，使步进电机停止转动，同时发送触发信号到相机使相机曝光，中断结束后，步进电机正常工作。I2C总线完成对数据和控制信号的传递。

存储控制模块完成存储模块中图像数据的存储和读取功能，采集单元工作结束时，采集控制模块发送信号给存储控制模块，存储控制模块将采集的图像数据经过I2C总线存储到存储模块的原始数据区，当图像数据的存储结束后，存储控制模块接收到反馈信号，发送信号给偏振信息计算单元，偏振信息计算单元即执行从存储模块中进行图像数据的读取，用于偏振信息的计算。

偏振信息计算单元接收到反馈信号后，将存储模块算法存储区的算法程序和原始数据区的图像加载到偏振信息计算单元中，对加载的图像进行偏振参数计算，求得目标的偏振参数。处理结束后通过发送信号给存储控制模块，将处理好的偏振信息存储到存储模块的处理数据区中。

偏振信息计算控制模块完成偏振信息图像的输出功能，当处理过程结束时，偏振信息计算控制模块接收到信号，将偏振信息计算单元中的数据，送入显示模块进行偏振信息显示。

上述用于目标检测的自适应偏振信息采集与计算装置的工作过程包括以下步骤：

1)调整装置中相机、旋转镜头(使探针位于0度偏振的触片周围)，接通电源，各模块为初始化状态，将装置置于岸边，将相机镜头对准选定的目标。

2)控制单元内的采集控制模块计算当前时刻太阳高度角，采集控制模块中设有时间-太阳高度角计算模块，太阳高度角H的计算方法为：

首先，计算当前日期的太阳赤纬角δ，太阳赤纬可以简单理解成直射点的纬度,不过北纬为正值,南纬为负值，计算公式如下：

sinδ＝0.39795cos[0.98563(N-173)]

N为积日,就是日期在一年中的序号,比如1月1日是1,平年的12月31日是365。

然后根据求得的当日太阳赤纬角求得该地当前时刻的太阳高度角，计算公式如下：

sinH＝sinφsinδ+cosφcosδcost

其中,H是太阳高度角,φ是当地的地理纬度,t是当时的太阳时角，t＝15×(t₀-12)，t₀为真太阳时，即当地时间，以24小时计。

发送信号调整云台角度，如图2，使得相机与水面的拍摄角与太阳高度角沿水面法向量对称，调整完毕后，云台的发出信号使步进电机旋转带动镜头旋转，当旋转镜头的触片与信号接收装置的探针形成回路时，则发送脉冲信号给采集控制模块，调用中断程序，使步进电机停止转动，同时发送触发信号到相机使相机曝光，获取目标的0度偏振图像。

3)中断程序调用结束后，返回主程序，重复步骤(2)获取目标的45度偏振照片。

4)中断程序调用结束后，返回主程序，重复步骤(2)获取目标的90度偏振照片。

5)偏振信息采集单元工作结束时，采集控制模块发送信号给存储控制模块，存储控制模块将采集的图像数据经过I2C总线存储到存储模块的原始数据区。

6)预先将获取目标图像偏振信息的算法存储在存储模块的算法存储区。

7)偏振信息计算单元接收到反馈信号后，将存储模块算法存储区的算法程序和原始数据区的图像加载到偏振信息计算单元中，对加载的图像进行偏振信息计算，求得水面目标的偏振信息。

计算偏振信息的步骤主要包括：

(1)计算调谐参数：

第一步：初始化调谐参数和偏振参数图像信息熵值，此时，k_j|j＝1＝1，k_j|j＝2＝0.1，

第二步：计算初始调谐参数下得到的偏振图像信息熵值

第三步：与前一调谐参数条件下得到的偏振图像信息熵值相比较，如果则更新调谐参数，返回第二步，直到始终满足则偏振图像信息熵值为时的调谐参数k_j|j＝1、k_j|j＝2为最优解，为偏振敏感参数图像最大信息熵值。

重复上述步骤进行S_v、S_d和S_r通道中的调谐参数优化。

(2)计算四组偏振通道的偏振参数：

S_h＝k₁*I(0°)-k₂*I(90°)

S_v＝k₃*I(90°)-k₄*I(0°)

S_d＝k₅*I(45°)-k₆*I(135°)＝(k₅+k₆)*I(45°)-k₆*(I(0°)+I(90°))

S_r＝k₇*I(135°)-k₈*I(45°)＝k₇*((I(0°)+I(90°))-(k₇+k₈)*I(45°)

(3)计算偏振度图像：

将上述步骤得到的目标偏振信息S_h、S_v、S_d、S_r和DoP存储到存储模块的处理数据区中或显示目标偏振信息图像。

Claims (5)

1.一种用于目标检测的自适应偏振信息采集与计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据拍摄时刻计算得到太阳高度角，调整云台角度使得相机与水面的拍摄角与太阳高度角沿水面法向量对称；

(2)调节偏振片方向采集目标在0°方向、45°方向和90°方向三个偏振方向的偏振图像；

(3)基于采集的偏振图像计算出目标的0°方向、90°方向、45°方向和135°方向偏振参数S_h、S_v、S_d和S_r以及偏振度图像DoP，其中：

S_h＝k₁*I(0°)-k₂*I(90°)

S_v＝k₃*I(90°)-k₄*I(0°)

S_d＝(k₅+k₆)*I(45°)-k₆*(I(0°)+I(90°))

S_r＝k₇*((I(0°)+I(90°))-(k₇+k₈)*I(45°)

其中，I(0°)、I(45°)、I(90°)分别为0°方向、45°方向、90°方向偏振图像的光强；k_{j|j＝1,3,5,7}为增强参数，k_{j|j＝2,4,6,8}为抑制参数，k_{j|j＝1,3,5,7}≥1，0＜k_{j|j＝2,4,6,8}≤1。

2.根据权利要求1所述的用于目标检测的自适应偏振信息采集与计算方法，其特征在于，增强参数和抑制参数的确定方法为：

分别设置增强参数和抑制参数的取值范围和取值间隔；

计算每一组增强参数和抑制参数值条件下得到的偏振参数图像的信息熵，取最大信息熵值对应的增强参数和抑制参数取值为最优解。

3.根据权利要求2所述的用于目标检测的自适应偏振信息采集与计算方法，其特征在于，增强参数k_{j|j＝1,3,5,7}取值范围设为[1,10]，取值间隔为0.02；抑制参数k_{j|j＝2,4,6,8}取值范围设为[0.1,1]，取值间隔为0.01。

4.实现如权利要求1-3任一项所述的用于目标检测的自适应偏振信息采集与计算方法的用于目标检测的自适应偏振信息采集与计算装置，其特征在于，包括：偏振信息采集单元、偏振信息计算单元、控制单元和存储模块；

偏振信息采集单元包括相机、可调云台、旋转镜头、和步进电机；其中旋转镜头是由两个偏振片组成的偏振镜，前一偏振片固定，后一偏振片为可转动偏振片，与步进电机传动连接，后一偏振片外圈材质为金属材质且外圈上设有三个触片，相邻两触片的夹角为45度；

偏振信息计算单元，用于基于偏振图像采集单元采集的三个方向的偏振图像计算得到水面目标的偏振参数信息以及偏振度图像；

控制单元，包括采集控制模块、存储控制模块和偏振信息计算控制模块，其中采集控制模块用于根据太阳高度角调节云台的角度并通过控制步进电机实现镜头旋转；存储控制模块用于采集控制模块采集到图像后将图像存储；偏振信息计算控制模块用于接收偏振信息计算单元得到的偏振信息。

存储模块，用于存储采集到的图像以及计算出的目标偏振信息。

5.根据权利要求4所述的用于目标检测的自适应偏振信息采集与计算装置，其特征在于，采集控制模块中设有时间-太阳高度角计算模块，当计算出当前拍摄时刻的太阳高度角后，输出控制信号，调整云台角度从而调整相机与水面的拍摄角度。