CN109444056A - 一种双目成像式水下光谱反射率原位测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双目成像式水下光谱反射率原位测量装置及测量方法，包括双目光谱成像子系统、水下宽光谱LED光源、水体衰减系数测量仪、控制单元、接收端光端机、上位机、支架；其中，双目光谱成像子系统包括两台参数完全相同的第一水下光谱成像仪和第二水下光谱成像仪；第一水下光谱成像仪和第二水下光谱成像仪同步采集水下目标物光谱图像序列；水体衰减系数测量仪固定于支架上，用于测量水体光学衰减系数，第一水下光谱成像仪、第二水下光谱成像仪、水下宽光谱LED光源和水体衰减系数测量仪均与控制单元相连，控制单元与接收端光端机相连，接收端光端机与上位机相连。本发明能实现水下目标物表面光谱反射率的原位、定量、准确测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种水下光谱反射率测量装置，尤其涉及一种双目成像式水下光谱反射率原位测量装置及测量方法。
背景技术
物体表面的光谱反射率是物体表面所反射的光谱辐射能量与入射到物体表面的光谱辐射能量之间的比值，体现了物体表面对不同波长光的反射能力，是物体的本征属性之一。物体光谱反射率这一特性已经在卫星遥感、农业、食品、生物医学、军事等领域得到了非常广泛的应用，但是相关研究和应用主要还是集中在陆地和海面，而对于水下研究及应用相对较少。
随着人类对海洋研究的不断深入，人们对于水下环境监测和探测的要求也在不断提高，世界各国科研人员正积极探索如何定量、准确地获取水下物体表面的光谱反射率，并基于此对海底物体(如海底表面的矿物、生物、人造物体)进行分类识别、对海洋生态环境进行更有效的监测。光谱成像技术将空间维度与光谱维度相结合，可以实现图谱合一，可以得到更直观、丰富、准确的物体信息，因此，通过水下光谱成像技术原位、定量获取水下物体表面的光谱反射率是一种十分有应用前景的探测手段。
通常水下环境为微光甚至黑暗环境，需要采用水下人造光源对水下光谱成像进行辅助照明。然而，由于光在水中传输的过程中，水体(包括水、水中悬浮颗粒物、水中溶解物质等)会对光产生严重的吸收和散射衰减作用，导致光的能量整体减弱、能量在不同波长的相对分布发生变化，因此，需要对原始水下光谱图像进行水体衰减补偿以还原物体表面真实的光谱信息。美国专利(CN 203444122 U，US Patent 8,767,205)提出了一种水下高光谱成像系统，并通过与水下测距装置协同工作，补偿水体衰减的影响，获取水下光谱图像信息，但由于其成像方式仅为成像面探测，无法得到物体表面三维信息，故存在光谱信息补偿误差，且该系统不能原位获得水下物体表面光谱反射率数据。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供了一种双目成像式水下光谱反射率原位测量装置及测量方法，利用两台水下光谱成像仪同步获取水下物体光谱图像，并基于双目视觉原理计算物体的三维空间坐标，从而获得物体上每一个点与光谱成像仪之间的空间距离；根据同步测量的水体衰减系数，补偿水体对光谱的衰减；根据水下光谱成像仪光谱响应与绝对辐射度之间的定标模型，获得物体表面所反射的光谱辐射能量；再根据水下LED光源的水下光场分布模型，计算入射到物体表面的光谱辐射能量，从而得到物体表面的光谱反射率。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种双目成像式水下光谱反射率原位测量装置，包括双目光谱成像子系统、水下宽光谱LED光源、水体衰减系数测量仪、控制单元、接收端光端机、上位机、支架；其中，所述双目光谱成像子系统包括两台参数完全相同的第一水下光谱成像仪和第二水下光谱成像仪，两者平行安装在支架的左右两侧且前端面位于同一平面上；所述第一水下光谱成像仪和第二水下光谱成像仪同步采集水下目标物光谱图像序列；所述水体衰减系数测量仪固定于支架上，用于测量水体光学衰减系数，所述第一水下光谱成像仪、第二水下光谱成像仪、水下宽光谱LED光源和水体衰减系数测量仪均与控制单元相连，控制单元与接收端光端机相连，接收端光端机与上位机相连。
进一步的，所述第一水下光谱成像仪和第二水下光谱成像仪均包括光谱成像仪密封舱以及安装在光谱成像仪密封舱内的成像镜头、液晶可调谐滤光片、图像传感器、对焦控制电路和集线器；所述图像传感器、液晶可调谐滤光片和成像镜头依次布置在同一光轴上；所述图像传感器、液晶可调谐滤光片、对焦控制电路均通过集线器与控制单元相连，对焦控制电路控制成像镜头进行对焦。
进一步的，所述成像镜头采用电动对焦镜头。
进一步的，所述图像传感器采用微光相机。
进一步的，所述图像传感器与液晶可调谐滤光片之间通过安装转像透镜组扩大成像视场。
进一步的，所述控制单元包括控制单元密封舱以及安装在控制单元密封舱内的发送端光端机、电源管理模块和微型工控机；所述电源管理模块为整个双目成像式水下光谱反射率原位测量装置提供工作电压；水体衰减系数测量仪、第一水下光谱成像仪、第二水下光谱成像仪以及发送端光端机均与微型工控机相连，所述发送端光端机和接收端光端机通过光纤相互通讯。
本发明的另一目的是提供一种双目成像式水下光谱反射率原位测量装置的测量方法，包括以下步骤：
(1)针对采用的水下宽光谱LED光源，测量光源出射光谱特性；结合光源自身辐射特性、水体的衰减系数和水下光场光谱辐照度实测数据建立水下光场光谱辐照度分布模型E(x,y,z,λ)，其中(x,y,z)为空间点坐标，λ为不同波长；
(2)使用标准光谱辐亮度计和积分球光源，在空气中对第一水下光谱成像仪和第二水下光谱成像仪进行定标，建立物体表面点的光谱图像响应I(x,y,z,λ)与表面光谱辐亮度L(x,y,z,λ)的定标关系，即L(x,y,z,λ)＝f(I(x,y,z,λ))；
(3)由水体衰减系数测量仪测量得到水体的光谱衰减系数α(λk)，k∈(1,n)，λk为第k波段的中心波长，n为第一水下光谱成像仪或第二水下光谱成像仪的成像波段数；
(4)微型工控机控制第一水下光谱成像仪和第二水下光谱成像仪同步采集原始光谱图像序列；
(5)从两组光谱图像中取出同一波段的两张光谱图像，使用SIFT算法对这两张图像作位置匹配，基于位置匹配结果即可得到同一个目标点在两组光谱图像上的位置坐标；
(6)选择第一水下光谱成像仪或第二水下光谱成像仪建立相机坐标系，使用双目立体视觉技术确定任一目标点的三维空间坐标，计算目标点与第一水下光谱成像仪或第二水下光谱成像仪的空间距离为D(x,y,z)；
(7)根据步骤(3)得到的水体光谱衰减系数，对光谱图像进行衰减补偿，获得水下目标物体的真实光谱响应：
其中，I0(x,y,z,λk)为目标点在λk波段的光谱图像上的原始响应强度，Ir(x,y,z,λk)为经衰减补偿后的光谱响应强度；
(8)根据步骤(2)得到的光谱图像响应与物体表面光谱辐亮度的定标关系，获取目标点的反射光谱辐亮度为Lr(x,y,z,λk)＝f(Ir(x,y,z,λk))；
(9)根据步骤(1)得到的水下宽光谱LED光源在水下的光谱辐照度分布模型和和步骤(6)得到的空间三维信息，获取目标点的入射光谱辐照度为Er(x,y,z,λk)；
(10)获取水下目标物表面光谱反射率为Rr(x,y,z,λk)＝πLr(x,y,z,λk)/Er(x,y,z,λk)。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明无需额外的测距装置，由两台水下光谱成像仪实现水下双目视觉光谱成像；每次测量获得两组光谱图像序列，基于双目视觉原理，通过光谱图像数据处理算法，获得目标物每个像素点的三维空间信息；结合同步原位测量的水体衰减系数，对水体衰减进行精确补偿，获得物体表面真实的反射光谱辐射能量；
(2)本发明的水下光谱成像仪采用微光相机作为成像传感器，大大提升了水下成像质量；采用液晶可调谐滤光片，相比机械式光谱分光器件，极大提高了光谱通道切换速度，减少了装置的复杂度，提高了装置可靠性，将整个装置的抖动和功耗等降到最低，避免了同一组光谱图像序列之间的配准；采用电动对焦镜头，保证了光谱成像清晰度；
(3)本发明的测量方法依靠水下LED光源水下光场模型和水下光谱成像仪光谱响应与绝对光谱辐射度之间的定标关系，可在原位测量时，根据物体三维空间信息即时推演出物体表面真实入射和反射的光谱辐射能量，从而获得原位、定量、准确的光谱反射率。因此，基于本发明可以对海底物体(如海底表面的矿物、生物、人造物体)进行高效分类识别、对海洋生态环境进行更有效的监测，也能同时获取水下物体的三维信息、水下地势地貌等。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的控制单元的内部结构示意图；
图3是本发明的水下光谱成像仪的内外部结构主视图；
图4是本发明的水下光谱成像仪的内外部结构俯视图；
图5是本发明的整体连接框图；
图6是本发明的测量方法流程图；
图中，1.第一水下光谱成像仪，2.第二水下光谱成像仪，3.水下宽光谱LED光源，4.水体衰减系数测量仪，5.控制单元，6.接收端光端机，7.上位机，8.支架，9.图像传感器，10.液晶可调谐滤光片，11.成像镜头，12.对焦控制电路，13.集线器，14.内部支架，15.光谱成像仪密封舱，16.发送端光端机，17.电源管理模块，18.微型工控机，19.控制单元密封舱。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1-5所示，本发明一种双目成像式水下光谱反射率原位测量装置包括双目光谱成像子系统、水下宽光谱LED光源3、水体衰减系数测量仪4、控制单元5、接收端光端机6、上位机7、支架8；其中，所述控制单元包括控制单元密封舱19以及安装在控制单元密封舱19内的发送端光端机16、电源管理模块17和微型工控机18；所述电源管理模块17整个测量装置提供工作电压；所述控制单元密封舱19由金属圆筒、前端盖、后端盖等组成，通过O形圈实现静密封，前后端盖上均匀分布安装多个水密接插件，所述水密接插件用于密封舱内部与外部实现信号传输或电力传输；所述发送端光端机16和接收端光端机6通过水密接插件和水下光电复合缆形成光纤信道，光纤通信大大增加了水下通讯距离和装置最大工作水深；所述上位机7与微型工控机18进行光纤通讯(即上述的光纤信道)，向微型工控机18发送数据采集、传输以及装置控制指令，并进行数据接收、数据存储和处理。
所述水下宽光谱LED光源3在水下黑暗或弱光环境下为水下光谱成像提供辅助照明；所述双目光谱成像子系统包括第一水下光谱成像仪1和第二水下光谱成像仪2；所述第一水下光谱成像仪1和第二水下光谱成像仪2的参数完全相同，两者平行安装在支架8左右两侧，且前端面位于同一平面上，满足双目视觉成像要求；所述水体衰减系数测量仪4固定于支架8侧边，用于测量水体光学衰减系数。
所述第一水下光谱成像仪1和第二水下光谱成像仪2结构相同，均包括光谱成像仪密封舱15和通过内部支架14安装在光谱成像仪密封舱15内的图像传感器9、液晶可调谐滤光片10、成像镜头11、对焦控制电路12和集线器13，所述成像镜头11采用电动对焦镜头，所述图像传感器9采用微光相机；由耐压的光谱成像仪密封舱15保证其在水下正常工作；所述光谱成像仪密封舱15为圆筒形，由金属圆筒、前端盖、后端盖、O形圈、水密接插件等组成，前端盖设置光学玻璃窗口使外部光线可以进入成像镜头11；所述液晶可调谐滤光片10位于图像传感器9和成像镜头11之间，三者布置在同一光轴上，对通过成像镜头11的光线进行滤光，输出特定波段的光谱；所述微型工控机接收到上位机的自动对焦指令，则控制对焦控制电路驱动电动对焦镜头内部的调焦电机运动，所述对焦控制电路12驱动成像镜头11内部的调焦电机运动，微型工控机实时计算光谱图像清晰度，使特定波段的光谱聚焦到所述图像传感器9的成像平面上，得到清晰的光谱图像；所述微光相机具有较高的量子响应效率，减弱水体衰减和窄波段光谱能量分散的限制，适合用于采集水下光谱图像；所述微光相机与液晶可调谐滤光片之间可以安装转像透镜组以扩大视场，减小晃动对成像的影响；所述微光相机、液晶可调谐滤光片10、对焦控制电路12均通过集线器13与微型工控机18相连。
所述微型工控机18控制水体衰减系数测量仪4、第一水下光谱成像仪1和第二水下光谱成像仪2的工作运行、数据采集，并将数据实时传输回上位机。所述微型工控机控制两台水下光谱成像仪的同步工作，包括同步设置相同的工作参数、同步采集光谱图像数据，并将光谱数据实时传输回上位机。
本实施例中水下宽光谱LED光源可以采用Deepsea公司SLS 6500型号的产品，但不限于此；水体衰减系数测量仪可以采用TriOS公司ViPer型号的产品，但不限于此；微光相机可以采用Andor公司iXon Ultra 888EMCCD型号的产品，但不限于此；液晶可调谐滤光片可以采用CRi公司VIS-10VariSpec Filter型号的产品，但不限于此；微型工控机可以采用COMMELL公司LP-175型号的产品，但不限于此。电动对焦镜头可以采用佳能公司EF-S18-135mm f/3.5-5.6型号的产品，但不限于此；对焦控制电路可以采用Arduino Uno型号的产品，但不限于此；电源管理模块可以采用上海翠星电子科技有限公司MT856型号的产品，但不限于此。
一种利用上述双目成像式水下光谱反射率原位测量装置的测量方法，其流程如图6所示，主要包括以下步骤，其中步骤(1)和(2)为装置前期定标测试，只需完成一次，所得数据可用于后续步骤进行光谱反射率测量。
(1)针对采用的水下宽光谱LED光源3，测量光源出射光谱特性；结合光源自身辐射特性、水体的衰减系数等参数和水下光场光谱辐照度实测数据建立水下光场光谱辐照度分布模型E(x,y,z,λ)，其中(x,y,z)为空间点坐标，λ为不同波长；
(2)使用标准光谱辐亮度计和积分球光源，在空气中对第一水下光谱成像仪1和第二水下光谱成像仪2进行定标，建立物体表面点的光谱图像响应I(x,y,z,λ)与表面光谱辐亮度L(x,y,z,λ)的定标关系，即L(x,y,z,λ)＝f(I(x,y,z,λ))；
(3)由水体衰减系数测量仪4测量得到水体的光谱衰减系数α(λk)，k∈(1,n)，λk为第k波段的中心波长，n为第一水下光谱成像仪1或第二水下光谱成像仪2的成像波段数；
(4)微型工控机18控制第一水下光谱成像仪1和第二水下光谱成像仪2同步采集原始光谱图像序列；
(5)从两组光谱图像中取出同一波段的两张光谱图像，使用SIFT算法对这两张图像作位置匹配，基于位置匹配结果即可得到同一个目标点在两组光谱图像上的位置坐标；
(6)选择第一水下光谱成像仪1或第二水下光谱成像仪2建立相机坐标系，使用双目立体视觉技术确定任一目标点的三维空间坐标，计算目标点与第一水下光谱成像仪1或第二水下光谱成像仪2的空间距离为D(x,y,z)；
(7)根据步骤(3)得到的水体光谱衰减系数，对光谱图像进行衰减补偿，获得水下目标物体的真实光谱响应：
其中，I0(x,y,z,λk)为目标点在λk波段的光谱图像上的原始响应强度，Ir(x,y,z,λk)
为经衰减补偿后的光谱响应强度；
(8)根据步骤(2)得到的光谱图像响应与物体表面光谱辐亮度的定标关系，获取目标点的反射光谱辐亮度为Lr(x,y,z,λk)＝f(Ir(x,y,z,λk))；
(9)根据步骤(1)得到的水下LED光源在水下的光谱辐照度分布模型和和步骤(6)得到的空间三维信息，获取目标点的入射光谱辐照度为Er(x,y,z,λk)；
(10)获取水下目标物表面光谱反射率为Rr(x,y,z,λk)＝πLr(x,y,z,λk)/Er(x,y,z,λk)。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本技术领域的技术人员认为，随着技术的发展，可以以许多不同的方式来实现本发明的基本构想，因此，本发明及其实施例不限于上文所述的实例。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种双目成像式水下光谱反射率原位测量装置，其特征在于，包括双目光谱成像子系统、水下宽光谱LED光源(3)、水体衰减系数测量仪(4)、控制单元(5)、接收端光端机(6)、上位机(7)、支架(8)等；其中，所述双目光谱成像子系统包括两台参数完全相同的第一水下光谱成像仪(1)和第二水下光谱成像仪(2)，两者平行安装在支架(8)的左右两侧且前端面位于同一平面上；所述第一水下光谱成像仪(1)和第二水下光谱成像仪(2)同步采集水下目标物光谱图像序列；所述水体衰减系数测量仪(4)固定于支架(8)上，用于测量水体光学衰减系数，所述第一水下光谱成像仪(1)、第二水下光谱成像仪(2)、水下宽光谱LED光源(3)和水体衰减系数测量仪(4)均与控制单元(5)相连，控制单元(5)与接收端光端机(6)相连，接收端光端机(6)与上位机(7)相连。
2.根据权利要求1所述的双目成像式水下光谱反射率原位测量装置，其特征在于，所述第一水下光谱成像仪(1)和第二水下光谱成像仪(2)均包括光谱成像仪密封舱(15)以及安装在光谱成像仪密封舱(15)内的成像镜头(11)、液晶可调谐滤光片(10)、图像传感器(9)、对焦控制电路(12)和集线器(13)；所述图像传感器(9)、液晶可调谐滤光片(10)和成像镜头(11)依次布置在同一光轴上；所述图像传感器(9)、液晶可调谐滤光片(10)、对焦控制电路(12)均通过集线器(13)与控制单元(5)相连，对焦控制电路(12)控制成像镜头(11)进行对焦。
3.根据权利要求2所述的双目成像式水下光谱反射率原位测量装置，其特征在于，所述成像镜头(11)采用电动对焦镜头。
4.根据权利要求2所述的双目成像式水下光谱反射率原位测量装置，其特征在于，所述图像传感器(9)采用微光相机。
5.根据权利要求2所述的双目成像式水下光谱反射率原位测量装置，其特征在于，所述图像传感器(9)与液晶可调谐滤光片(10)之间通过安装转像透镜组扩大成像视场。
6.根据权利要求2所述的双目成像式水下光谱反射率原位测量装置，其特征在于，所述控制单元(5)包括控制单元密封舱(19)以及安装在控制单元密封舱(19)内的发送端光端机(16)、电源管理模块(17)和微型工控机(18)；所述电源管理模块(17)为整个双目成像式水下光谱反射率原位测量装置提供工作电压；水体衰减系数测量仪(4)、第一水下光谱成像仪(1)、第二水下光谱成像仪(2)以及发送端光端机(16)均与微型工控机(18)相连，所述发送端光端机(16)和接收端光端机(8)通过光纤相互通讯。
7.一种根据权利要求6所述的双目成像式水下光谱反射率原位测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)针对采用的水下宽光谱LED光源(3)，测量光源出射光谱特性；结合光源自身辐射特性、水体的衰减系数和水下光场光谱辐照度实测数据建立水下光场光谱辐照度分布模型E(x,y,z,λ)，其中(x,y,z)为空间点坐标，λ为不同波长；
(2)使用标准光谱辐亮度计和积分球光源，在空气中对第一水下光谱成像仪(1)和第二水下光谱成像仪(2)进行定标，建立物体表面点的光谱图像响应I(x,y,z,λ)与表面光谱辐亮度L(x,y,z,λ)的定标关系，即L(x,y,z,λ)＝f(I(x,y,z,λ))；
(3)由水体衰减系数测量仪(4)测量得到水体的光谱衰减系数α(λk)，k∈(1,n)，λk为第k波段的中心波长，n为第一水下光谱成像仪(1)或第二水下光谱成像仪(2)的成像波段数；
(4)微型工控机(18)控制第一水下光谱成像仪(1)和第二水下光谱成像仪(2)同步采集原始光谱图像序列；
(5)从两组光谱图像中取出同一波段的两张光谱图像，使用SIFT算法对这两张图像作位置匹配，基于位置匹配结果即可得到同一个目标点在两组光谱图像上的位置坐标；
(6)选择第一水下光谱成像仪(1)或第二水下光谱成像仪(2)建立相机坐标系，使用双目立体视觉技术确定任一目标点的三维空间坐标，计算目标点与第一水下光谱成像仪(1)或第二水下光谱成像仪(2)的空间距离为D(x,y,z)；
(7)根据步骤(3)得到的水体光谱衰减系数，对光谱图像进行衰减补偿，获得水下目标物体的真实光谱响应：
其中，I0(x,y,z,λk)为目标点在λk波段的光谱图像上的原始响应强度，Ir(x,y,z,λk)为经衰减补偿后的光谱响应强度；
(8)根据步骤(2)得到的光谱图像响应与物体表面光谱辐亮度的定标关系，获取目标点的反射光谱辐亮度为Lr(x,y,z,λk)＝f(Ir(x,y,z,λk))；
(9)根据步骤(1)得到的水下宽光谱LED光源(3)在水下的光谱辐照度分布模型和和步骤(6)得到的空间三维信息，获取目标点的入射光谱辐照度为Er(x,y,z,λk)；
(10)获取水下目标物表面光谱反射率为Rr(x,y,z,λk)＝πLr(x,y,z,λk)/Er(x,y,z,λk)。
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