CN110826423B - 一种群目标中感兴趣目标探测方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种群目标中感兴趣目标探测方法、装置及系统。该装置包括：白光光源，用于对群目标构成的被测物进行照明；相机，所述相机光轴和光源光轴垂直设置，用于对所述被测物进行拍照，获取多视角预定波长图像序列；镀膜的微透镜阵列，位于相机镜头前面，所述微透镜阵列按照预定波长规律镀膜，用于获取多视角预定波长图像信息；半透半反镜，与照明光路和成像光路呈45度角设置，用于光源光轴与相机光轴通过所述半透半反镜实现重合；处理模块，与相机相连，对相机成像的多视角预定波长图像序列进行处理，去除感兴趣目标的遮挡部分，得到感兴趣目标信息。采用本发明能够克服多目标相互遮挡造成的不利影响，实现感兴趣目标的可靠提取。
Description
技术领域
本发明涉及图像测量技术领域，特别涉及一种群目标中感兴趣目标探测方法、装置及系统。
背景技术
对于侵彻后效区域侵彻体与有效破片等多目标空间参数测试问题，高速摄影检测方法是一种有效的非接触测量手段。但是，传统成像过程是空间物点各方向光辐射信息的积分，无法有效区分光线位置和方向信息，从而导致目标空间位置信息缺失，无法为后效参数处理提供足够的信息。
另一方面，现有技术通常采用普通单光源照明方式，由于后效区域多目标之间存在严重遮挡，部分目标会由于遮挡效应而无法获取足够的照明。同时，由于目标的相互遮挡，感兴趣目标反射的光辐射会被场景中前景目标遮挡，导致无法有效探测。
在侵彻后效测量中，如何克服多目标相互遮挡造成的不利影响，实现感兴趣目标的可靠提取，是实现侵彻后效区域侵彻体与有效破片等多目标空间参数测试问题的关键所在。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种群目标中感兴趣目标探测方法、装置及系统，以解决群目标场景中感兴趣目标在任意单视角模式下与其它目标之间存在遮挡的成像探测问题，并实现群目标的三维空间重建。
本发明提供了一种群目标中感兴趣目标探测装置，所述装置与群目标相对设置，包括：
光源，所述光源为白光光源，用于对群目标构成的被测物进行照明；
相机，所述相机光轴和光源光轴垂直设置，用于对所述被测物进行拍照，获取多视角预定波长图像序列；
镀膜的微透镜阵列，位于相机镜头前面，所述微透镜阵列按照预定波长规律镀膜，用于获取多视角预定波长图像信息；
半透半反镜，与照明光路和成像光路呈45度角设置，用于光源光轴与相机光轴通过所述半透半反镜实现重合；
处理模块，与相机相连，对相机成像的多视角预定波长图像序列进行处理，去除感兴趣目标的遮挡部分，得到感兴趣目标信息。
本发明还提供一种系统，包括多个如上所述的装置和三维合成模块，每个装置围绕群目标，且与群目标相对设置，从多角度对感兴趣目标进行探测；所述三维合成模块，对每个装置处理模块得到的信息进行合成，得到感兴趣目标的三维分布信息。
本发明还提供一种群目标中感兴趣目标探测方法，所述方法包括：
对群目标构成的被测物进行拍照，获取多视角预定波长图像序列；
对所述多视角预定波长图像序列进行处理，去除感兴趣目标的遮挡部分，得到感兴趣目标信息。
由上述的技术方案可见，本发明提供了一种群目标中感兴趣目标探测装置，所述装置与群目标相对设置，包括：光源、相机、半透半反镜和微透镜阵列，以及处理模块组成。光源和相机位于被测物的同一侧，光源为白光光源，光源与相机配套使用，采用半透半反镜实现共轴照明成像模式，同时相机镜头前端耦合微透镜阵列，并且微透镜阵列按照一定位置规律蒸镀不同波段的滤光膜，实现光辐射方向、位置和波长的区分，从而获取场景中特定位置不同辐射角度特定波长对应的图像序列，从而更有效的实现群目标中感兴趣目标的区分和提取。处理模块，与相机相连，对相机成像的多视角预定波长图像序列进行处理，去除感兴趣目标的遮挡部分，得到感兴趣目标信息。从而克服多目标相互遮挡造成的不利影响，实现区域群目标场景中感兴趣目标信息的可靠提取。
附图说明
图1为本发明共轴照明成像装置示意图。
图2为本发明包括3组群目标中感兴趣目标探测装置的布局示意图。
图3为本发明包括多个群目标中感兴趣目标探测装置的系统示意图。
图4为本发明一种群目标中感兴趣目标探测方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
本发明基于相机的光场成像技术获取被测物场景的空间位置信息与光线方向信息。对于侵彻靶板后效区域的成像问题，光场成像技术能够获取同一场景的多视角图像信息，同时结合多角度多光谱光照对场景多目标信息进行区分提取。
实施例一
本发明提出一种群目标中感兴趣目标探测装置，所述装置与群目标相对设置，该装置包括：
光源101，所述光源为白光光源，用于对群目标构成的被测物进行照明；
相机102，所述相机光轴和光源光轴垂直设置，用于对所述被测物进行拍照，获取多视角预定波长图像序列；
镀膜的微透镜阵列103，位于相机镜头前面，所述微透镜阵列按照预定波长规律镀膜，用于获取多视角预定波长图像信息；
其中，所述微透镜阵列按照预定波长规律镀膜，具体根据感兴趣目标和其它目标由于材质差异对各预定波长光辐射反射系数的差异，微透镜阵列上镀膜的预定波长分别为第一波长、第二波长和第三波长，所述第一波长至第三波长依次排布在微透镜阵列上，并且按此规律在微透镜阵列上重复排布。
半透半反镜104，与照明光路和成像光路呈45度角设置，用于光源光轴与相机光轴通过所述半透半反镜实现重合；
其中，在具体应用中，半透半反镜可以是透光比为50:50的分光平片，与光源光轴成45度放置。
处理模块105，与相机相连，对相机成像的多视角预定波长图像序列进行处理，去除感兴趣目标的遮挡部分，得到感兴趣目标信息。
根据上述描述，本发明的群目标中感兴趣目标探测装置包括两部分，一部分是由光源101、相机102、半透半反镜104和镀膜的透镜阵列103组成的共轴照明成像装置如图1所示，一部分是与相机相连的处理模块105，主要对相机成像的多视角预定波长图像序列进行处理，去除感兴趣目标的遮挡部分，得到感兴趣目标信息。
其中，处理模板105包括：提取子模块1051、视角插值子模块1052和消除遮挡子模块1053。
提取子模块1051，用于提取每个预定波长对应的子视角图像信息；
其中，根据镀膜的微透镜阵列，多视角预定波长图像序列包括三个预定波长的子视角图像信息，提取子模块1051将每一个预定波长的子视角图像信息提取出来。
视角插值子模块1052，用于补全每个预定波长对应的子视角图像信息，形成每个预定波长对应的多视角预定波长图像序列；
其中，视角插值子模块1052是为了补全由于提取不同波长子视角后造成的视角空缺，利用左右已有的子视角对中间视角进行插值补空。如此，每个预定波长都对应一个完整的多视角预定波长图像序列。
本发明中视角插值子模块1052采用字典学习方法实现视角插值，具体原理如下：
根据光场成像的基本原理可知空间场景光场是对目标光辐射的方向、强度和光谱等信息的参数化表示，反映了光辐射在三维空间中的位置分布与传播方向之间的映射关系，是三维空间中光线集合的完备表示。鉴于同一场景目标多视角信息在空间和角度信息的关联性和冗余性，表现为稀疏表示域中各向量的稀疏性、非零元素位置及其值之间的相互约束关系，因此，通过计算稀疏表示系数，可以对基矩阵中的光场原子进行筛选并线性表示光场碎片，从而构建出虚拟角度图像，完成稠密光场重建的任务。
假设
为获取的光场信号，基于学习的字典构造方法可以通过对光场多维信号进行特征筛选，从而构造出更加适合表示特定场景光场信号的基矩阵D,光场信号可以稀疏表示为：
其中，A为稀疏表示系数矩阵，D为基矩阵。
稀疏编码矩阵的稀疏度是一个重要的参数，决定了在重构图像时对基矩阵中基础结构元素的选择，直接影响重构图像的质量以及字典训练时间。字典的冗余度决定了基矩阵的规模，也就决定了字典中含有的自然场景中基础元素的数量。最终会影响到重构图像的精细程度。因此我们在设计算法时采用稀疏度、冗余度、原子尺寸三个参数来优化设置相关参数。
假设光场的虚拟角度图像为Iv，相应的稀疏域中系数矩阵为Av，该角度下图像的构建问题转化为l1-范数优化求解问题，即：
ri,i＝1,2,…,(p×q)为Iv与相机阵列获取的光场各角度图像的残差。该模型即保证了重建稀疏矩阵的稀疏特性，又能对原子的线性组合进行有效的权重赋值。利用迭代算法优化求解上式，可以获取未探测视角图像信息，增强系统在光场探测时的角度分辨率。
消除遮挡子模块1053，用于根据合成孔径算法，提取图像中感兴趣目标信息，去除感兴趣目标的遮挡部分。
其中，合成孔径算法用于消除遮挡且融合多视角图像。在本发明中，首先利用特定波长光对感兴趣目标与遮挡目标的区别，对遮挡标记和去除；其次，利用多视角之间的视差，将空间同一物点叠加，使在该聚焦平面上的物点成像清晰，而不在该聚焦平面上的物点成像模糊，从而得到感兴趣目标。
综上，本发明群目标中感兴趣目标探测装置最终实现单相机模式下特定波长多视角图像序列的获取，利用场景多视角图像存在的视差可以有效的实现指定物面的重建。在该过程中，通过感兴趣目标和其他目标对特定波长反射系数的差异，可以增加图像中感兴趣目标的识别概率。通过场景中深度的分割和感兴趣目标局部遮挡的变化，可以对感兴趣目标所在物面进行重建，同时对脱离该物面的其他目标反射的光线进行标记筛除，实现感兴趣目标物面的去遮挡重建。
本发明关键在于，在相机和半透半反镜之间加载前置微透镜阵列，该微透镜阵列有两方面的作用，其一是通过前置微透镜阵列实现单相机模式下的多视角成像，即相机对微透镜阵列形成的像进行二次成像，由于微透镜阵列的排列位置造成对场景观测的视角差异；其二微透镜阵列按照一定的规则进行镀膜以实现对不同波长光的滤波，以实现通过目标反射特性的区别加以区分(感兴趣目标与其它目标由于材质差异造成对不同波长光辐射反射系数的差异)。
采用前置微透镜阵列实现单相机模式下的多视角图像序列的获取过程中，由于微透镜阵列数量和孔径决定观测多视角图的大小，为保证多视角图具有可分辨性，因此微透镜阵列数量不宜过多。(假设相机空间分辨率为4000×4000，微透镜阵列为10×10，则获取的多视角图像素为400×400。若微透镜阵列增加为20×20，则获取的多视角图像素为200×200。可以看出若透镜孔径数量过多会导致多视角子图分辨率下降，影响空间目标的有效探测，但是减小孔径数量会导致空间场景视角区分度不足，影响空间目标探测和定位的精度)。在综合考虑上述空间分辨率和视角分辨率之间的关系后，系统采用较小的孔径数量以保证任意视角子图中目标的可分辨性。同时，装置采用随机字典学习方法，通过图像分区相关性约束和相邻波长对应场景图像空间约束的方法，通过视角插值子模块实现角度插值，从而在保证图像空间分辨率的情况下尽可能获取特定波长情况下更多视角的信息。
微透镜阵列按照一定的规律进行镀膜，以实现不同视角特定波长光辐射信息的获取，从而通过目标反射波长的特性加强系统对感兴趣目标的识别度。由Lambertian反射模型可知，探测场景中物体表面上某一点颜色f(x)可由整个可见光范围内对光源的分布、物体表面的反射率以及相机感光系数积分得到，即
f(x)＝∫ωe(λ)s(x，λ)c(λ)dλ
其中，λ为光波波长，山表示光谱范围，x为场景中的像素点位置，e(λ)为光源的分布，s(x，λ)表示空间中某一点对某一波长的反射率，c(λ)为相机的感光系数。由于本专利主要针对侵彻靶板后效区场景中感兴趣目标的探测，在该种场景中感兴趣目标一般为侵彻体，场景中其他目标一般为靶板破片，因此感兴趣目标和其他目标在材质上具有一定的区分度，从而导致不同目标对特定波长的光的反射系数存在差异。同时考虑靶板材料的多样性，因此本发明采用多种波长滤波窗口以提高系统的适应性。
本发明中微透镜阵列按照预定波长规律镀膜，假设微透镜阵列为10×10，由于λ1、λ2、λ3波长的光可以对感兴趣目标和其他目标进行更好地区分，则通过镀膜依次透射λ1、λ2、λ3波长的光，按此规律在微透镜阵列上重复排布，直至镀膜布满10×10的微透镜阵列。如此，相机就可以获取具有10×10个子视角的，且包括λ1、λ2、λ3三个波长的图像序列。从而更有效的实现群目标中感兴趣目标的区分和提取。
处理模块，首先分别提取λ1、λ2、λ3对应的子视角图像信息；然后鉴于前置微透镜阵列数量局限导致的视角分辨率低的问题，通过字典学习方法实现视角插值以获取更稠密的图像序列，即，针对λ1、λ2、λ3，分别获取一个10×10的多视角图像序列，便于平衡图像获取系统空间分辨率和角度分辨率。最后针对获取的子视角图像序列进行重排，实现对应波长下感兴趣目标的射线筛选，进而通过合成孔径成像算法，实现目标群中感兴趣目标的去遮挡重建。达到本发明的目的。
实施例二
为实现场景中感兴趣目标的可靠探测，本发明采用多组群目标中感兴趣目标探测装置从不同位置不同视角对群目标进行探测。最后可以获取不同视角下空间场景的三维分布。其中，群目标中感兴趣目标探测装置的个数不作限定。
如图2所示，图2为包括3组群目标中感兴趣目标探测装置的布局示意图。图2的每一组装置中未示处理模块，仅示意出由光源101、相机102、半透半反镜104和镀膜的透镜阵列103组成的共轴照明成像装置。每个装置围绕群目标，且与群目标相对设置，从多角度对感兴趣目标进行探测。
图3为本发明包括多个群目标中感兴趣目标探测装置的系统示意图，图3系统中包括3个群目标中感兴趣目标探测装置和三维合成模块，所述三维合成模块300，对每个装置处理模块得到的信息进行合成，得到感兴趣目标的三维分布信息。其中，3个群目标中感兴趣目标探测装置分别为：包括共轴照明成像装置1和处理模块1的群目标中感兴趣目标探测装置1，包括共轴照明成像装置2和处理模块2的群目标中感兴趣目标探测装置2，包括共轴照明成像装置3和处理模块3的群目标中感兴趣目标探测装置3。
实施例三
基于相同的发明构思，本发明提出一种群目标中感兴趣目标探测方法，其示意图如图4所示，所述方法包括：
步骤41、对群目标构成的被测物进行拍照，获取多视角预定波长图像序列；
步骤42、对所述多视角预定波长图像序列进行处理，去除感兴趣目标的遮挡部分，得到感兴趣目标信息。
其中，对所述多视角预定波长图像序列进行处理，去除感兴趣目标的遮挡部分，得到感兴趣目标信息，具体包括：
S421、提取每个预定波长对应的子视角图像信息；
S422、补全每个预定波长对应的子视角图像信息，形成每个预定波长对应的多视角预定波长图像序列；
S423、根据合成孔径算法，提取图像中感兴趣目标信息，去除感兴趣目标的遮挡部分。
综上，本发明通过镀膜的微透镜阵列，与相机、光源、半透半反镜相结合，实现光辐射方向、位置和波长的区分，从而获取场景中特定位置不同辐射角度特定波长对应的图像序列，从而更有效的实现群目标中感兴趣目标的区分和提取。进而通过处理模块实现感兴趣目标物面的去遮挡重建。进一步地，本发明采用多套群目标中感兴趣目标探测装置从多个视角对被测场景进行成像，从而保证群目标中感兴趣目标具有更高的不被遮挡的概率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限定本发明的包含范围，凡在本发明技术方案的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种群目标中感兴趣目标探测装置，其特征在于，所述装置与群目标相对设置，包括：
光源，所述光源为白光光源，用于对群目标构成的被测物进行照明；
相机，所述相机光轴和光源光轴垂直设置，用于对所述被测物进行拍照，获取多视角预定波长图像序列；
镀膜的微透镜阵列，位于相机镜头前面，所述微透镜阵列按照预定波长规律镀膜，用于获取多视角预定波长图像信息；
半透半反镜，与照明光路和成像光路呈45度角设置，用于光源光轴与相机光轴通过所述半透半反镜实现重合；
处理模块，与相机相连，对相机成像的多视角预定波长图像序列进行处理，去除感兴趣目标的遮挡部分，得到感兴趣目标信息；
其中，所述处理模块包括：
提取子模块，用于提取每个预定波长对应的子视角图像信息；
视角插值子模块，用于补全每个预定波长对应的子视角图像信息，形成每个预定波长对应的多视角预定波长图像序列；
消除遮挡子模块，用于根据合成孔径算法，提取图像中感兴趣目标信息，去除感兴趣目标的遮挡部分。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微透镜阵列按照预定波长规律镀膜，具体根据感兴趣目标和其它目标由于材质差异对各预定波长光辐射反射系数的差异，微透镜阵列上镀膜的预定波长分别为第一波长、第二波长和第三波长，所述第一波长至第三波长依次排布在微透镜阵列上，并且按此规律在微透镜阵列上重复排布。
3.一种群目标中感兴趣目标探测系统，包括多个如权利要求1-2任一项所述的装置和三维合成模块，每个装置围绕群目标，且与群目标相对设置，从多角度对感兴趣目标进行探测；所述三维合成模块，对每个装置处理模块得到的信息进行合成，得到感兴趣目标的三维分布信息。
4.一种群目标中感兴趣目标探测方法，其特征在于，所述方法包括：
对群目标构成的被测物进行拍照，获取多视角预定波长图像序列；
对所述多视角预定波长图像序列进行处理，去除感兴趣目标的遮挡部分，得到感兴趣目标信息；
其中，对所述多视角预定波长图像序列进行处理，去除感兴趣目标的遮挡部分，得到感兴趣目标信息，具体包括：
提取每个预定波长对应的子视角图像信息；
补全每个预定波长对应的子视角图像信息，形成每个预定波长对应的多视角预定波长图像序列；
根据合成孔径算法，提取图像中感兴趣目标信息，去除感兴趣目标的遮挡部分。
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