CN111458026A - 一种紫外偏振与可见光谱信息融合相机及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紫外偏振与可见光谱信息融合相机及方法，融合相机包括可见光谱成像子系统、紫外偏振成像光学子系统和控制存储单元：所述可见光谱成像子系统用于接收光源照射目标和背底产生的反射可见光、以及目标和背底发射的可见荧光并形成光谱图像；所述紫外偏振成像光学子系统用于接收光源照射目标和背底产生的反射紫外线并形成偏振图像；控制存储单元用于接收、存储、重叠率计算和融合光谱图像和偏振图像，控制存储单元还包括一个带游标的滑杆；所述可见光谱成像子系统、紫外偏振成像光学子系统采用平行方式紧密排列。本发明解决了现有偏振光谱一体化成像技术只能适用于同一谱段的问题，同时具有偏振图像和光谱图像重叠率大的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光谱成像技术领域，具体涉及一种紫外偏振与可见光谱信息融合相机及方法。
背景技术
光谱成像技术是通过成像光谱仪记录被测物体在一定光谱范围内密集均匀分布的多个窄波段单色光的反射光亮度分布或荧光亮度分布，形成由许多单色光影像构成的光谱影像集。光谱成像技术是光谱分析技术和图像分析技术发展的结合，光谱成像技术因其具有图像和光谱指纹识别双重优势，可对被测物体进行定性、定量和定位分析。由于目前的分光器件以及探测器还无法覆盖全部光学谱段范围，光谱成像技术按照光谱范围又可细分为紫外光谱成像技术、可见光谱成像技术及红外光谱成像技术等。不同谱段的光谱成像技术有其自身的特点和优势应用，以物证的搜索鉴定为例，紫外光谱成像技术主要用于指纹的显现增强和固定。可见光谱成像最显著的优势就是可以区分同色异谱的物质，可剔除复杂背景对指纹与印记形貌观测的干扰；另外，很多物质的荧光波长也在可见光谱段，可见光谱成像可通过细分波长区分不同的荧光物质。红外光谱成像技术可以获得分子振动或转动信息，因此可得到更多的物质成份信息，可探测显现潜在血迹和指纹等。
任何物体都会由于反射、散射、透射、辐射电磁波产生与自身特征相对应的偏振信息，偏振成像实现了目标位置、光强和偏振等多信息融合，能够提供目标的光强图像无法显示的表面粗糙度、纹理走向、表面取向、表面电导率、材料理化特征、含水量等特征，对物体轮廓和表面取向识别具有明显的优越性。例如，普通成像很难显现的水面透明塑料和油膜，由于其表面纹理走向和电导率与背景水面存在差异，因此在偏振成像时这些物体就可以得到较明显的显示。
目前，已经有一些研究开始将光谱成像和偏振成像相结合。国外开展偏振光谱一体化成像技术研究的机构主要集中在美国、日本、欧盟等的军方和一些大学，研究重点主要包括原理探索、实验验证和应用评估等。国内尚处于理论和初步实验研究阶段。比较典型的偏振光谱一体化成像技术主要是在光谱成像仪的基础上发展而来，例如，液晶可调滤光器和声光可调滤光器本身具有偏振特性，基于这些滤光器件的光谱成像设备可以简单地通过旋转滤光器件角度的方式实现目标偏振和光谱特性的同时收集。
现有的偏振光谱一体化成像技术主要针对同一谱段，而针对不同谱段的偏振和光谱同时成像技术则鲜有报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种紫外偏振与可见光谱信息融合相机，解决现有偏振光谱一体化成像技术只能适用于同一谱段的问题，同时具有偏振图像和光谱图像重叠率大的优点。
此外，本发明还提供上述紫外偏振与可见光谱信息融合相机的融合方法。
本发明通过下述技术方案实现：
一种紫外偏振与可见光谱信息融合相机，包括可见光谱成像子系统、紫外偏振成像光学子系统和控制存储单元：
所述可见光谱成像子系统包括可见镜头、滤光器和可见相机，所述可见光谱成像子系统用于接收光源照射目标和背底产生的反射可见光、以及目标和背底发射的可见荧光并形成光谱图像；
所述紫外偏振成像光学子系统包括紫外镜头、偏振器和紫外相机，所述紫外偏振成像光学子系统用于接收光源照射目标和背底产生的反射紫外线并形成偏振图像；
所述控制存储单元用于接收、存储、重叠率计算和融合光谱图像和偏振图像，所述控制存储单元还包括一个带游标的滑杆，滑杆的取值范围从0％线性增加到100％，所述游标的位置与重叠率C关联；
所述可见光谱成像子系统、紫外偏振成像光学子系统采用平行方式紧密排列。
本发明所述可见镜头、滤光器、可见相机、外镜头、偏振器和紫外相机均为现有技术；所述控制存储单元采用技术。
本发明不同于现有偏振光谱一体化成像技术简单地通过旋转滤光器件角度的方式实现目标偏振和光谱特性的同时收集，本申请所述可见光谱成像子系统、紫外偏振成像光学子系统为两个独立的子系统，通过可见光谱成像子系统、紫外偏振成像光学子系统单独获取光谱图像和偏振图像，解决了现有偏振光谱一体化成像技术只能适用于同一谱段的问题，并且，可见光谱成像子系统、紫外偏振成像光学子系统采用平行方式紧密排列，使得光谱图像和偏振图像仅通过水平或垂直方向上的平移就可实现重叠区同一物体图像的重合，同时确保了光谱图像和偏振图像拥有较大的重叠率。
同时，本发明的可见光谱成像子系统、紫外偏振成像光学子系统结构简单，操作同意。
综上，本发明通过设置两个独立且平行设置的见光谱成像子系统、紫外偏振成像，分别用于获取光谱图像和偏振图像，解决了现有偏振光谱一体化成像技术只能适用于同一谱段的问题，且平行紧密排列即保证了光谱图像和偏振图像拥有较大的重叠率，又保证了光谱图像和偏振图像可以通过简单的平移操作实现同一目标物体的重合。
进一步地，可见光谱成像子系统和紫外偏振成像光学子系统的视场大小，放大率和图像分辨率均相同。
进一步地，可见镜头和紫外镜头采用相同焦距，所述滤光器和偏振器采用相同的分辨率，且像元尺寸也相同。
即可见光谱成像子系统、紫外偏振成像光学子系统可以通过部件参数的合理选择搭配，实现两者拍摄图像的视场大小，放大率、图像分辨率均相同。
进一步地，控制存储单元包括处理器、第一缓存器、第二缓存器、第一存储器和第二存储器；
所述第一存储器用于存储光谱图像和偏振图像；
所述第一缓存器和第二缓存器分别用于存储光谱图像和偏振图像；
所述处理器用于调用第一缓存器和第二缓存器内存储的光谱图像和偏振图像并进行融合处理；
所述第二存储器用于存储经过处理器处理后的光谱图像和偏振图像。
本发明所述处理器、第一缓存器、第二缓存器、第一存储器和第二存储器均为现有硬件，本发明的目的在于通过合理布置处理器、第一缓存器、第二缓存器、第一存储器和第二存储器，不仅能够实现控制存储单元的接收、存储和融合的基本功能，同时，通过设置第一存储器用于存储光谱图像和偏振图像，以作为原始数据的存档；通过设置2个缓存器(第一缓存器、第二缓存器)，实现可见相机和紫外相机单独使用一个缓存器(即可见相机将一个拍摄周期内的光谱图像存入第一缓存器，紫外相机将一个拍摄周期内的偏振图像存入第二缓存器内)，以便处理器调用，避免处理器直接从第一存储器调用数据带来的运行效率降低的问题。
本发明所述处理器对第一缓存器、第二缓存器中的数据进行并行处理，分别得到可见光谱处理结果和紫外偏振处理结果，这些处理结果以图片的形式给出，例如光谱匹配图、偏振度图等。
综上，本发明通过设置独立的第一缓存器、第二缓存器和第一存储器，其中第一存储器用于存储光谱图像和偏振图像，以作为原始数据的存档，第一缓存器和第二缓存器分别用于存储光谱图像和偏振图像，处理器直接调用第一缓存器和第二缓存器数据，提高了处理效率。
进一步地，控制存储单元还包括显示单元，所述显示单元用于显示处理器的融合处理结果。
进一步地，处理器采用多核处理器或多个处理器联用。
进一步地，平行方式为上下平行或左右平行。
进一步地，光源为紫外光或可见光或二者结合。
依据照明光源的组合以及各成像子系统和信息融合方式的设置，相机可以实现的用途如表1所示，采用组合照明的工作方式3虽然兼具工作方式1和2的作用，但由于存在照明光对目标信号的干扰，信噪比会较工作方式1和2低，实际使用时可根据现场情况酌情考虑。
表1工作方式及用途表
一种基于紫外偏振与可见光谱信息融合相机的融合方法，包括以下步骤：
S1：紫外相机和可见相机拍摄的偏振图像和光谱图像持续的写入控制存储单元中的存储单元；
S2：控制存储单元中的处理单元调用存储单元的数据并进行处理，分别得到可见光谱处理结果和紫外偏振处理结果，这些处理结果以图片的形式给出；
S3：对可见光谱处理结果和紫外偏振处理结果进行重叠率计算及调整，获得正确的重叠区域；
S4：对已经调整好重叠区域的可见光谱处理结果和紫外偏振处理结果进行信息融合处理，并以图片的形式给出信息融合结果。
本发明对可见光谱成像子系统、紫外偏振成像光学子系统的处理结果进行重叠区计算和调整，然后对两种成像结果信息进行快速融合，结合两种成像技术的优势，实现对特定目标的探测识别率大幅提升，该相机在物证搜索鉴定、工业在线监测、医学检测等领域有重要应用前景。
优选地，将息融合结果通过显示单元显示。本发明对可见光谱成像子系统、紫外偏振成像光学子系统的处理结果进行重叠区计算和调整，可将重叠率调整显示窗口和信息融合显示窗口合并，精简软件界面，提高软件运行效率。
进一步地，步骤S3的具体过程如下：
S31：通过现有算法进行重叠区的自动计算，计算成功成后按重叠率C的计算公式给重叠率赋值，并在滑杆上显示，如果自动计算失败，手动调节滑杆，通过目视将图像重叠率调整到合适位置，如果动计算完成后给出的重叠率并未锁定，通过手动调节滑杆对其进行调整，最终达到正确状态，所述重叠率C的计算公式为：
式中，X为重叠调整方向上的图像分辨率值，a为重叠调整方向上同一物体在第一个子系统图像中的坐标值，r为重叠调整方向上同一物体在第二个子系统图像中的坐标值。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明通过设置两个独立且平行设置的见光谱成像子系统、紫外偏振成像，分别用于获取光谱图像和偏振图像，解决了现有偏振光谱一体化成像技术只能适用于同一谱段的问题，且平行紧密排列即保证了光谱图像和偏振图像拥有较大的重叠率，又保证了光谱图像和偏振图像可以通过简单的平移操作实现同一目标物体的重合。
2、本发明通过设置独立的第一缓存器、第二缓存器和第一存储器，其中第一存储器用于存储光谱图像和偏振图像，以作为原始数据的存档，第一缓存器和第二缓存器分别用于存储光谱图像和偏振图像，处理器直接调用第一缓存器和第二缓存器数据，提高了处理效率，且第一缓存器、第二缓存器独立于第一缓存器和第二缓存器，避免频繁的数据读写调用。
3、本发明对可见光谱成像子系统、紫外偏振成像光学子系统的处理结果进行重叠区计算和调整，可将重叠率调整显示窗口和信息融合显示窗口合并，精简软件界面，提高软件运行效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为融合相机的示意图；
图2为融合相机的工作原理框图；
图3为融合相机的工作场景光路图；
图4为图像重叠率调整示意图；
图5为图像重叠率调整流程图；
图6为数据流结构图；
图7为信息融合概念设计示意图；
图8为信息融合效果图。
附图中标记及对应的零部件名称：
101-可见镜头，102-滤光器，103-可见相机，104-紫外镜头，105-偏振器，106-紫外相机，107-第一缓存器，108-第二缓存器，109-第一存储器，110-处理器，111-第二存储器，112-显示单元，201-滑杆。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1-图4所示，一种紫外偏振与可见光谱信息融合相机，包括可见光谱成像子系统、紫外偏振成像光学子系统和控制存储单元：
所述可见光谱成像子系统包括可见镜头101、滤光器102和可见相机103，可见镜头101可以采用商用的定焦或变焦可见光镜头，滤光器102可采用声光可调滤光器、液晶可调滤光器或滤光片转轮滤光器等可调节波长的滤光器，可见相机103可以采用工业级或科学级的高灵敏可见光CCD或SCOMS相机，所述可见光谱成像子系统用于接收光源照射目标和背底产生的反射可见光、以及目标和背底发射的可见荧光并形成光谱图像；
所述紫外偏振成像光学子系统包括紫外镜头104、偏振器105和紫外相机106，紫外镜头104可以采用商用的定焦或变焦紫外镜头，偏振器105可采用旋转偏振片偏振器或电控可调偏振器，紫外相机106可以采用工业级或科学级的高灵敏紫外CCD或SCOMS相机，所述紫外偏振成像光学子系统用于接收光源照射目标和背底产生的反射紫外线并形成偏振图像；
所述控制存储单元用于接收、存储、重叠率计算和融合光谱图像和偏振图像，所述控制存储单元还包括一个带游标的滑杆201，滑杆201的取值范围从0％线性增加到100％，所述游标的位置与重叠率C关联；
所述可见光谱成像子系统、紫外偏振成像光学子系统采用平行方式紧密排列；所述可见光谱成像子系统和紫外偏振成像光学子系统的视场大小，放大率和图像分辨率均相同；述可见镜头101和紫外镜头104采用相同焦距，所述滤光器102和偏振器105采用相同的分辨率，且像元尺寸也相同，本实施例中为左右平行；光源为紫外光或可见光。
实施例2：
如图1-图4所示，本实施例基于实施例1，所述控制存储单元包括处理器110、第一缓存器107、第二缓存器108、第一存储器109、显示单元112和第二存储器111；缓存器可采用SDRAM等高速存储器，存储器可采用机械硬盘、固态硬盘或Flash存储等长期存储器件，处理器110可根据系统构架采用电脑用处理器、手机用处理器或GPU处理器等处理单元，显示器可用平板电脑、外接液晶显示器等显示设备，所述第一存储器109用于存储光谱图像和偏振图像；所述第一缓存器107和第二缓存器108分别用于存储光谱图像和偏振图像；所述处理器110用于调用第一缓存器107和第二缓存器108内存储的光谱图像和偏振图像并进行融合处理；所述第二存储器111用于存储经过处理器110处理后的光谱图像和偏振图像；所述控制存储单元还包括，所述显示单元112用于显示处理器110的融合处理结果；所述处理器110采用多核处理器或多个处理器联用。
实施例3：
如图1-图8所示，一种基于实施例2所述的一种紫外偏振与可见光谱信息融合相机的融合方法，包括以下步骤：
S1：紫外相机106和可见相机103拍摄的偏振图像和光谱图像持续的写入第一存储器109，以作为原始数据的存档；
S2：可见相机103和紫外相机106将一个拍摄周期内的光谱图像和偏振图像分别写入第一缓存器107和第二缓存器108，以便处理器110调用，避免处理器110从第一存储器109调用数据带来的运行效率降低；写入缓存器的操作方式可以是一个周期接着一个周期的循环写入，也可以设置外界命令，在需要调用时写入；处理器110对第一缓存器107和第二缓存器108中的数据进行并行处理分别得到可见光谱处理结果和紫外偏振处理结果，这些处理结果以图片的形式给出，例如光谱匹配图、偏振度图等；
S3：对可见光谱处理结果和紫外偏振处理结果进行重叠率计算及调整，获得正确的重叠区域；
S4：对已经调整好重叠区域的可见光谱处理结果和紫外偏振处理结果进行信息融合处理，并以图片的形式给出信息融合结果，可见光谱处理结果、紫外偏振处理结果和信息融合结果均可向显示单元112输出，实时给操作者提供直观结果，还可以写入第二存储器111，以便记录查询；
步骤S3的具体过程如下：
S31：通过现有算法进行重叠区的自动计算，计算成功成后按重叠率C的计算公式给重叠率赋值，并在滑杆201上显示，如果自动计算失败，手动调节滑杆201，通过目视将图像重叠率调整到合适位置，如果动计算完成后给出的重叠率并未锁定，通过手动调节滑杆201对其进行调整，最终达到正确状态，所述重叠率C的计算公式的获取过程如下：
如图4所示，某一物体在左侧成像子系统拍摄图像上的坐标为(xa,yb)，在右侧成像子系统拍摄图像上的坐标为(xr,ys)，图像的分辨均为X*Y，两张图像在水平方向相互靠近，到达某一位置时物体的图像将重合，可以用下面的公式计算图像的重叠率C。
式中，式中，X为重叠调整方向上的图像分辨率值，a为重叠调整方向上同一物体在第一个子系统图像中的坐标值，r为重叠调整方向上同一物体在第二个子系统图像中的坐标值；
所述信息融合处理的具体过程如下：
S41：光谱处理结果采用彩色图像的形式(Ri,j，Gi,j，Bi,j)给出；如对光谱分类图，每种类别赋予一种颜色；对光谱匹配图，匹配的目标给一种指定的颜色(RC，GC，BC)，其他区域仍以黑白灰阶显示；
S42：偏振处理结果采用黑白图像的形式(Li,j，Li,j，Li,j)给出；如对偏振度图，偏振度大的目标灰阶亮度高；对偏振角图，偏振角大的目标灰阶亮度高；
S43：交集处理的算法如下：
设定一个可以调节的变量LA，对于信息融合图上每个像元的颜色和灰度
按如下规则赋值；
如果偏振处理结果图上的像元灰度满足Li,j≥LA，则
否则，
S44：并集的处理算法如下：
设定一个可以调节的变量LB，对于信息融合图上每个像元的颜色和灰度
按如下规则赋值；
如果偏振处理结果图上的像元灰度满足Li,j≥LB，或者光谱处理结果图上的元颜色为(RC，GC，BC)，则
否则，
通过该方法融合达到的效果如图8所示，需要检测识别的目标在信息融合图上以黑白背底上区域彩色显示的形式加以突显，效果直观醒目，为操作者现场判断带来方便。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，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 (10)
1.一种紫外偏振与可见光谱信息融合相机，其特征在于，包括可见光谱成像子系统、紫外偏振成像光学子系统和控制存储单元：
所述可见光谱成像子系统包括可见镜头(101)、滤光器(102)和可见相机(103)，所述可见光谱成像子系统用于接收光源照射目标和背底产生的反射可见光、以及目标和背底发射的可见荧光并形成光谱图像；
所述紫外偏振成像光学子系统包括紫外镜头(104)、偏振器(105)和紫外相机(106)，所述紫外偏振成像光学子系统用于接收光源照射目标和背底产生的反射紫外线并形成偏振图像；
所述控制存储单元用于接收、存储、重叠率计算和融合光谱图像和偏振图像，所述控制存储单元还包括一个带游标的滑杆(201)，滑杆(201)的取值范围从0％线性增加到100％，所述游标的位置与重叠率C关联；
所述可见光谱成像子系统、紫外偏振成像光学子系统采用平行方式紧密排列。
2.根据权利要求1所述的一种紫外偏振与可见光谱信息融合相机，其特征在于，所述可见光谱成像子系统和紫外偏振成像光学子系统的视场大小，放大率和图像分辨率均相同。
3.根据权利要求2所述的一种紫外偏振与可见光谱信息融合相机，其特征在于，所述可见镜头(101)和紫外镜头(104)采用相同焦距，所述滤光器(102)和偏振器(105)采用相同的分辨率，且像元尺寸也相同。
4.根据权利要求1所述的一种紫外偏振与可见光谱信息融合相机，其特征在于，所述控制存储单元包括处理器(110)、第一缓存器(107)、第二缓存器(108)、第一存储器(109)和第二存储器(111)；
所述第一存储器(109)用于存储光谱图像和偏振图像；
所述第一缓存器(107)和第二缓存器(108)分别用于存储光谱图像和偏振图像；
所述处理器(110)用于调用第一缓存器(107)和第二缓存器(108)内存储的光谱图像和偏振图像并进行融合处理；
所述第二存储器(111)用于存储经过处理器(110)处理后的光谱图像和偏振图像。
5.根据权利要求4所述的一种紫外偏振与可见光谱信息融合相机，其特征在于，所述控制存储单元还包括显示单元(112)，所述显示单元(112)用于显示处理器(110)的融合处理结果。
6.根据权利要求4所述的一种紫外偏振与可见光谱信息融合相机，其特征在于，所述处理器(110)采用多核处理器或多个处理器联用。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种紫外偏振与可见光谱信息融合相机，其特征在于，所述平行方式为上下平行或左右平行。
8.根据权利要求1-6任一项所述的一种紫外偏振与可见光谱信息融合相机，其特征在于，所述光源为紫外光或可见光或二者结合。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述的一种紫外偏振与可见光谱信息融合相机的融合方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：紫外相机(106)和可见相机(103)拍摄的偏振图像和光谱图像持续的写入控制存储单元中的存储单元；
S2：控制存储单元中的处理单元调用存储单元的数据并进行处理，分别得到可见光谱处理结果和紫外偏振处理结果，这些处理结果以图片的形式给出；
S3：对可见光谱处理结果和紫外偏振处理结果进行重叠率计算及调整，获得正确的重叠区域；
S4：对已经调整好重叠区域的可见光谱处理结果和紫外偏振处理结果进行信息融合处理，并以图片的形式给出信息融合结果。
10.根据权利要求9所述的一种紫外偏振与可见光谱信息融合相机的融合方法，其特征在于，步骤S3的具体过程如下：
S31：通过现有算法进行重叠区的自动计算，计算成功成后按重叠率C的计算公式给重叠率赋值，并在滑杆(201)上显示，如果自动计算失败，手动调节滑杆(201)，通过目视将图像重叠率调整到合适位置，如果动计算完成后给出的重叠率并未锁定，通过手动调节滑杆(201)对其进行调整，最终达到正确状态，所述重叠率C的计算公式为：
式中，X为重叠调整方向上的图像分辨率值，a为重叠调整方向上同一物体在第一个子系统图像中的坐标值，r为重叠调整方向上同一物体在第二个子系统图像中的坐标值。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202010419547.0A CN111458026A (zh) | 2020-05-18 | 2020-05-18 | 一种紫外偏振与可见光谱信息融合相机及方法 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112163627A (zh) * | 2020-10-09 | 2021-01-01 | 北京环境特性研究所 | 目标物体的融合图像生成方法、装置及系统 |
| CN112254812A (zh) * | 2020-09-15 | 2021-01-22 | 深圳市魔方卫星科技有限公司 | 相机谱段重叠区域的计算方法、装置、设备及存储介质 |
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2020
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| CN112163627B (zh) * | 2020-10-09 | 2024-01-23 | 北京环境特性研究所 | 目标物体的融合图像生成方法、装置及系统 |
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