CN111912790B - 一种面向野外水体监测的自适应多波段-偏振光学成像系统及方法 - Google Patents

一种面向野外水体监测的自适应多波段-偏振光学成像系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向野外水体监测的自适应多波段‑偏振光学成像系统及方法，包括相机镜头、滤光片转轮、图像传感器、电机系统、处理器模块和电源模块；由滤光片转轮上安装的不同波段及偏振方向的滤光片构成九个成像通道，处理器模块控制图像传感器拍摄场景可见光图像，利用其中部署的目标检测模型对图像进行特征的提取和目标识别，然后辨识出场景类别，发送信号给电机系统，控制滤光片转轮调整至该场景对应的最佳拍摄通道进行后续监测任务，本发明适用于野外水体监测中水尺水位、水面流速、水面漂浮物监测等应用场景，本发明实现了高信噪比图像的实时获取，能够满足复杂光照、水流和气象条件下全天候连续监测的需求。

Description

一种面向野外水体监测的自适应多波段-偏振光学成像系统及方法
技术领域
本发明涉及一种面向野外水体监测的成像技术领域，特别涉及一种面向野外水体监测的自适应多波段-偏振光学成像系统及方法。
背景技术
智慧水利是智慧社会的组成部分，是推进水利现代化的重要举措，也是水利信息化的发展方向。智慧水利体系中的信息感知层依托水利感知网实现，实现了水利大脑对涉水对象及其环境信息的监测、感知，是水利大脑获得信息输入的渠道，而透彻感知不足是其主要瓶颈之一。智能水利视频监测技术是一种安全实用、先进可靠的重要感知手段，具有传统水文、水利监测仪器不可比拟的优势。
然而，现场环境下利用自然光照明相比实验室中采用人工光源的成像条件要复杂得多，水面作为空气和水介质的临界面，水流示踪物、水尺、漂浮物等水面目标的光学成像不仅易受到各种气象条件(刮风、降雨、水雾)的影响，更会受到水下出射光(河床、水生动植物)以及水面反射光(耀光、倒影)的干扰。这些光学噪声不随水流运动但却随时间动态变化，在图像中形成极明、极暗或纹理复杂的干扰模式并具有较大的空间尺度，显著降低了水面目标的可见性以及图像分析的信噪比，极易引起检测的失效。受制于野外水体监测应用场景中存在的各种复杂光学噪声，仅依靠图像处理算法的后期处理对水面图像信噪比的提升效果欠佳；现有的基于单一可见光成像光学系统的监控摄像机难以满足复杂光照、水流和气象条件下野外水体的长期自动监测。
发明内容
发明目的：为解决单一可见光成像光学系统的监控摄像机难以满足复杂光照、水流和气象条件下野外水体的长期自动监测的问题，本发明提出了一种面向野外水体监测的自适应多波段-偏振光学成像系统及方法。
技术方案：一种面向野外水体监测的自适应多波段-偏振光学成像系统，包括：用于进行通道对焦的相机镜头、安装有不同波段及偏振方向滤光片的滤光片转轮、图像传感器模块、处理器模块和电机系统；一个滤光片构成一个拍摄通道，所述滤光片转轮设置在图像传感器模块与相机镜头之间，且该滤光片转轮通过转轴连接电机系统，所述图像传感器模块受处理器模块控制进行图像拍摄并将图像输出至处理器模块，所述处理器模块根据图像传感器拍摄的图像发送相应的控制信号给电机系统，所述电机系统根据接收到的控制信号控制滤光片转轮调整拍摄通道。
进一步的，所述处理器模块内置通道选择模块，所述通道选择模块对图像传感器模块拍摄的图像进行水面目标检测和场景辨识，并基于该场景确定对应的拍摄通道；所述处理器模块根据通道选择模块输出的拍摄通道向电机系统发送控制信息。
进一步的，所述通道选择模块包括：
目标检测模型，用于对图像传感器模块拍摄的图像进行特征提取和水面目标检测，得到图像内各水面目标的类别及各水面目标的边界框；所述水面目标的类别包括耀光、波纹、绿植、秸秆、冰雪、泡沫、塑料、木板、油膜、有机质、树叶；
场景辨识模块，用于基于目标检测模型输出的各水面目标的类别及各水面目标的边界框进行场景辨识，得到场景类别；所述场景类别包括环境光照不足场景、水面耀光强烈场景、水面波纹监测场景、水面波纹监测场景、绿植漂浮物监测场景、秸秆漂浮物监测场景、冰雪漂浮物监测场景、水面泡沫监测场景、塑料漂浮物监测场景、木板漂浮物监测场景、油膜漂浮物监测场景、有机质漂浮物监测场景和树叶漂浮物监测场景；
拍摄通道选择模块，用于根据场景辨识模块输出的场景类别从内置的通道查找表中获取相应的拍摄通道；
所述通道查找表中包括有场景类别与拍摄通道的对应关系。
进一步的，还包括电源模块，所述电源模块为电机系统和处理器模块进行供电。
进一步的，所述拍摄通道包括分别由可见光滤光片、蓝光窄带滤光片、绿光窄带滤光片、红光窄带滤光片、近红外窄带滤光片、全光谱滤光片、0°线偏振滤光片、45°线偏振滤光片和90°线偏振滤光片构成的拍摄通道。
进一步的，所述通道查找表中的场景类别与拍摄通道的对应关系包括：
环境光照不足场景对应拍摄通道为全光谱滤光片；
水面耀光强烈场景对应拍摄通道为0°线偏振滤光片；
水面波纹监测场景对应拍摄通道为90°线偏振滤光片；
绿植漂浮物监测场景对应拍摄通道为红光窄带滤光片；
秸秆漂浮物监测场景对应拍摄通道为近红外窄带滤光片；
冰雪漂浮物监测场景对应拍摄通道为蓝光窄带滤光片；
水面泡沫监测场景对应拍摄通道为绿光窄带滤光片；
塑料漂浮物监测场景对应拍摄通道为近红外窄带滤光片；
木板漂浮物监测场景对应拍摄通道为近红外窄带滤光片；
油膜漂浮物监测场景对应拍摄通道为蓝光窄带滤光片；
有机质漂浮物监测场景对应拍摄通道为近红外窄带滤光片；
树叶漂浮物监测场景对应拍摄通道为红光窄带滤光片。
进一步的，所述电机系统包括步进电机和电机驱动器；所述电机驱动器输出PWM脉冲信号对步进电机进行控制，所述电机驱动器由处理器模块输出的控制信号进行控制，所述控制信号包括方向控制信号、PWM脉冲信号、步进细分选择信号。
本发明还公开了一种面向野外水体监测的自适应多波段-偏振光学成像方法，包括以下步骤：步骤1：在可见光滤光片对应的拍摄通道下拍摄得到一幅图像；
步骤2：判断步骤1得到的图像的光照度是否低于设定阈值，若低于，则该图像所对应的场景为光线不足场景，并转入步骤5，否则，进入步骤3；
步骤3：通过目标检测模型对步骤1得到的图像中的水面目标进行识别，得到该图像内各水面目标的类别和边界框；
步骤4：对各类别水面目标边界框的面积大小进行加权统计，比较辨识出场景类别，得到该图像所对应的场景；
步骤5：根据图像所对应的场景，从通道查找表中获取对应的拍摄通道；
步骤6：根据得到的拍摄通道，控制滤光片转轮旋转至对应通道，进行后续的监测任务。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明根据拍摄场景的需求选择相应的滤光片进行拍摄，具有结构紧凑、体积小、速度快等优点；通过控制电机转动，能够快速的调整拍摄通道，且系统还具有图像存储、处理、通信功能，稳定性高，在节省人力成本、提升便捷性的基础上，提高了图像质量；
2、本发明利用河流水体和目标光谱-偏振特性的差异，通过基础研究设计专用光学系统，通过研究比较不同偏振以及波段下获取的不同水体及目标图像的信噪比，确定最佳成像波段参数和偏振方向参数，以满足不同光照、水流和气象条件下的监测需求；
3、本发明相比现有图像处理的软件方法，能够控制转轮调整光学前端的成像通道，选择合适的滤光片拍摄，可以实时获取高信噪比的图像信息，相比热红外成像的硬件方法，能够采用高分辨率且低成本的成像设备。
附图说明
图1为本发明的结构图；
图2为本发明的调整通道流程图；
图3为本发明的目标检测模型示意图；
图4为本发明的硬件外观示意图；
图5为本发明的内部硬件结构示意图。
具体实施方式
现结合附图和实施例进一步阐述本发明的技术方案。
如图1所示，本实施例的一种面向野外水体监测的自适应多波段-偏振光学成像系统包括相机镜头101、滤光片转轮102、图像传感器模块103、处理器模块104、电机系统 105和电源模块106，该电源模块106通过DC接口为系统供电；处理器模块104对图像传感器模块103拍摄的水面场景图像进行场景辨识，根据查找表确定该场景成像通道，该处理器模块104驱动电机系统105控制滤光片转轮102调整拍摄通道，实现场景通道的自适应调整。
参见图4和图5，本实施例的成像系统其外壳为长方体，由前面板、转轮面板、图像传感器、电机面板和后面板组成，在前面板设有一个C口镜头座，用于安装相机镜头 101，各面板四角设有M2螺孔用于组装；在转轮面板上开设一孔用于电机传动；图像传感器模块103和电机面板设有4个螺孔用于固定图像传感器模块103和电机系统105；后面板还设有4个螺孔用于固定处理器模块104和电机驱动器，侧面有4个螺孔用于固定电源模块106；后面板底部中心有一个1/4的过孔用于安装相机支架螺母，过孔两侧各有一个M2螺孔用于安装支架螺母的固定螺丝。
现对本实施例中的各部件说明如下：
电机系统105包括步进电机1051和电机驱动器1052，步进电机1051后端引出五芯PH2.0mm接线端子，连接至电机驱动器1052的电机接口；电机运行电流为300～500mA，由电机驱动器1052提供5V电压供电；电机驱动器1052中心为DRV8825芯片，模块输出PWM脉冲信号对步进电机1051进行控制；电机驱动器1052由电源模块106提供 (12V/2A)供电，由处理器模块104通过GPIO接口107输出TTL电平信号进行控制，控制信号包括方向控制信号、PWM脉冲信号、步进细分选择信号。
滤光片转轮102与步进电机1051通过齿轮传动，安装的滤光片108包括6个不同波段滤光片和3个偏振滤光片，其中，通道1为400-700nm的可见光滤光片；通道2 为470nm的蓝光窄带滤光片；通道3为532nm的绿光窄带滤光片；通道4为630nm的红光窄带滤光片；通道5为850nm的近红外窄带滤光片；通道6为400-1000nm全光谱滤光片；通道7为0°线偏振滤光片；通道8为45°线偏振滤光片；通道9为90°线偏振滤光片。
图像传感器模块103位于滤光片转轮102后端，中心为CMOS图像传感器，尺寸为25mm×24mm，处理器模块104为其提供3.3V供电；图像传感器模块103采用相机串行接口(CSI)与处理器模块104通信，使用MIPI CSI-3协议，波特率为5～5.8Gbit/s；该图像传感器模块103支持JPEG(accelerated)，JPEG+RAW，YUV420等格式图像输出和raw h.264(accelerated)格式视频输出。
处理器模块104和电源模块106位于图像传感器模块103后端，处理器模块104用于分析图像传感器拍摄的图像，进行水面目标检测和场景辨识；处理器模块104中心为博通BCM2711B0芯片，由电源模块106为其提供5V供电；处理器模块104通过 GPIO接口输出TTL电平信号控制电机驱动器；处理器模块104支持MIPI CSI-3协议，配备相机串行接口(CSI)109与图像传感器模块103通信；配备USB2.0和USB3.0用于连接键盘、大容量存储器，以及与上位机通信；电源模块106作用是为电机系统105提供(12V/2A)供电，为处理器模块104提供5V供电，其中心是MP1482直流降压芯片。
本实施例通道选择过程如图2所示，包括如下步骤：
步骤201：每次观测前，滤光片转轮初始化，即处理器模块控制电机系统，在通道 1(可见光)下拍摄一幅图像，用于场景识别；
步骤202：处理器模块分析场景光照度；若光照度低于某一阈值；判断该场景为光线不足场景，转入步骤205，否则，进入步骤203；
步骤203：采用目标检测模型识别图像中的水面目标；该目标检测模型输入为全尺寸的场景图像，输出为图像内各个目标的类别和边界框；
步骤204：对目标检测模型输出的各个类别目标边界框的面积大小进行加权统计，比较辨识出场景类别；
步骤205：根据通道查找表选定对应拍摄通道；
步骤206：处理器模块控制电机旋转，使滤光片转轮旋转至对应通道。
步骤203中用到的目标检测模型，其构建步骤包括：
构建数据集，将构建得到的数据集分为测试集和训练集；
采用Faster R-CNN作为目标检测模型，采用训练集对目标检测模型训练，并采用测试集对训练好的目标检测模型进行精度测试。
现对数据集的构建步骤说明如下：
步骤1：采集水面光学目标和水面漂浮物图像，采集到的图像应包括多个单类目标的多角度图像，图像大小限制为1000×600，以满足目标检测模型的训练要求；
步骤2：对采集到的图像进行清洗，保证数据集特征的一致性；
步骤3：根据水面目标类别对清洗后的图像进行标注，标注类别为耀光、波纹、绿植、秸秆、冰雪、泡沫、塑料、木板、油膜、有机质、树叶；
步骤4：将图像和标注文件一对一读入保存。
结合图3，现对目标检测模型的目标识别步骤说明如下：
将拍摄到的场景图像裁剪得到多个大小为224×224的图像单元；
通过VGG16网络计算每个图像单元所对应的特征图；
对特征图的一个分支使用区域提议网络生成候选目标区域；兴趣区域池化层利用获得的特征图从目标区域中提取目标特征；
将目标特征和候选目标区域送入全连接层和softmax层中进行目标分类，得到目标类别和目标边界框。
在上述目标识别步骤中，区域提议网络利用特征图生成候选目标区域的步骤包括：
使用填充为1的3×3卷积层对特征图进行变换，为特征图中每一个单元生成一个新的特征；
以特征图每个单元为中心，生成多个不同大小和宽高比的锚框并对锚框进行标注；
使用非极大值抑制，从预测类别为目标的预测边界框中移除相似的结果；最终输出预测边界框。
步骤205中的通道查找表中场景和通道的对应关系为：
场景1为环境光照不足场景，对应拍摄通道为6(全光谱)；
场景2为水面耀光强烈场景，对应拍摄通道为通道7(线偏振0°)；
场景3为水面波纹监测场景，对应拍摄通道为通道9(线偏振90°)；
场景4为绿植漂浮物监测场景，对应拍摄通道为通道4(红光波段)；
场景5为秸秆漂浮物监测场景，对应拍摄通道为通道5(近红外波段)；
场景6为冰雪漂浮物监测场景，对应拍摄通道为通道2(蓝光波段)；
场景7为水面泡沫监测场景，对应拍摄通道为通道3(绿光波段)；
场景8为塑料漂浮物监测场景，对应拍摄通道为通道5(近红外波段)；
场景9木板漂浮物监测场景，对应拍摄通道为通道5(近红外波段)；
场景10为油膜漂浮物监测场景，对应拍摄通道为通道2(蓝光波段)；
场景11为有机质漂浮物监测场景，对应拍摄通道为通道5(近红外波段)；
场景12为树叶漂浮物监测场景，对应拍摄通道为通道4(红光波段)。

Claims (5)

1.一种面向野外水体监测的自适应多波段-偏振光学成像系统，其特征在于：包括：用于进行通道对焦的相机镜头、安装有不同波段及偏振方向滤光片的滤光片转轮、图像传感器模块、处理器模块和电机系统；一个滤光片构成一个拍摄通道，所述滤光片转轮设置在图像传感器模块与相机镜头之间，且该滤光片转轮通过转轴连接电机系统，所述图像传感器模块受处理器模块控制进行图像拍摄并将图像输出至处理器模块，所述处理器模块根据图像传感器拍摄的图像发送相应的控制信号给电机系统，所述电机系统根据接收到的控制信号控制滤光片转轮调整拍摄通道；
所述处理器模块内置通道选择模块，所述通道选择模块对图像传感器模块拍摄的图像进行水面目标检测和场景辨识，并基于该场景确定对应的拍摄通道；所述处理器模块根据通道选择模块输出的拍摄通道向电机系统发送控制信息；
所述通道选择模块包括：
目标检测模型，用于对图像传感器模块拍摄的图像进行特征提取和水面目标检测，得到图像内各水面目标的类别及各水面目标的边界框；所述水面目标的类别包括耀光、波纹、绿植、秸秆、冰雪、泡沫、塑料、木板、油膜、有机质、树叶；
场景辨识模块，用于基于目标检测模型输出的各水面目标的类别及各水面目标的边界框进行场景辨识，得到场景类别；所述场景类别包括环境光照不足场景、水面耀光强烈场景、水面波纹监测场景、水面波纹监测场景、绿植漂浮物监测场景、秸秆漂浮物监测场景、冰雪漂浮物监测场景、水面泡沫监测场景、塑料漂浮物监测场景、木板漂浮物监测场景、油膜漂浮物监测场景、有机质漂浮物监测场景和树叶漂浮物监测场景；
拍摄通道选择模块，用于根据场景辨识模块输出的场景类别从内置的通道查找表中获取相应的拍摄通道；
所述通道查找表中包括有场景类别与拍摄通道的对应关系；
所述拍摄通道包括分别由可见光滤光片、蓝光窄带滤光片、绿光窄带滤光片、红光窄带滤光片、近红外窄带滤光片、全光谱滤光片、0°线偏振滤光片、45°线偏振滤光片和90°线偏振滤光片构成的拍摄通道。
2.根据权利要求1所述的一种面向野外水体监测的自适应多波段-偏振光学成像系统，其特征在于：还包括电源模块，所述电源模块为电机系统和处理器模块进行供电。
3.根据权利要求1所述的一种面向野外水体监测的自适应多波段-偏振光学成像系统，其特征在于：所述通道查找表中的场景类别与拍摄通道的对应关系包括：
环境光照不足场景对应拍摄通道为全光谱滤光片；
水面耀光强烈场景对应拍摄通道为0°线偏振滤光片；
水面波纹监测场景对应拍摄通道为90°线偏振滤光片；
绿植漂浮物监测场景对应拍摄通道为红光窄带滤光片；
秸秆漂浮物监测场景对应拍摄通道为近红外窄带滤光片；
冰雪漂浮物监测场景对应拍摄通道为蓝光窄带滤光片；
水面泡沫监测场景对应拍摄通道为绿光窄带滤光片；
塑料漂浮物监测场景对应拍摄通道为近红外窄带滤光片；
木板漂浮物监测场景对应拍摄通道为近红外窄带滤光片；
油膜漂浮物监测场景对应拍摄通道为蓝光窄带滤光片；
有机质漂浮物监测场景对应拍摄通道为近红外窄带滤光片；
树叶漂浮物监测场景对应拍摄通道为红光窄带滤光片。
4.根据权利要求1所述的一种面向野外水体监测的自适应多波段-偏振光学成像系统，其特征在于：所述电机系统包括步进电机和电机驱动器；所述电机驱动器输出PWM脉冲信号对步进电机进行控制，所述电机驱动器由处理器模块输出的控制信号进行控制，所述控制信号包括方向控制信号、PWM脉冲信号、步进细分选择信号。
5.基于权利要求1至4任意一项所述的一种面向野外水体监测的自适应多波段-偏振光学成像系统的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：在可见光滤光片对应的拍摄通道下拍摄得到一幅图像；
步骤2：判断步骤1得到的图像的光照度是否低于设定阈值，若低于，则该图像所对应的场景为光线不足场景，并转入步骤5，否则，进入步骤3；
步骤3：通过目标检测模型对步骤1得到的图像中的水面目标进行识别，得到该图像内各水面目标的类别和边界框；
步骤4：对各类别水面目标边界框的面积大小进行加权统计，比较辨识出场景类别，得到该图像所对应的场景；
步骤5：根据图像所对应的场景，从通道查找表中获取对应的拍摄通道；
步骤6：根据得到的拍摄通道，控制滤光片转轮旋转至对应通道，进行后续的监测任务。
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