CN112217978A - 基于仿生复眼的三通道偏振图像采集方法及其采集装置 - Google Patents

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陈俊宇
徐立中
沈洁
刘忠建
李琦
汤婧婧
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Abstract

本发明公开了一种基于仿生复眼的三通道偏振图像采集方法及其采集装置，该装置包括三个规格相同的复眼透镜、三个光电传感器模块、图像采集模块、终端处理模块和终端存储模块，三个复眼透镜前分别安装有不同方向的偏振片，复眼透镜上设置有若干微透镜，光电传感器模块上设置有与微透镜对应的若干光信号子接收面，光电传感器模块用于通过光信号子接收面接收光电信息。本发明有效解决了采集偏振图像时非同步性的问题，减少了后期图像配准的难度；使用复眼透镜，不但扩大了成像视野，使得成像系统不用再尽可能地架高，还提高了成像质量，保证了水面示踪物和控制点的检测效果，能为大尺度粒子图像测速提供更有效的粒子检测效果。

Description

基于仿生复眼的三通道偏振图像采集方法及其采集装置
技术领域
本发明属于光电成像领域，涉及偏振图像采集技术，尤其涉及一种基于仿生复眼的三通道偏振图像采集方法及其采集装置。
背景技术
大尺度粒子图像测速(large scale particle image velocimetry，LSPIV)是目前野外环境下基于光学成像测量方法进行河流流量测验的一种可行手段。它以植物碎片、泡沫、细小波纹等天然漂浮物及水面模式为水流示踪物，以自然光为主要光源，以数码相机或视频摄像机为图像采集设备，通过图像匹配算法估计流场中局部示踪物的运动矢量，得到网格化的二维瞬时流场，再重建时均流场。
目前大尺度粒子图像测速大都是用普通数码相机或视频摄像机来获取水面图像，再通过目标检测装置来检测人工投放的示踪粒子。普通的数码相机在获取水面图像时，由于水面存在镜像反射，导致所获水面图像的某些区域存在高亮的现象，使得获取的图像存在图像模糊、对比度低、信息缺失等问题，从而不能很好地检测水面的示踪粒子。近年来，随着偏振成像理论的发展，偏振成像技术已经成为现代测量技术的重要探测手段。偏振图像和普通的彩色图像相比，可以获取场景中目标物体光波的不同偏振状态，含有更丰富的信息，利用偏振成像技术可以显著提高目标和背景的对比度。根据偏振理论得知，只要测出3个不同角度的线偏振光的光强，就能解出偏振光的偏振度和偏振角。
因此，人们在成像设备镜头前安装不同角度的偏振片，通过人工依次旋转偏振片的方式来获取三个不同角度的偏振图像，该方法操作简单，但是存在以下几个问题：首先，通过人工旋转偏振片的方式，可能造成拍摄设备的移动，导致图像里示踪粒子缺失的问题；其次，旋转偏振片时带来的机械振动，会使偏振图像存在较大的噪声干扰；再次，由于采集时间的非同步性，使得三幅偏振图像存在像元对不准的情况，后续的图像处理过程难度会更大；最后，大尺度粒子图像测速应用在大尺度河流时，测量面积覆盖几十至数千米的水域，小角度拍摄会使图像产生失真，图像矫正算法也难以矫正，要求成像系统尽可能架高。由于测流前需要在现场布置人工控制点或勘测地物特征点用于流场定标，因此，为了保证流场定标精度，图像分辨率应该足够大以检测到图像中示踪粒子及地面控制点。因此，成像系统需要更大的成像视野和更高的成像质量。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于仿生复眼的三通道偏振图像采集方法及其采集装置，其给出一种方法工艺简单、光电结构简洁、易于集成的偏振图像采集方法，解决了传统图像采集装置进行水面图像采集面临的图像不够清晰、偏振图像采集不同步、视场小的问题。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于仿生复眼的三通道偏振图像采集装置，包括三个规格相同的复眼透镜、三个光电传感器模块、图像采集模块、终端处理模块和终端存储模块，三个所述复眼透镜前分别安装有不同方向的偏振片，所述复眼透镜上设置有若干微透镜，所述光电传感器模块上设置有与微透镜对应的若干光信号子接收面，所述光电传感器模块用于通过光信号子接收面接收光电信息，所述图像采集模块用于对光电传感器模块接收的光电信息做整体采集，所述终端处理模块用于对采集的图像进行处理获取到线偏振度图像，所述终端存储模块用于存储线偏振度图像。
上述方案中偏振片采用不同方向的安装方式，原因为偏振特性是用stokes参数来描述的，要获取目标的完整偏振特性，至少需要三幅目标的偏振图像。而通过获取3个不同方向的偏振图像，再根据stokes理论，才可求出Stokes参数。
进一步的，三个所述复眼透镜对称设置且分布在同一平面。
进一步的，所述复眼透镜为玻璃复眼透镜，所述光电传感器模块为电荷耦合器件。
进一步的，所述终端处理模块包括三个旋转头，所述复眼透镜、光电传感器模块和图像采集模块分别设置在三个旋转头上。
进一步的，所述旋转头上设置有闪光灯和光感装置。在野外水体采集偏振图像时，可能由于天气的原因导致光线不足的情况，则需要闪光灯来配合，提高水面亮度，而光感装置作用是感应当前环境下的光线明暗情况，决定是否自动打开闪光灯，类似于手机在夜间拍摄时，光感元件检测到光线不足而自动打开闪光灯。
一种基于仿生复眼的三通道偏振图像采集方法，包括如下步骤：
S1：待测水面图像通过偏振片分别投射在对应的复眼透镜上，水面图像经过复眼透镜的每个微透镜后在光电传感器模块不同区域的光信号子接收面成像；
S2：图像采集模块对三个光电传感器模块接收到的光电信息进行整体采集；
S3：终端处理模块控制步骤S2中三路采集的图像进行同步曝光，从而获得三路不同方向的水面偏振图像，将某个方向获取得的偏振图像作为参考图像，相应的图像坐标作为参考坐标，其余两个方向的偏振图像作为待配准图像，再将配准后的图像求出Stokes参数，最终求得线偏振度图像，并保存在终端存储模块上。
本发明基于复眼透镜成像原理与偏振成像技术相结合，待测水面图像分别经过三路不同方向的偏振片，再经过复眼透镜成像在光电传感器模块上，依次通过图像采集模块和终端处理模块进行采集和处理，最终获得线偏振度图像，存储在终端存储模块中。
偏振图像一般是在相机前安装偏振片后拍摄得到，要获得目标的完整偏振特性，需要获得不同角度的偏振图像，所以需要更换不同的偏振片。根据stokes理论，目标三个stokes参量的测量需要在相同条件下对同一目标进行才能真实反映目标的偏振特性。现有技术中通过更换偏振片方式来获取不同角度偏振图像，是非同步的。
而本发明的方案是通过三个成像通道来采集偏振图像的，三个复眼镜头面向同一片水域。图像采集模块对三个通道的光电信息进行同步采集，再交给终端处理模块进行图像同步曝光。这样就不用人工更换偏振片，能够一次性地获得同一时间下的目标偏振图像，具有同步性。
有益效果：本发明与现有技术相比，无需人工更换偏振片，能够一次性地获得同一时间下的目标偏振图像，有效解决了采集偏振图像时非同步性的问题，减少了后期图像配准的难度；使用复眼透镜，不但扩大了成像视野，使得成像系统不用再尽可能地架高，还提高了成像质量，保证了水面示踪物和控制点的检测效果，能为大尺度粒子图像测速提供更有效的粒子检测效果；同时，光电传感器和图像采集模块都是平面结构，因此具有光电结构简单的特点，易于集成和系统的构建。
附图说明
图1为本发明采集装置的采集流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
如图1所示，本发明提供一种基于仿生复眼的三通道偏振图像采集装置，包括三个规格相同的复眼透镜1、三个光电传感器模块2、图像采集模块3、终端处理模块4和终端存储模块5，三个复眼透镜1前分别安装有不同方向的偏振片(图上未显示)，复眼透镜1上设置有10个均匀排列的微透镜11，光电传感器模块2上设置有与微透镜11对应的11个光信号子接收面22，光电传感器模块2用于通过光信号子接收面22接收光电信息，图像采集模块3用于对光电传感器模块2接收的光电信息做整体采集，终端处理模块4用于对采集的图像进行处理获取到线偏振度图像，终端存储模块5用于存储线偏振度图像。
本实施例中三个复眼透镜1对称设置，呈“三角形”分布在同一平面上；三个复眼透镜1均为玻璃复眼透镜，三个光电传感器模块2均为电荷耦合器件；终端处理模块4包括三个旋转头(图上未显示)，复眼透镜1、光电传感器模块2和图像采集模块分别设置在三个旋转头上，每个旋转头上设置有闪光灯和光感装置。
本实施例中利用上述三通道偏振图像采集装置进行偏振图像采集，参照图1，其包括如下步骤：
S1：待测水面图像通过偏振片分别投射在对应的复眼透镜上，水面图像经过复眼透镜的每个微透镜后在光电传感器模块不同区域的光信号子接收面成像；
S2：图像采集模块对三个光电传感器模块接收到的光电信息进行整体采集；
S3：终端处理模块控制步骤S2中三路采集的图像进行同步曝光，从而获得三路不同方向的水面偏振图像，将某个方向获取得的偏振图像作为参考图像，相应的图像坐标作为参考坐标，其余两个方向的偏振图像作为待配准图像，再将配准后的图像求出Stokes参数，最终求得线偏振度图像，并保存在终端存储模块上。

Claims (7)

1.一种基于仿生复眼的三通道偏振图像采集装置，其特征在于，包括三个规格相同的复眼透镜、三个光电传感器模块、图像采集模块、终端处理模块和终端存储模块，三个所述复眼透镜前分别安装有不同方向的偏振片，所述复眼透镜上设置有若干微透镜，所述光电传感器模块上设置有与微透镜对应的若干光信号子接收面，所述光电传感器模块用于通过光信号子接收面接收光电信息，所述图像采集模块用于对光电传感器模块接收的光电信息做整体采集，所述终端处理模块用于对采集的图像进行处理获取到线偏振度图像，所述终端存储模块用于存储线偏振度图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于仿生复眼的三通道偏振图像采集装置，其特征在于，三个所述复眼透镜对称设置且分布在同一平面。
3.根据权利要求1所述的一种基于仿生复眼的三通道偏振图像采集装置，其特征在于：所述复眼透镜为玻璃复眼透镜，所述光电传感器模块为电荷耦合器件。
4.根据权利要求1所述的一种基于仿生复眼的三通道偏振图像采集装置，其特征在于，所述终端处理模块包括三个旋转头，所述复眼透镜、光电传感器模块和图像采集模块分别设置在三个旋转头上。
5.根据权利要求4所述的一种基于仿生复眼的三通道偏振图像采集装置，其特征在于，所述旋转头上设置有闪光灯和光感装置。
6.一种基于仿生复眼的三通道偏振图像采集方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：待测水面图像通过偏振片分别投射在对应的复眼透镜上，水面图像经过复眼透镜的每个微透镜后在光电传感器模块不同区域的光信号子接收面成像；
S2：图像采集模块对三个光电传感器模块接收到的光电信息进行整体采集；
S3：终端处理模块控制步骤S2中三路采集的图像进行同步曝光，从而获得三路不同方向的水面偏振图像，将某个方向获取得的偏振图像作为参考图像，相应的图像坐标作为参考坐标，其余两个方向的偏振图像作为待配准图像，再将配准后的图像求出Stokes参数，最终求得线偏振度图像，并保存在终端存储模块上。
7.根据权利要求6所述的一种基于仿生复眼的三通道偏振图像采集方法，其特征在于，所述步骤S3中Stokes参数的计算公式为：
Figure FDA0002719725600000011
式中，θ代表偏振角度，I为在θ偏振角度下的偏振图像值，将偏振角度取三个不同的值θ1、θ2、θ3，代入公式，求得S0、S1、S2；
则线偏振度求解公式为：
Figure FDA0002719725600000021
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