CN114217450B - 偏振成像装置、偏振成像装置的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种偏振成像装置、偏振成像装置的标定方法，属于光学成像技术领域。偏振成像装置包括：镜头模块、检偏模块、防串扰模块以及光电成像模块；镜头模块，包括若干组镜头，且每一组镜头基于各自对应的入射光进行针对待成像场景的分别成像，其中若干组镜头至少包括复眼子眼镜头；检偏模块，包括互不平行且适配于镜头模块的各组镜头安装的多个偏振片，且每一偏振片用于对相应的各路入射光进行检偏处理；防串扰模块，用于分隔经检偏处理后的各路成像，使得所述各路成像在不同的象限下分布；光电成像模块，用于汇总经防串扰模块处理后的各路成像，以输出待成像场景的图像。本发明能够实现分象限多孔径成像，有效克服像素串扰和光学准直问题。

Description

偏振成像装置、偏振成像装置的标定方法

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，具体地涉及一种偏振成像装置、偏振成像装置的标定方法

背景技术

偏振成像装置是当前国内外发展的重要技术，其存在分时、分孔径、分振幅和分焦平面等多种实现方式。偏振成像装置可以用于实现对场景的偏振角和偏振度的探测，在天光导航、产品检测和军用探测上均具有广泛应用。现有的偏振成像装置存在诸多缺点，例如像素间串扰和像素分辨率的矛盾、加工误差和阵列对齐精度的矛盾、装置小型化和多孔径成像的矛盾等等。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种偏振成像装置、偏振成像装置的标定方法，用于至少部分地解决上述存在的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供一种偏振成像装置，所述偏振成像装置包括：镜头模块、检偏模块、防串扰模块以及光电成像模块；所述镜头模块，包括若干组镜头，且每一组镜头基于各自对应的一路入射光进行针对待成像场景的分别成像，其中，所述若干组镜头至少包括复眼子眼镜头；所述检偏模块，包括互不平行且适配于所述镜头模块的各组镜头安装的多个偏振片，且每一偏振片用于对相应的各路入射光进行检偏处理；所述防串扰模块，用于分隔经所述检偏处理后的各路成像，使得所述各路成像在不同的象限下分布；所述光电成像模块，用于汇总经所述防串扰模块处理后的各路成像，以输出待成像场景的图像。

可选的，所述偏振成像装置还包括用于安装所述镜头模块的调焦支架，其用于调节所述镜头模块的对焦距离。

可选的，所述偏振成像装置还包括用于安装所述检偏模块的贴合支架。

可选的，所述若干组镜头还包括相机镜头、梯度折射率渐变镜头、自由曲面透镜、单透镜中的任意一者或多者。

可选的，所述检偏模块可被配置为任意偏振片组合形式，其中，所述偏振片为薄膜式偏振片、金属栅偏振片、红外偏振片中的任意一者。

可选的，所述防串扰模块为隔板或者三维结构视场光阑。

可选的，所述光电成像模块为大面阵相机、微光相机、高动态范围相机、红外光电传感器、光场相机中的任意一者。

可选的，所述若干组镜头呈阵列排列，以使得经由所述若干组镜头所成像的图像最终在所述光电成像模块上呈矩形排布。

第二方面，本发明实施例提供一种偏振成像装置的标定方法，所述偏振成像装置为第一方面任一项所述的偏振成像装置，且所述标定方法包括：获取步骤，获取对于所述偏振成像装置的多组入射光的测量样本值，其中所述测量样本值包括入射光的光强值和偏振角真值；解算步骤，根据多组入射光的光强值以及所述偏振成像装置中每个偏振片的安装角迭代值，分别得到多组入射光的偏振角解算值；误差处理步骤，根据所述多组入射光的偏振角解算值和多组入射光的偏振角真值，得到多组入射光测量样本的总误差；学习步骤，对所述多组入射光测量样本值迭代学习，以更新所述偏振片的安装角迭代值；以及循环上述解算步骤、误差处理步骤以及学习步骤，并在所述总误差达到设定的最小值时，确定所述偏振成像装置完成标定。

可选的，在所述获取步骤中，所述获取多组入射光的测量样本值，包括：基于预设间隔角度分别测量一组光强成像，以得到多组入射光的测量样本值。

可选的，在所述误差处理步骤中，所述根据所述多组入射光的偏振角解算值和多组入射光的偏振角真值，分别得到多组入射光测量样本的总误差，包括：根据所述入射光的偏振角解算值和偏振角真值，分别得到每组入射光测量样本误差；将所述每组入射光测量样本误差累加，以得到所述多组入射光测量样本的总误差。

可选的，在所述学习步骤中，所述对所述总误差进行迭代学习包括：根据所述多组入射光测量样本的总误差，得到多组入射光样本的总误差偏导值；基于所述多组入射光样本的总误差偏导值和更新前的安装角迭代值，得到更新后的安装角迭代值。

第三方面，提供一种偏振成像装置的镜头配准方法，所述偏振成像装置为第一方面任一项所述的偏振成像装置，所述偏振成像装置的若干组镜头分为目标映射镜头和待配准镜头，且所述镜头配准方法包括：确定所述待配准镜头对待成像场景成像的像素坐标映射到所述目标映射镜头的像素坐标系下的映射坐标真值；基于预设的像素最小可测量误差和所述映射坐标真值，得到所述偏振成像装置的最小可配准距离，以确定所述偏振成像装置镜头的配准景深范围。

第四方面，提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行本申请上述第二方面任一项所述的标定方法和/或第三方面任一项所述的配准方法。

通过上述技术方案，本发明的偏振成像装置能够实现对场景的分象限多孔径成像，成像视场大；采用复眼子眼镜头的小型化镜头设计，成像光路短，光学系统稳定，且偏振成像装置体积小，有效克服了像素间串扰和光学准直问题。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是根据一示例性实施例示出的一种偏振成像装置成像视场示意图；

图2是根据一示例性实施例示出的一种偏振成像装置结构示意图；

图3是根据一示例性实施例示出的一种偏振片组合示意图；

图4是根据一示例性实施例示出的一种偏振成像装置成像模式示意图；

图5是根据一示例性实施例示出的一种偏振成像装置成像过程示意图；

图6是根据一示例性实施例示出的一种偏振成像装置的标定方法流程示意图图；

图7是根据一示例性实施例示出的一种入射光测量样本误差计算流程示意图；

图8是根据一示例性实施例示出的一种偏振片安装角迭代值更新方法流程示意图；

图9是根据一示例性实施例示出的一种梯度下降标定算法示意图。

图10是根据一示例性实施例示出的一种偏振成像装置的配准方法流程示意图。

附图标记说明

1 成像视场 2 镜头模块

3 光电成像模块 4 检偏模块

5 防串扰模块 6 调焦支架

7 贴合支架 8 感光芯片

41 偏振片 42 偏振片

43 偏振片

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

在自然环境中，沙蚁偏振复眼器官实现了偏振测量系统和复眼结构的结合。生物学家研究发现沙蚁复眼具有如下类型的偏振探测单元：沙蚁复眼的背部边缘区域的小眼中，存在具有两套对偏振光敏感的正交排列的视觉感杆，感杆上附着可以吸收偏振光的微绒毛，入射线偏振光与微绒毛夹角不同，吸收率也不同。此类的偏振探测单元在沙蚁复眼上的广泛分布，使其能够通过全天空偏振分布信息进行定向导航。因此，仿生复眼成像具有多个孔径视场重叠率高、成像视场大和体积小的优势。

鉴于上述特点，本发明实施例的偏振成像装置模拟了沙蚁复眼的成像方式。图1是根据一示例性实施例示出的一种偏振成像装置成像视场示意图，如图1所示，镜头模块2中的多个镜头对场景分别成像，形成成像视场1。由图1中可以看出，多个镜头对场景分别成像，形成对应的多个成像视场，且多个成像视场互相重叠。

图2是根据一示例性实施例示出的一种偏振复眼成像装置结构示意图，如图2所示，偏振复眼成像装置包括镜头模块2、检偏模块4、防串扰模块5、以及光电成像模块3；其中，镜头模块2，包括若干组镜头，且每一组镜头基于各自对应的一路入射光对待成像场景分别成像，其中所述若干组镜头至少包括复眼子眼镜头；检偏模块4，包括互不平行且适配于所述镜头模块2的各组镜头安装的多个偏振片，用于对相应的各路入射光进行检偏处理；防串扰模块5，用于分隔经所述检偏处理后的各路成像，使得所述各路成像在不同的象限下分布；光电成像模块3，用于汇总经所述防串扰模块5处理后的各路成像，以输出所述待成像场景的图像。

由上述实施例可以看出，本公开的偏振成像装置，一方面，若干组镜头能够分别对待成像场景成像，且经由防串扰模块的分隔处理，使得对应于若干组镜头的成像能够在不同象限分布，成像视场大，并且有效的克服了像素间串扰问题。另一方面，采用模拟沙蚁成像方式的复眼子眼镜头，使得所述偏振成像装置具有成像准直精确、成像光路短、多目基线距离小的优点。

下面通过不同的实施例针对偏振成像装置中的各个模块的结构功能以进一步详细说明。

在一优选实施例中，如图2所示，本公开的偏振成像装置还包括用于安装所述镜头模块2的调焦支架6，其用于调节所述镜头模块2的对焦距离。本公开对于镜头模块安装在调焦支架6上的安装方式并不限定，例如，镜头模块2可以以光轴平行方向安装于调焦支架6上，并可通过螺纹等方式实现在调焦支架6上的对焦距离灵活调节。

在另一优选实施例中，如图2所示，本公开的偏振成像装置还包括用于安装所述检偏模块4的贴合支架7。本公开对于检偏模块4安装于贴合支架7上的安装方式同样不作限定。

在一优选实施例中，所述若干组镜头还包括相机镜头、梯度折射率渐变镜头、自由曲面透镜、单透镜中的任意一者或多者。本公开实施例中的镜头模块2中的若干组镜头可以根据实际需要配置不同参数(如视场、焦距、直径、基线距离等)。举例而言，镜头的参数包括：镜头视场为40°，焦距f为9mm，镜头直径7.5mm，畸变小于0.5％，镜头分布基线距离7.5mm，象限大小7mm。

在一优选实施例中，所述若干组镜头呈阵列排列，以使得经由所述若干组镜头所成像的图像最终在所述光电成像模块3上呈矩形排布。例如，镜头模块2可以包括m*n(m≥2，n≥2)组镜头，且m*n组镜头呈阵列排列，以使得经由各孔径镜头的图像在光电成像模块3上呈矩形排布，实现对单一目标的多孔径分象限成像。还以图2所示的偏振成像装置为例，镜头模块2包括4组镜头，且呈2*2阵列排列，其可以对于待成像场景进行4路入射光成像。该4路入射光成像的图像可在光电成像模块上呈矩形排布。

在一优选实施例中，检偏模块4可安装于镜头模块2两侧中的任意一侧。还以图2为例，检偏模块4安装于镜头模块2的下方，实现入射光的处理。。检偏模块4所包括的偏振片可以为薄膜式偏振片、金属线栅偏振片、红外偏振片中的任意一者。并且检偏模块4可被配置任意偏振片组合形式，以对应于镜头模块2实现多路入射光透射检偏。举例而言，结合图2所示，图2中为镜头模块2包括4组镜头，检偏模块4对应适配偏振片的组合方式可以是3个偏振片+波片的组合，或者是3个偏振片+左/右旋圆偏振片的组合，又或者是3偏振片+滤光片的组合，还可以是4个偏振片的组合方式，由此实现4路入射光透射检偏。其中，检偏模块4中的偏振片还可以配置不同的参数(如波段、消光比、透射率等)。需要说明的是，本公开中可以根据实际应用需要灵活采用不同的偏振片组合方式，在此不作过多限定。

基于上述实施例中所描述的偏振片组合方式，图3进一步示出了一种优选的偏振片组合，如图3所示，检偏模块4中的偏振片组合方式为3个线性偏振片+其他任意类型的组合方式，其中，偏振片41、偏振片42以及偏振片43的安装角度分别为0°、45°和90°，且三个偏振片的配置参数为：偏振薄膜为400-700nm波段透射，消光比为1:9000，平行透射率为36％，垂直透射率为0.004％，厚度为0.18mm。3个偏振片被剪切为正方形，并在贴合支架7上进行安装。

在一优选实施例中，防串扰模块5可采用隔板或者三维结构视场光阑中，以分隔检偏模块处理后的各路成像在不同象限分布。其中，所述隔板可以对应于镜头模块2中的若干组镜头排列采用不同形式的遮光结构，例如“田”字型、“十”字型、或者“井”字型等遮光结构。举例而言，参照图2所示，防串扰模块5安装于检偏模块4的下方，对应于镜头模块2中的4组镜头，其遮光结构采用“十”字型隔板形式，其中“十”字型隔板高度为4.5mm，厚度为0.5mm，该结构的防串扰模块能够将4组镜头的成像分隔在4个不同的象限中。

在一优选实施例中，光电成像模块3可采用不同类型的相机，如可采用大面阵相机、微光相机、高动态范围相机、红外光电传感器、光场相机的一种，且相机的参数可根据实际需要灵活配置选择。参照图2所示，光电成像模块3安装于防串扰模块5的下方，其中包括感光芯片8。在本公开实施例的感光芯片8可配置图像处理算法。由于偏振成像装置的每个镜头的成像视场不同，因此每个镜头对待成像场景的成像区域也不相同。通过该图像处理算法，使得光电成像模块可以对防串扰模块处理后的各路成像进行汇总、拼合等图像处理，以输出所述待成像场景的完整图像。以光电成像模块3采用大面阵CMOS工业相机为例，其参数可配置为：相元规模2048*2048，像素尺寸7.4μm，面阵大小15.16mm，成像面积利用率为59.54％，且使用M42镜头接口，千兆网口输出帧率9.5fps。

结合上述实施例可以看出，本公开的偏振成像装置能够实现对单一目标的多孔径分象限成像。图4进一步公开了一种偏振成像装置成像模式示意图，如图4所示，镜头模块2包括的两组镜头，且为复眼子眼镜头。每组复眼子眼镜头的成像视场1的视场角度为FOV角度，相邻两组复眼子眼镜头的视场形成重叠视场。两组复眼子眼镜头的图像经由检偏模块4的检偏处理后成像在同一感光芯片8上，从空间上看其通过防串扰模块5被分隔为左右两个象限。通过上述成像过程可以看出，本公开的偏振成像装置可以实现单一目标-多孔径成像-单像面汇合输出的单-多-单成像模式。

基于上述实施例的偏振成像装置的结构组成以及成像模式，图5进一步公开了一种偏振成像装置成像过程示意图，如图5所示，各孔径检偏的穆勒矩阵为M_k，在已标定非偏的非均匀系数K的情况下，该矩阵由消光比e和安装角θ_k决定。例如，图5中每个孔径的偏振片检偏的穆勒矩阵分别为M₁(θ₁,e)和M₂(θ₁,e)。入射偏振光的斯托克斯矢量为S，该矢量由光强I，偏振度p和偏振角α决定。孔径检偏作用可表示为穆勒矩阵与斯托克斯矢量相乘，得出的计算结果为光强项I_k(图5中的I₁和I₂)，即为偏振成像装置镜头模块每个镜头对应的各象限光强输出。

上述实施例提到，本公开中对偏振成像装置中的偏振片互不平行，即本公开的偏振成像装置的偏振片可任意选取安装角，只需要满足偏振片之间互不平行即可。因此，本公开的偏振成像装置对偏振片安装不需要作过多精确要求。在此基础上，本公开提出一种偏振成像装置的标定方法，在偏振片的安装角任意选取且各偏振片呈互不平行的情况下，能够完成对偏振成像装置的精准标定。图6是根据一示例性实施例示出的一种偏振成像装置的标定方法流程图，如图6所示，所述方法包括步骤S11至步骤S15：

对于步骤S11，即获取步骤，获取对于所述偏振成像装置多组入射光的测量样本值，其中，所述测量样本值包括入射光的光强值和偏振角真值；在一优选实施例中，获取多组入射光的测量样本值包括基于预设间隔角度分别测量一组光强成像，以获取到多组入射光的测量样本值。具体的，预设间隔角度和测量样本值的数量可以根据实际测试需要灵活设置。举例而言，设预设间隔角度为1°，样本值的数量为40，也就是每间隔1°测量一组光强成像，共获取40组测量样本值。

对于步骤S12，即解算步骤，根据在步骤S11中获取的多组入射光的光强值以及所述偏振成像装置中每个偏振片的安装角迭代值，分别得到多组入射光的偏振角解算值。

在一优选实施例中，所述入射光的偏振角解算值采用如下公式计算得到：

α_w＝F(I_w1,I_w2,…I_wi|θ₁,θ₁,…θ_k)

其中，α_w为第w组入射光的偏振角解算值，i为偏振片的孔径数，I_w1…I_wi为第w组入射光分别对于不同偏振片的光强值，θ₁…θ_k为每个偏振片的安装角迭代值。

下面以更为优选的实施例进一步说明上述偏振角解算过程。

本优选实施例基于穆勒矩阵求逆的方法由多孔径其中的三孔径响应I_k(k＝1,2,3)得到场景的偏振信息解算。首先任意设定系统主方向O，并进行标记，定义某偏振片透过方向与主方向O夹角为θ，即某偏振片的安装角为θ，入射偏振光偏振角方向与主方向O夹角为α。偏振片消光比为e，通过率为t，不考虑圆偏振元素，通常检偏模块穆勒矩阵为：

光电成像模块获取的是光强值，因此之后的计算仅关注矩阵第一行，且提出(1-e)项，有：

将通过率t、(1-e)项与非偏的非均匀系数合并为K，则三孔径系统穆勒矩阵M对入射偏振光S作用可表示为：

I＝MS，其中

其中，K为响应系数，代表了镜头非均匀性、偏振片通过率和光电传感器响应的共同作用，三孔径偏振片各自光强响应矩阵为I₁、I₂和I₃，三孔径偏振片的安装角分别为θ₁、θ₂和θ₃。

通过上述实施例可知，本公开中各孔径偏振片安装角可任意选取角度且使得各偏振片互不平行即可，假设个孔径偏振片安装角已知，为求取入射光偏振信息S，对M矩阵求逆有：

可得入射光偏振角α：

通过上述解算过程得到入射光的偏振角度，即完成对偏振角的解算。

举例而言，三孔径的安装角互不平行，例如三孔径的安装角度可以为0°、60°、120°，或者0°、45°、90°。本发明实施例以三孔径的安装角度为0°、45°、90°为例，将三孔径的安装角度代入到上述公式中。三通道光强首先经过非均匀校正，因此无需考虑穆勒矩阵系数K值。按照安装相对角度设定值θ，且代入消光比e，检偏器的穆勒矩阵对光强项的作用应如下式：

同理可得入射光偏振角α求解公式为：

将测量得到入射光强值代入到上述公式中，最终得到入射光的偏振角度值。

对于步骤S13，即误差处理步骤，该步骤根据步骤S12得到的所述多组入射光的偏振角解算值和步骤S11中获取到的多组入射光的偏振角真值，得到多组入射光测量样本的总误差；

在一优选实施例中，如图7所示，误差处理步骤包括步骤S131至步骤S132：

在步骤S131中，根据所述入射光的偏振角解算值和偏振角真值，分别得到每组入射光测量样本误差。

具体的，本公开实施例中，测量误差模型定义为：

l＝(α-A)²

其中，α为入射光的偏振角解算值，A为入射光的偏振角真值。

基于该测量误差模型，将每组入射光测量样本所对应的偏振角解算值和偏振角真值分别代入到测量误差模型中，则可以分别得到每组入射光测量样本误差。

在步骤S132中，将所述每组入射光测量样本误差累加，以得到所述多组入射光测量样本的总误差。

具体的，基于上述测量误差模型，对步骤S131中得到的每组入射光测量样本误差进行累加求和，得到多组入射光测量样本的总误差，具体公式如下：

其中，α_i为第i组入射光样本的偏振角解算值，A_i为第i组入射光样本的入射角真值，L为w组入射光测量样本的解算总误差，w为入射光测量样本的数量。

步骤S14，学习步骤，对多组入射光测量样本的总误差迭代学习，以更新所述偏振片的安装角迭代值。

在一优选实施例中，本公开采用梯度下降法对多组入射光测量样本的总误差迭代学习，如图8所示，学习步骤包括步骤S141-S142：

在步骤S141中，根据所述多组入射光测量样本的总误差，得到所述多组入射光样本的总误差偏导值。

举例而言，入射光样本的总误差偏导值可采用如下公式计算得到：

其中，d_k为第k个偏振片的偏导值，L为多组入射光测量样本的总误差，θ_k为第k个偏振片的安装角迭代值。

在步骤S142中，基于所述多组入射光样本的总误差偏导值和更新前的安装角迭代值，得到所述偏振片的更新后的安装角迭代值。

举例而言，更新后的安装角迭代值可采用如下公式计算得到：

其中，θ_{k_new}为第k个偏振片更新后的安装角迭代值，η为学习速率，θ_{k_old}为第k个偏振片的上一次更新的安装角迭代值，L为多组入射光测量样本的总误差。

为了能更好的理解基于梯度下降法的学习过程，图9是进一步示出了一种梯度下降标定算法示意图。如图9所示，左侧A到I_k的过程代表了偏振成像装置对单一目标的偏振入射光的多孔径响应，右侧I_k到α的过程代表了偏振成像装置的偏振态解算过程，上侧l对o_k的作用代表了偏振片的安装角迭代学习标定过程。

步骤S15，循环上述解算步骤、误差处理步骤以及学习步骤，当所述总误差达到设定的最小值时，确定所述偏振成像装置的完成标定。

具体的，将更新学习后得到的偏振片安装角迭代值重新代入到上述公式中，得到更新后的总误差。更新后的总误差与更新前的总误差进行比较，具体公式如下：

b＝L_new-L_old

其中，b为更新后的总误差与更新前的总误差的差值，L_new为更新后的总误差，L_old为更新前的总误差。

在上述循环过程中，当比较得到的差值不再变化且为设定的最小值时，则偏振片的安装角迭代值θ_k达到收敛，此时即表明完成标定。

例如，设设定的最小值为0，即当L_new-L_old＝0，则表明偏振成像装置完成高精度标定。

为了能更好的理解上述标定方法，下面通过一具体的实施例来具体说明。设一偏振成像装置为3通道偏振，即包括3个偏振片，各个偏振片安装角初始值预设为：θ₁为0°，θ₂为45°，θ₃为90°，设获取到的入射光测量样本值数量为40组，则第一次迭代的40组样本的解算总误差L为：

进一步，通过梯度下降法进行参数θ_k学习，则总误差对安装值的偏导为：

在迭代循环中，3通道的安装角误差值同步独立更新：

设在无光强测量误差的偏振装置中，假定3个偏振片的安装角真值与设定值存在偏差分别为1.145°，-0.745°和1.776°角度，即真值设定为1.145°，44.255°和91.776°。当总误差L最终收敛到0，表明标定过程结束，进而得到3个偏振片的安装角标定值为1.1449°，44.255°和91.7761°，与真值相比，标定误差为0.0001°；

而在有光强测量误差的偏振装置中，总误差L可最终收敛到0.012，同理可得标定误差为0.013°，即分别证明已经完成高精度标定。

通过上述实施例的标定方法可以看出，本公开模拟生物神经元对响应的偏置适应，采用迭代学习对各个偏振片安装角同时标定，以实现对偏振成像装置的高精度标定，标定过程更为稳定。本公开偏振成像装置在无需限定偏振片安装角精确度的情况下，而通过梯度下降学习法自适应完成标定，实现了偏振成像装置的低成本安装，同时提高了测量精度。

进一步的，由上述偏振成像装置的实施例可知，由于本公开的偏振成像装置为多孔径分象限成像，因此，各孔径镜头图像首先需要通过配准，将目标点在不同孔径里光强响应的像素位置统一到某一孔径镜头的坐标系下，进而确定本公开的偏振成像装置的镜头的景深范围。因此，本公开提供一种偏振成像装置的镜头配准方法，其中偏振成像装置的若干组镜头分别目标映射镜头和待配准镜头，如图10所示，镜头配准方法包括步骤S21-S22：

在步骤S21中，确定所述待配准镜头对待成像场景成像的像素坐标映射到所述目标映射镜头的像素坐标系下的映射坐标真值。

举例而言，设所述偏振成像装置包括两组镜头，该两组镜头分别为1号孔径和2孔径，且1号孔径为目标映射镜头，2号孔径为待配准镜头。例如，采用如下公式，将2号孔径对待成像场景成像图像的其中一个目标点的像素坐标(x,y)映射到1号孔径所得图像上，得到该响应的配准后像素坐标(x₁,y₁)：

(x₁,y₁)＝G((x,y),H(R,t,d))

其中，G函数表示坐标配准变换函数，其一般形式为：

H表示配准所需的3x3单应矩阵，该矩阵由两孔径的旋转关系R和基线位移t决定，且与目标到孔径距离d相关，如下式：

其中n为平面-相机法线关系，K为相机内参矩阵。

在步骤S22中，基于预设的像素最小可测量误差和所述映射坐标真值，得到所述偏振成像装置的最小可配准距离，以确定所述偏振成像装置中镜头的配准景深范围。

举例而言，本公开实施例中假设单应矩阵的预配准平面选取为无穷远处，使用该矩阵对距离d的近处目标进行配准，会产生像素配准误差。距离越近，像素配准误差越大。当像素配准误差大于0.5像素时，视为可测量误差，此时定义距离d为最小可配准距离d_min。此时d_min满足带误差映射坐标(x_1e,y_1e)与映射坐标真值(x₁,y₁)距离恰好大于0.5像素：

||(x_1e,y_1e),(x₁,y₁)||₂＝||G((x,y),H(R,t,∞)),G((x,y),H(R,t,d))||₂>0.5

代入某像素坐标，解上述方程得到d_min的值。该值越小，则表示重叠视场中高精度配准距离范围越大，偏振成像装置的镜头则可对远近更大范围进行成像，即镜头的配准景深更大。在镜头配准景深范围(d_min，+∞)中，使用无穷远处配准的单应矩阵，可实现多孔径的快速直接配准。

为了方面理解上述镜头配准方法，下面以更为具体的实施例进一步说明上述配准过程。

设本公开偏振成像装置包括两组复眼子眼镜头，设复眼子眼镜头的基线距离t为8mm，两组镜头排布在x方向上，假设两组镜头的孔径视轴彼此平行，即R为0。假设d位置处存在成像目标，其成像在某孔径镜头的像素坐标(0,0)处，使用无限远处单应矩阵对其配准，可得带误差映射坐标(x_1e,y_1e)有：

(x_1e,y_1e)＝G((0,0),H(0,t,∞))＝(0,0)

进一步的，按照其真实位置d处的单应矩阵进行配准，依照三角形相似原理，可得映射坐标真值(x₁,y₁)有：

(x₁,y₁)＝G((0,0),H(0,t,d))＝(tf/ad,0)

再一步的，将像素最小可测量误差0.5代入到上述公式中，可得d_min需满足的像素关系如以下公式所示：

‖(0,0),(x₁,y₁)‖₂＝tf/ad<0.5

最后，代入复眼子眼镜头的配置参数，焦距f为9mm，镜头分布基线距离t为7.5mm，像元大小4.5μm解上述方程可得系统最小可配准距离d_min：

d_min＝2tf/a＝2×7.5mm×9mm/4.5μm＝30m

即镜头配准景深范围为(30m，+∞)，在此范围内可使用统一的单应矩阵进行孔径间配准。同理作为比较可得，如使用普通多传感器偏振成像系统，假设各传感器镜头基线距离30mm，使用12mm焦距镜头，像元大小仍然为4.5μm，则可得镜头的配准景深范围为(160m，+∞)。即由于本公开的偏振成像装置具有所采用的复眼子眼镜头小型化本复眼成像系统的子眼小型化、排布基线距离微缩化的优点，因此使得偏振成像装置镜头的配准景深范围更大，在保证远景成像配准精度的同时，实现了近景的统一单应矩阵高精度配准。

通过上述镜头配准方法，能够实现多孔径的偏振成像装置的快速直接配准，使得偏振成像装置可对远近更大范围进行成像，配准景深更大。

本公开还提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行本申请上述实施例所述的偏振成像装置的标定方法和/或偏振成像装置的配准方法。

综上，本公开的偏振成像装置具有如下优势：1)本公开的偏振成像装置采用若干组镜头，可实现对场景的分象限多孔径成像，成像视场大；2)本公开的偏振成像装置采用复眼子眼镜头，能够实现体积小型化，且模拟沙蚁复眼的成像方式，具有准直精确、成像光路短、多目基线距离小的优势；4)本公开的偏振成像装置采用防串扰模块，有效的分隔不同象限的成像，像素间串扰小；5)本公开的偏振成像装置基于配套的仿生学习算法自适应完成高精度标定，对于偏振装置的偏振片无需限定安装精度，降低了安装成本，简化了安装过程；6)本公开的偏振成像装置可基于配套的图像处理算法，可综合处理单幅图片，完成包括场景偏振度、偏振角及其他偏振信息图像的偏振信息检测；7)本公开的偏振成像装置基于配套的配准算法，能够实现多孔径的快速直接配准，使得偏振成像装置可对远近更大范围进行成像，配准景深更大。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、装置、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种偏振成像装置，所述偏振成像装置对场景分象限多孔径成像，其特征在于，所述偏振成像装置包括：镜头模块、检偏模块、防串扰模块以及光电成像模块；

所述镜头模块，包括若干组镜头，且每一组镜头基于各自对应的一路入射光进行针对待成像场景的分别成像，其中所述若干组镜头至少包括复眼子眼镜头，所述镜头模块以光轴平行方向安装在调焦支架上，且所述镜头模块的若干组镜头呈阵列排列，以使得经由所述若干组镜头所成像的图像最终在所述光电成像模块上呈矩形排布；

所述检偏模块，包括互不平行且适配于所述镜头模块的各组镜头安装的多个偏振片，且每一偏振片用于对相应的各路入射光进行检偏处理；每个孔径的偏振片检偏作用表示为穆勒矩阵与斯托克斯矢量相乘，得出的计算结果为偏振成像的装置镜头模块的每个镜头对应的各象限光强输出；

所述防串扰模块，用于分隔经所述检偏处理后的各路成像，使得所述各路成像在不同的象限下分布；

所述光电成像模块，用于汇总经所述防串扰模块处理后的各路成像，以输出所述待成像场景的图像，其中所述光电成像模块包括感光芯片，感光芯片配置图像处理算法，通过该图像处理算法使得光电成像模块对防串扰模块处理后的各路成像进行汇总、拼合的图像处理，以输出待成像场景的完整图像；所述偏振成像装置基于配套的图像处理算法，综合处理单幅图片，完成包括场景偏振度、偏振角的偏振信息检测；

其中，对所述偏振成像装置的标定方法包括：

获取步骤S11，获取对于所述偏振成像装置的多组入射光的测量样本值，其中所述测量样本值包括入射光的光强值和偏振角真值；获取多组入射光的测量样本值包括基于预设间隔角度分别测量一组光强成像，以获取到多组入射光的测量样本值；

解算步骤S12，根据多组入射光的光强值以及所述偏振成像装置中每个偏振片的安装角迭代值，分别得到多组入射光的偏振角解算值；

所述入射光的偏振角解算值采用如下公式计算得到：

α_w＝F(I_w1,I_w2,…I_wi|θ₁,θ₂,…θ_k)，

其中，α_w为第w组入射光的偏振角解算值，i为偏振片的孔径数，I_w1,I_w2,…I_wi为第w组入射光分别对于不同偏振片的光强值，θ₁,θ₂,…θ_k为每个偏振片的安装角迭代值；

基于穆勒矩阵求逆的方法由多孔径其中的三孔径响应得到场景的偏振信息解算，并且得入射光偏振角α：

其中，I₁、I₂和I₃分别为三孔径偏振片各自的光强响应矩阵；任意设定系统主方向O，偏振片透过方向与系统主方向O夹角为偏振片的安装角，其中，θ₁、θ₂和θ₃分别为所述三孔径偏振片各自的安装角迭代值；

误差处理步骤S13，根据所述多组入射光的偏振角解算值和多组入射光的偏振角真值，得到多组入射光测量样本的总误差；

其中，根据所述入射光的偏振角解算值和偏振角真值，分别得到每组入射光测量样本误差；

将所述每组入射光测量样本误差累加，以得到所述多组入射光测量样本的总误差，具体公式如下：

其中，α_i为第i组入射光样本的偏振角解算值，A_i为第i组入射光样本的入射角真值，L为w组入射光测量样本的解算总误差，w为入射光测量样本的数量；

学习步骤S14，对所述总误差进行迭代学习，以更新所述偏振片的安装角迭代值；

其中，采用梯度下降法对多组入射光测量样本的总误差迭代学习，根据所述多组入射光测量样本的总误差，得到所述多组入射光样本的总误差偏导值，

入射光样本的总误差偏导值采用如下公式计算得到：

其中，d_k为第k个偏振片的偏导值，θ_k为第k个偏振片的安装角迭代值；

基于所述多组入射光样本的总误差偏导值和更新前的安装角迭代值，得到所述偏振片的更新后的安装角迭代值，

更新后的安装角迭代值采用如下公式计算得到：

其中，θ_{k_new}为第k个偏振片更新后的安装角迭代值，η为学习速率，θ_{k_old}为第k个偏振片的上一次更新的安装角迭代值；

以及循环上述解算步骤、误差处理步骤以及学习步骤，并在所述总误差达到设定的最小值时，确定所述偏振成像装置完成标定。

2.根据权利要求1所述的偏振成像装置，其特征在于，所述调焦支架用于调节所述镜头模块的对焦距离。

3.根据权利要求1所述的偏振成像装置，其特征在于，所述偏振成像装置还包括用于安装所述检偏模块的贴合支架。

4.根据权利要求1所述的偏振成像装置，其特征在于，所述镜头模块的若干组镜头还包括相机镜头、梯度折射率渐变镜头、自由曲面透镜中的任意一者或多者。

5.根据权利要求1所述的偏振成像装置，其特征在于，所述偏振片为薄膜式偏振片、金属栅偏振片以及红外偏振片中的任意一者。

6.根据权利要求1所述的偏振成像装置，其特征在于，所述防串扰模块为隔板或者三维结构视场光阑。

7.根据权利要求1所述的偏振成像装置，其特征在于，所述光电成像模块为大面阵相机、微光相机、高动态范围相机、红外光电传感器以及光场相机中的任意一者。

8.一种偏振成像装置的镜头配准方法，其特征在于，所述偏振成像装置为权利要求1-7任一项所述的偏振成像装置，所述偏振成像装置的若干组镜头分为目标映射镜头和待配准镜头，且所述镜头配准方法包括：

确定所述待配准镜头对待成像场景进行成像的像素坐标映射到所述目标映射镜头的像素坐标系下的映射坐标真值；

基于预设的像素最小可测量误差和所述映射坐标真值，得到所述偏振成像装置的最小可配准距离，以确定所述偏振成像装置镜头的配准景深范围。

9.一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行权利要求8所述的偏振成像装置的镜头配准方法。