CN114842046A - 运动目标高动态场景图像的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种运动目标高动态场景图像的测量装置及方法，涉及光学图像测量技术领域。装置包括：光学透镜、固定式偏振片、分焦平面型偏振探测器和数据采集处理单元；分焦平面型偏振探测器包括：微偏振片阵列和CCD面阵探测器；分焦平面型偏振探测器中每一个微偏振片均是对同一个第一出射光进行的偏振处理，也就是说，CCD面阵探测器输出的单帧马赛克偏振图像中每一个像素点上的图像像素点数据均是在同一时刻针对运动目标形成的，因此，不同像素点上的图像像素点数据不存在时间间隔，如此，利用该单帧马赛克偏振图像生成的高动态场景图像清晰度更高。本方案，能够提高图像清晰度。

Description

运动目标高动态场景图像的测量装置及方法

技术领域

本发明实施例涉及光学图像测量技术领域，特别涉及一种运动目标高动态场景图像的测量装置及方法。

背景技术

自然界中的目标场景具有非常宽的动态范围，场景亮度变化范围涵盖了大约9个数量级的动态范围。高动态范围成像技术是将多张不同曝光度的照片合成一张亮暗区域细节信息都清晰的照片，使照片效果更加接近人眼所观察到的真实景物。不仅有助于人眼对场景的辨识，而且对数字图像处理和计算机视觉系统都具有重要的意义。

通常高动态场景图像的成像方式是将多幅不同曝光度的图像序列直接融合成一幅能在普通设备上显示的图像。当利用多次曝光融合技术实现对运动目标或变化场景(拍摄场景中存在明显的物体移动)的高动态场景融合生成时，在融合过程中往往会出现明显的鬼影痕迹，使得高动态场景图像因重影而变得十分模糊。

基于此，亟需提供一种能够清晰测量出运动目标高动态场景图像的方法。

发明内容

本发明实施例提供了一种运动目标高动态场景图像的测量装置及方法，能够提高图像清晰度。

第一方面，本发明实施例提供了一种运动目标高动态场景图像的测量装置，包括：光学透镜、固定式偏振片、分焦平面型偏振探测器和数据采集处理单元；

所述固定式偏振片，位于所述光学透镜和所述分焦平面型偏振探测器之间，用于将所述光学透镜对运动目标进行聚焦之后的聚焦光进行偏振处理，输出偏振处理后的第一出射光；

所述分焦平面型偏振探测器包括：微偏振片阵列和CCD面阵探测器；所述微偏振片阵列中的多个微偏振片与所述CCD面阵探测器中的多个像元一一对应；相邻四个微偏振片与对应的四个像元组成一个偏振像元组；每一个所述偏振像元组均相同；所述偏振像元组中四个微偏振片分别对应不同的偏振方向；

每一个微偏振片对所述第一出射光进行偏振处理，分别输出对应的第二出射光，每一个像元用于采集对应微偏振片输出的第二出射光所对应的图像像素点数据，多个像元输出的图像像素点数据形成单帧马赛克偏振图像；

所述数据采集处理单元，利用所述单帧马赛克偏振图像生成高动态场景图像。

优选地，所述偏振像元组中每一个微偏振片的偏振方向均是以所述固定偏振片的偏振方向作为参考方向的。

优选地，所述偏振像元组中每一个微偏振片的偏振方向与所述参考方向之间的偏转角度所对应的角度范围为[0°,180°]。

优选地，所述偏振像元组中每一个微偏振片的偏振方向与所述参考方向之间的偏转角度分别为0°、45°、90°和135°。

优选地，所述数据采集处理单元，具体用于针对所述偏振像元组中每一个微偏振片的偏振方向与所述参考方向之间的偏转角度，分别对所述单帧马赛克偏振图像进行分辨率还原，得到四个对应偏转角度的强度图像，并将该四个对应偏转角度的强度图像进行重构，得到所述高动态场景图像。

优选地，所述数据采集处理单元在针对其中一个偏转角度对所述单帧马赛克偏振图像进行分辨率还原时，具体包括：

利用所述单帧马赛克偏振图像中与该偏转角度所对应像素点的图像像素点数据，确定所述单帧马赛克偏振图像中其它像素点的图像像素点数据，并将确定的该其它像素点的图像像素点数据填充至对应的其它像素点中，形成该偏转角度的强度图像。

优选地，所述单帧马赛克偏振图像中其它像素点的图像像素点数据的确定方式包括：最近邻插值法、双线性插值法或基于梯度相关的插值法。

优选地，所述数据采集处理单元，还用于在对所述单帧马赛克偏振图像进行分辨率还原之前，将所述单帧马赛克偏振图像进行非均匀性校正。

第二方面，本发明实施例还提供了一种运动目标高动态场景图像的测量方法，利用上述任一所述的运动目标高动态场景图像的测量装置实现测量，所述方法包括：

利用所述数据采集处理单元获取由所述分焦平面型偏振探测器输出的单帧马赛克偏振图像；

针对所述偏振像元组中每一个微偏振片的偏振方向与所述参考方向之间的偏转角度，分别对所述单帧马赛克偏振图像进行分辨率还原，得到四个对应偏转角度的强度图像；

并将该四个对应偏转角度的强度图像进行重构，得到所述高动态场景图像。

优选地，在针对其中一个偏转角度对所述单帧马赛克偏振图像进行分辨率还原时，包括：

利用所述单帧马赛克偏振图像中与该偏转角度所对应像素点的图像像素点数据，确定所述单帧马赛克偏振图像中其它像素点的图像像素点数据，并将确定的该其它像素点的图像像素点数据填充至对应的其它像素点中，形成该偏转角度的强度图像。

本发明实施例提供了一种运动目标高动态场景图像的测量装置及方法，分焦平面型偏振探测器中每一个微偏振片均是对同一个第一出射光进行的偏振处理，也就是说，CCD面阵探测器输出的单帧马赛克偏振图像中每一个像素点上的图像像素点数据均是在同一时刻针对运动目标形成的，因此，不同像素点上的图像像素点数据不存在时间间隔，如此，利用该单帧马赛克偏振图像生成的高动态场景图像清晰度更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例提供的一种运动目标高动态场景图像的测量装置结构图；

图2是本发明一实施例提供的一种微偏振片阵列示意图；

图3是本发明一实施例提供的一种运动目标高动态场景图像的测量方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如前所述，采用多帧不同曝光图像的融合方案，需要在拍摄过程中对相机的曝光参数进行不断调整，在每次调整后拍摄一张图像，以得到不同曝光的多帧图像。但是相邻两次调整曝光参数存在时间间隔，对于运动目标或者变化场景，会导致不同曝光参数的图像中存在变化，从而在融合过程中出现鬼影。基于此，可以考虑以一次曝光参数得出的图像数据进行不同程度的衰减，从而对不同程度衰减后的图像数据进行合成。

下面描述以上构思的具体实现方式。

请参考图1(图1中箭头方向为光的入射方向)，本发明实施例提供了一种运动目标高动态场景图像的测量装置，包括：光学透镜1、固定式偏振片2、分焦平面型偏振探测器3和数据采集处理单元4；

所述固定式偏振片2，位于所述光学透镜1和所述分焦平面型偏振探测器3之间，用于将所述光学透镜1对运动目标进行聚焦之后的聚焦光进行偏振处理，输出偏振处理后的第一出射光；

所述分焦平面型偏振探测器3包括：微偏振片阵列和CCD面阵探测器；所述微偏振片阵列中的多个微偏振片与所述CCD面阵探测器中的多个像元一一对应；相邻四个微偏振片与对应的四个像元组成一个偏振像元组；每一个所述偏振像元组均相同；所述偏振像元组中四个微偏振片分别对应不同的偏振方向；

每一个微偏振片对所述第一出射光进行偏振处理，分别输出对应的第二出射光，每一个像元用于采集对应微偏振片输出的第二出射光所对应的图像像素点数据，多个像元输出的图像像素点数据形成单帧马赛克偏振图像；

所述数据采集处理单元4，利用所述单帧马赛克偏振图像生成高动态场景图像。

本发明实施例中，分焦平面型偏振探测器中每一个微偏振片均是对同一个第一出射光进行的偏振处理，也就是说，CCD面阵探测器输出的单帧马赛克偏振图像中每一个像素点上的图像像素点数据均是在同一时刻针对运动目标形成的，因此，不同像素点上的图像像素点数据不存在时间间隔，如此，利用该单帧马赛克偏振图像生成的高动态场景图像清晰度更高。

下面对该测量装置所包括的各个部件进行说明。

本发明实施例中，光学透镜用于对运动目标的场景进行聚焦，固定偏振片的设置位置优选为光学透镜的聚焦位置。固定偏振片用于将该聚焦光进行偏振处理，即将运动目标的场景光进行第一次衰减。固定偏振片进行偏振处理后的第一出射光照射至分焦平面型偏振探测器的微偏振片阵列上，微偏振片阵列中的每一个微偏振片分别对该第一出射光进行偏振处理，即进行第二次衰减，且基于微偏振片的偏振方向不同，微偏振片输出的第二出射光的衰减程度也不同。

本发明一个实施例中，固定偏振片和微偏振片均采用线栅型偏振片。

为了便于表述偏振像元组中每一个微偏振片的偏振方向，在本发明一个实施例中，偏振像元组中每一个微偏振片的偏振方向均是以所述固定偏振片的偏振方向作为参考方向的。比如，将固定偏振片的偏振方向作为0°方向，微偏振片的偏振方向与固定偏振片的偏振方向相同的，则将该微偏振片的偏振方向对应的偏转角度为0°，若微偏振片的偏振方向与固定偏振片的偏振方向不同，则将微偏振片的偏振方向与固定偏振片的偏振方向之间的夹角确定为微偏振片对应的偏转角度。

进一步地，由于固定偏振片、微偏振片均是线栅型偏振片，因此，所述偏振像元组中每一个微偏振片的偏振方向与所述参考方向之间的偏转角度所对应的角度范围为[0°,180°]。

本发明实施例中，请参考图2，为微偏振片阵列示意图，每一个方格表示一个微偏振片，其中，相邻的四个微偏振片组成一个微偏振片组31。假设微偏振片阵列中包括1040*1040个微偏振片，则CCD面阵探测器则包含1040*1040个像元，微偏振片组和对应的像元组组成一个偏振像元组。每一个偏振像元组中的四个微偏振片分别对应不同的偏振方向，但该测量装置中需要保证各偏振像元组是相同的，也就说相同位置上的微偏振片的偏振方向相同。

举例来说，将偏振像元组中四个微偏振片的偏转角度以矩阵A_mn来表示，矩阵元素A₁₁、A₁₂、A₂₁、A₂₂分别为微偏振片的偏振方向与固定偏振片的偏振方向之间的偏转角度，比如，分别为10°、25°、40°和155°。

优选地，偏振像元组中每一个微偏振片的偏振方向与所述参考方向之间的偏转角度分别为0°、45°、90°和135°。如此可以使得后续得到的强度图像所对应的衰减程度更加均等，如此重构出的高动态场景图像也更加准确。

其中，固定偏振片可以选用消光比大于10000：1，透过率大于80％的线栅型偏振片，微偏振片可以选用消光比大于200：1，透过率大于80％的线栅型微偏振片。CCD面阵探测器可以选用Kodak KAI-01050Progressive scan CCD探测器，总像元尺寸为1040*1040，单个像元尺寸为5.5μm。

进一步地，固定偏振片的有效通光孔径大于CCD面阵探测器的总像元尺寸，如此，可以保证CCD面阵探测器上的所有像元均能够被使用到，使得有效像元更多，从而使得采集得到的偏振图像的清晰度更高。

本发明实施例中，假设分焦平面型偏振探测器输出的单帧马赛克偏振图像大小为1040*1040，每一个微偏振片的偏转角度分别为0°、45°、90°和135°，那么该单帧马赛克偏振图像是由520*520个0°、45°、90°和135°偏转角度对应的像素点组成。

那么，数据采集处理单元在利用所述单帧马赛克偏振图像生成高动态场景图像时，具体包括如下处理步骤：

S1、针对所述偏振像元组中每一个微偏振片的偏振方向与所述参考方向之间的偏转角度，分别对所述单帧马赛克偏振图像进行分辨率还原，得到四个对应偏转角度的强度图像。

以偏转角度为0°为例，在针对该偏转角度进行分辨率还原时，具体包括：利用该单帧马赛克偏振图像中与该偏转角度0°所对应像素点的图像像素点数据，确定所述单帧马赛克偏振图像中其它像素点(45°、90°和135°)的图像像素点数据，并将确定的该其它像素点的图像像素点数据填充至对应的其它像素点中，形成该偏转角度的强度图像。

举例来说，利用单帧马赛克偏振图像中在每一个偏振像元组A₁₁位置所对应像素点的图像像素点数据，对单帧马赛克偏振图像中每一个偏振像元组A₁₂位置、A₂₁位置、A₂₂位置所对应像素点的图像像素点数据进行填充，从而可以得到偏转角度0°的强度图像。

其它偏转角度对应的强度图像的形成方式同样以该方式进行实现，在此不再赘述。如此可以得到0°的强度图像、45°的强度图像、90°的强度图像和135°的强度图像。

本发明一个实施例中，单帧马赛克偏振图像中其它像素点的图像像素点数据的确定方式包括：最近邻插值法、双线性插值法或基于梯度相关的插值法。

进一步地，为了提高单帧马赛克偏振图像的成像质量，本发明一个实施例中，在对所述单帧马赛克偏振图像进行分辨率还原之前，将所述单帧马赛克偏振图像进行非均匀性校正。

其中，可以使用约束性最小二乘超像素偏振校正方法来实现非均匀性校正。

S2、将该四个对应偏转角度的强度图像进行重构，得到所述高动态场景图像。

优选地，可以采用拉普拉斯金字塔融合方法将该四个对应偏转角度的强度图像重构成一个高动态场景图像。

本发明实施例中，分焦平面型偏振探测器中每一个微偏振片均是对同一个第一出射光进行的偏振处理，也就是说，CCD面阵探测器输出的单帧马赛克偏振图像中每一个像素点上的图像像素点数据均是在同一时刻针对运动目标形成的，因此，不同像素点上的图像像素点数据不存在时间间隔，如此，利用该单帧马赛克偏振图像生成的高动态场景图像清晰度更高。

请参考图3，本发明实施例还提供了一种运动目标高动态场景图像的测量方法，利用上述任一所述的运动目标高动态场景图像的测量装置实现测量，所述方法包括：

步骤300，利用所述数据采集处理单元获取由所述分焦平面型偏振探测器输出的单帧马赛克偏振图像；

步骤302，针对所述偏振像元组中每一个微偏振片的偏振方向与所述参考方向之间的偏转角度，分别对所述单帧马赛克偏振图像进行分辨率还原，得到四个对应偏转角度的强度图像；

进一步地，在步骤302中针对其中一个偏转角度对所述单帧马赛克偏振图像进行分辨率还原时，可以包括：利用所述单帧马赛克偏振图像中与该偏转角度所对应像素点的图像像素点数据，确定所述单帧马赛克偏振图像中其它像素点的图像像素点数据，并将确定的该其它像素点的图像像素点数据填充至对应的其它像素点中，形成该偏转角度的强度图像。

进一步地，为了提高单帧马赛克偏振图像的成像质量，本发明一个实施例中，在对所述单帧马赛克偏振图像进行分辨率还原之前，将所述单帧马赛克偏振图像进行非均匀性校正。

其中，可以使用约束性最小二乘超像素偏振校正方法来实现非均匀性校正。

步骤304，并将该四个对应偏转角度的强度图像进行重构，得到所述高动态场景图像。

优选地，可以采用拉普拉斯金字塔融合方法将该四个对应偏转角度的强度图像重构成一个高动态场景图像。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物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、物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，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储在计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质中。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种运动目标高动态场景图像的测量装置，其特征在于，包括：光学透镜、固定式偏振片、分焦平面型偏振探测器和数据采集处理单元；

所述固定式偏振片，位于所述光学透镜和所述分焦平面型偏振探测器之间，用于将所述光学透镜对运动目标进行聚焦之后的聚焦光进行偏振处理，输出偏振处理后的第一出射光；

所述分焦平面型偏振探测器包括：微偏振片阵列和CCD面阵探测器；所述微偏振片阵列中的多个微偏振片与所述CCD面阵探测器中的多个像元一一对应；相邻四个微偏振片与对应的四个像元组成一个偏振像元组；每一个所述偏振像元组均相同；所述偏振像元组中四个微偏振片分别对应不同的偏振方向；

每一个微偏振片对所述第一出射光进行偏振处理，分别输出对应的第二出射光，每一个像元用于采集对应微偏振片输出的第二出射光所对应的图像像素点数据，多个像元输出的图像像素点数据形成单帧马赛克偏振图像；

所述数据采集处理单元，利用所述单帧马赛克偏振图像生成高动态场景图像。

2.根据权利要求1所述的运动目标高动态场景图像的测量装置，其特征在于，所述偏振像元组中每一个微偏振片的偏振方向均是以所述固定偏振片的偏振方向作为参考方向的。

3.根据权利要求2所述的运动目标高动态场景图像的测量装置，其特征在于，所述偏振像元组中每一个微偏振片的偏振方向与所述参考方向之间的偏转角度所对应的角度范围为[0°,180°]。

4.根据权利要求3所述的运动目标高动态场景图像的测量装置，其特征在于，所述偏振像元组中每一个微偏振片的偏振方向与所述参考方向之间的偏转角度分别为0°、45°、90°和135°。

5.根据权利要求1所述的运动目标高动态场景图像的测量装置，其特征在于，所述数据采集处理单元，具体用于针对所述偏振像元组中每一个微偏振片的偏振方向与所述参考方向之间的偏转角度，分别对所述单帧马赛克偏振图像进行分辨率还原，得到四个对应偏转角度的强度图像，并将该四个对应偏转角度的强度图像进行重构，得到所述高动态场景图像。

6.根据权利要求5所述的运动目标高动态场景图像的测量装置，其特征在于，所述数据采集处理单元在针对其中一个偏转角度对所述单帧马赛克偏振图像进行分辨率还原时，具体包括：

利用所述单帧马赛克偏振图像中与该偏转角度所对应像素点的图像像素点数据，确定所述单帧马赛克偏振图像中其它像素点的图像像素点数据，并将确定的该其它像素点的图像像素点数据填充至对应的其它像素点中，形成该偏转角度的强度图像。

7.根据权利要求6所述的运动目标高动态场景图像的测量装置，其特征在于，所述单帧马赛克偏振图像中其它像素点的图像像素点数据的确定方式包括：最近邻插值法、双线性插值法或基于梯度相关的插值法。

8.根据权利要求5-7中任一所述的运动目标高动态场景图像的测量装置，其特征在于，所述数据采集处理单元，还用于在对所述单帧马赛克偏振图像进行分辨率还原之前，将所述单帧马赛克偏振图像进行非均匀性校正。

9.一种运动目标高动态场景图像的测量方法，其特征在于，利用权利要求1-8中任一所述的运动目标高动态场景图像的测量装置实现测量，所述方法包括：

利用所述数据采集处理单元获取由所述分焦平面型偏振探测器输出的单帧马赛克偏振图像；

针对所述偏振像元组中每一个微偏振片的偏振方向与所述参考方向之间的偏转角度，分别对所述单帧马赛克偏振图像进行分辨率还原，得到四个对应偏转角度的强度图像；

并将该四个对应偏转角度的强度图像进行重构，得到所述高动态场景图像。

10.根据权利要求9所述的运动目标高动态场景图像的测量方法，其特征在于，在针对其中一个偏转角度对所述单帧马赛克偏振图像进行分辨率还原时，包括：

利用所述单帧马赛克偏振图像中与该偏转角度所对应像素点的图像像素点数据，确定所述单帧马赛克偏振图像中其它像素点的图像像素点数据，并将确定的该其它像素点的图像像素点数据填充至对应的其它像素点中，形成该偏转角度的强度图像。

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