CN115348372A

CN115348372A - 一种采用空分偏振照明的差分偏振成像装置及方法

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Publication number: CN115348372A
Application number: CN202210911017.7A
Authority: CN
Inventors: 吴厚德; 翟予峥; 李持尧
Original assignee: Dalian Maritime University
Current assignee: Dalian Maritime University
Priority date: 2022-07-29
Filing date: 2022-07-29
Publication date: 2022-11-15
Anticipated expiration: 2042-07-29
Also published as: CN115348372B

Abstract

本发明提供一种采用空分偏振照明的差分偏振成像装置及方法，涉及水下成像设备技术领域，本发明装置包括照明单元和成像单元，所述照明单元包括：光源，所述光源由灯珠阵列构成，用以与空分交错起偏阵列一起提供单光源分时输出偏振态正交的偏振光；空分交错起偏阵列，所述空分交错起偏阵列的阵列结构与所述灯珠阵列的阵列结构相同，所述空分交错起偏阵列的奇数行奇数列和偶数行偶数列处设置有与成像单元中检偏器方向相垂直的偏振片，所述空分交错起偏阵列的奇数行偶数列和偶数行奇数列处设置有与成像单元中检偏器方向相平行的偏振片；本发明设置差分偏振图像处理模块，将当前帧的图像与上一帧做差分，使得输出图像的帧频不会受到影响，实用性好。

Description

一种采用空分偏振照明的差分偏振成像装置及方法

技术领域

本发明涉及水下成像设备技术领域，具体而言，尤其涉及一种采用空分偏振照明的差分偏振成像装置及方法。

背景技术

由于水自身特性且水中存在大量杂质微粒对光造成吸收和散射效应，使得图像的清晰度和对比度均有所下降，难以获取质量较高的图像。同时自然光在水体中的传播距离非常有限，因此通常需要安装人工照明光源。在水下，光源发出的光经过水体散射后，沿着视线传播回来进入相机镜头的光称之为后向散射光，后向散射光使得水下图像严重退化。水体因对光造成的吸收效应导致目标信号衰减，可以通过加大光源功率和提高相机性能来缓解。但水体对光的散射导致图像退化，无法通过提高光源功率来改善。因此后向散射光是影响图像质量的关键因素。对于水下成像，去除后向散射是改善图像质量中最重要的任务之一。

目前从光学角度缓解成像过程中水体后向散射主要有三个技术路径，分别是激光距离选通成像、同步扫描成像和偏振成像。现有的偏振成像系统主要由光源、成像单元、起偏器和检偏器四部分组成。在光源端前安装起偏器，使光源发出偏振光，在成像单元前安装检偏器，通过对检偏器进行机械地转动或使用电控偏振片，获取偏振态不同的差分偏振图像。根据光的偏振特性来分辨目标反射光和后向散射光。

然而，现有的偏振成像方法中，对于机械式转动结构，因水体与目标实时运动，存在差分图像获取时间间隔较长，差分图像信息差异过大的问题。因此现有的差分偏振装置只适用于拍摄水下静止目标，无法对运动目标进行成像。此外还存在机械转动结构复杂、实时性差、可靠性差的缺点。对于电控偏振片结构，存在成本高昂，控制复杂的缺点。

发明内容

根据上述提出因机械式转动结构导致差分图像获取时间间隔较长，转动角度不精确从而导致获取图像质量低的技术问题，以及电控偏振片结构价格高昂的成本问题，而提供一种采用空分偏振照明的差分偏振成像装置及方法。本发明主要利用灯珠阵列与空分交错起偏阵列来替代传统照明单元中的机械式转动或者电控偏振片的使用，从而起到精确控制偏振成像精度以及降低成本的效果。

本发明采用的技术手段如下：

一种采用空分偏振照明的差分偏振成像装置，包括照明单元和成像单元，所述照明单元包括：

光源，所述光源由灯珠阵列构成，用以与空分交错起偏阵列一起提供单光源分时输出偏振态正交的偏振光；

开关控制电路，用以分时点亮所述灯珠阵列中的灯珠；

空分交错起偏阵列，所述空分交错起偏阵列的阵列结构与所述灯珠阵列的阵列结构相同，所述空分交错起偏阵列覆盖于所述灯珠阵列的灯珠出光口上，所述空分交错起偏阵列的奇数行奇数列和偶数行偶数列处设置有与成像单元中检偏器方向相垂直的偏振片，所述空分交错起偏阵列的奇数行偶数列和偶数行奇数列处设置有与成像单元中检偏器方向相平行的偏振片；

当所述成像单元中的图像传感器拍摄奇数帧时，所述灯珠阵列和空分交错起偏阵列联合作用发出垂直偏振态的偏振光，当所述成像单元中的图像传感器拍摄偶数帧时，所述灯珠阵列和空分交错起偏阵列联合作用发出平行偏振态的偏振光。

进一步地，所述成像单元包括检偏器、图像传感器、微控制器、同步电路和差分偏振图像处理模块。

进一步地，所述图像传感器采用低照度图像传感器。

进一步地，所述检偏器为偏振方向固定的偏振片，所述检偏器设置于相机镜头入光口处。

进一步地，所述灯珠阵列的行数和列数为偶数，所述灯珠阵列为：

其中，i为灯珠在阵列中的行号，j为灯珠在阵列中的列号，M为灯珠阵列的行数，N为灯珠阵列的列数。

进一步地，当所述图像传感器拍摄奇数帧时，所述开关控制电路点亮行号和列号奇偶性相同的灯珠；当所述图像传感器拍摄偶数帧时，所述开关控制电路点亮行号和列号奇偶性相异的灯珠。

本发明还提供了一种采用空分偏振照明的差分偏振成像方法，基于上述装置实现，包括如下步骤：

S1、所述微控制器控制图像传感器拍摄目标物体，所述同步电路读取微控制器信号，输出同步信号；

S2、所述同步电路输出同步信号至开关控制电路，当所述同步信号的视频帧数为奇数时执行S3，当所述同步信号的视频帧数为偶数时执行S4；

S3、所述开关控制电路接收同步信号并点亮所述灯珠阵列上位于奇数行奇数列和偶数行偶数列处的灯珠，所述灯珠发出的灯光通过空分交错起偏阵列后转变为垂直偏振态的偏振光，执行S5；

S4、所述开关控制电路接收同步信号并点亮所述灯珠阵列上位于奇数行偶数列和偶数行奇数列处的灯珠，所述灯珠发出的灯光通过空分交错起偏阵列后转变为平行偏振态的偏振光，执行S5；

S5、所述差分偏振图像处理模块在偏振光的照明下输出图像，并与上一帧图像做差分，输出差分偏振图像，则完成一次成像过程；

S6、重复S2-S5，直至完成所有的成像过程。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过设置灯珠阵列和空分交错起偏阵列，实现了差分偏振成像系统的全固态设置，这样的设置可以避免传统成像方式中的机械转动，从而避免机械转动时转动角度不精确，导致后向散射去除效果差，输出图像质量低的问题；

本发明通过设置差分偏振图像处理模块，将当前帧的图像与上一帧做差分，使得输出图像的帧频不会受到影响，这样的设置使得成像结果的实用性好，可以获取与视频序列同帧率的差分偏振图像，从而避免每隔两帧为一组输出差分偏振图像，输出图像帧频数降低的情况；

本发明采用低照度图像传感器，低照度图像传感器灵敏度高，缓解了偏振滤光片能量损失的问题，更适用于水下；

本发明的照明单元采用灯珠阵列作为光源，比起现有的电控偏振片，成本更低。

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做以简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明装置结构示意图。

图2为本发明空分交错起偏阵列示意图。

图3为本发明灯珠阵列示意图。

图4为本发明成像单元与开关控制电路的同步时序图。

图中：1、成像单元；2、照明单元；3、灯珠阵列；4、空分交错起偏阵列；5、光源传输路径；6、目标；7、目标反射光传输路径；8、偏振片；9、图像传感器；10、微控制器；11、差分偏振图像处理模块；12、同步电路；13、开关控制电路；14、垂直偏振方向偏振片；15、平行偏振方向偏振片；16、同步电路时序图；17、垂直偏振片处灯珠亮灭变化图；18、平行偏振片处灯珠亮灭变化图；19、视频序列信号帧数变化图；20、偏振光方向图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本实施例以4乘4的LED灯珠阵列为例。但在具体实施中可以使用2乘2LED灯珠阵列以减小体积，或使用6乘6LED灯珠阵列以增加光源功率。本方法不限制LED灯珠阵列的大小。

如图1所示，一种采用空分偏振照明的差分偏振成像装置，包括成像单元1与照明单元2，成像单元1与照明单元2相连接，成像单元1由偏振片8、图像传感器9、微控制器10、差分偏振图像处理模块11及同步电路12组成。图像传感器9采用低照度传感器。相机前端放置一个偏振方向固定的偏振片8，偏振片8作为检偏器用来检测光的偏振状态。照明单元2放置在成像单元1的正上方，但放置方式并不唯一。照明单元2由LED灯珠阵列3，空分交错起偏振列4及开关控制电路13组成。开关控制电路13与LED灯珠阵列3相连接，用于分时点亮LED灯珠。空分交错起偏阵列4覆盖于LED灯珠阵列3出光口，用于分时输出偏振态正交的偏振光。

相机工作输出同步信号。成像单元1发出帧同步信号，当同步信号为奇数帧时，开关控制电路13点亮LED灯珠阵列3上，位于奇数行奇数列和偶数行偶数列处的灯珠。如图2所示，光通过空分交错起偏阵列4上垂直偏振方向的偏振片14，发出垂直偏振态的偏振光。偏振光沿着传输路径5照射到目标物体6上，目标反射光沿着传输路径7，通过检偏器8进入到成像单元1，低照度图像传感器9接收光信号转换成电信号。成像单元1采集偏振方向为90°的图像。微控制器10在成像单元1采集图像后，将图像输出至差分偏振图像处理模块11，这时差分偏振图像处理模块11暂存一张图像。成像单元1发出帧同步信号，当同步信号为偶数帧时，开关控制电路13点亮LED灯珠阵列3上，位于奇数行偶数列和偶数行奇数列处的灯珠。如图3所示，光通过空分交错起偏阵列4上平行偏振方向的偏振片15，发出平行偏振态的偏振光。偏振光沿着传输路径5照射到目标物体6上，目标反射光沿着传输路径7，通过检偏器8进入到成像单元1，低照度图像传感器9接收光信号转换成电信号。成像单元1采集偏振方向为0°的图像。微控制器10在成像单元1采集图像后，将图像输出至差分偏振图像处理模块11，这时差分偏振图像处理模块11暂存一张图像。此时差分偏振图像处理模块11暂存完成，并通过计算输出差分偏振图像。重复上述过程，输出一组与视频序列同帧数的差分偏振图像。

在这个具体实施方案中，同步电路12发出帧同步信号给开关控制电路13，开关控制电路13分时点亮LED灯珠。如图4所示，为同步电路12发出帧同步信号的时序图，呈周期性变化。在时序单元16下降沿时，LED灯珠亮灭状态17以及18开始发生改变。

在同步电路第一个时序下降沿时，帧同步信号19为奇数帧，LED灯珠阵列3上，位于奇数行奇数列以及偶数行偶数列处的灯珠状态17，开始改变直到稳定，此时垂直方向偏振片处的灯珠被点亮，发出垂直偏振态的偏振光。在时序单元16下一次到达下降沿的时刻，灯珠亮灭状态17开始改变直至平稳，此时垂直方向偏振片处的灯珠被熄灭；同时在同步电路第一个时序下降沿时，LED灯珠阵列3上，位于奇数行偶数列以及偶数行奇数列处的灯珠状态18，开始改变直到稳定，此时平行方向偏振处的灯珠被熄灭。在时序单元16下一次到达下降沿的时刻，灯珠亮灭状态18开始改变直至平稳，此时平行方向偏振片处的灯珠被点亮，发出平行偏振态的偏振光。该步骤进行周期性重复，光源交替发出偏振方向20的偏振光。

当成像单元1获取偏振图像后，通过差分偏振图像处理模块11处理。差分偏振图像获取方法较多，本说明采用以下方法为例：

其中p_scat为后向散射光偏振度，p_obj为目标偏振度，都采用预设值；I_max为平行偏振光照射下的偏振图像，I_min为垂直偏振光照射下的偏振图像。通过这种方法，接收正交偏振状态的图像，每一帧图像与上一帧图像进行差分，使得输出图像的帧频不会受到影响，实用性好。

本发明中的低照度图像传感器适用于水下能见度低的环境；微控制器用于采集传感器输出的图像信号；同步电路用于输出图像的帧同步信号；差分偏振图像处理模块用于接收正交偏振状态的图像，输出差分偏振图像；检偏器为偏振方向固定的偏振片，安装在相机镜头入光口。

所述照明单元由LED灯珠阵列、开关控制电路和空分交错起偏阵列组成。LED灯珠采用矩形排列，其坐标用(i,j)表示，i表示灯珠在阵列中的行号，j表示列号，LED灯珠阵列的行数和列数应为偶数，则LED灯珠的矩阵式如下：

开关控制电路接收同步信号，并且分两部分控制灯珠阵列的亮灭。例如，当图像传感器拍摄奇数帧时，开关控制电路点亮行号和列号奇偶性相同的灯珠，即矩阵式中i和j为奇数以及i和j为偶数的灯珠；当图像传感器拍摄偶数帧时，开关控制电路点亮行号和列号奇偶性相异的灯珠，即矩阵式中i为奇数j为偶数以及i为偶数j为奇数的灯珠。空分交错起偏阵列选用与LED灯珠阵列大小一致的矩形排列结构，覆盖在LED灯珠出光口上，起偏阵列中奇数行奇数列和偶数行偶数列处，安装与相机检偏器方向垂直的偏振片；起偏阵列中奇数行偶数列和偶数行奇数列处，安装与相机检偏器偏振方向平行的偏振片。进一步地，照明单元由同步信号控制，当图像传感器拍摄奇数帧时，LED灯珠阵列和空分交错起偏阵列联合使用，发出垂直偏振态的偏振光；当图像传感器拍摄偶数帧时，发出平行偏振态的偏振光，从而实现了单光源分时输出偏振态正交的偏振光。在以上内容中，偏振片8和空分交错起偏阵列中的偏振片可以使用线偏振也可以使用圆偏振代替，由于圆偏振是在线偏振基础上增加了四分之一波片，其成像本质与线偏振无异，因此不再赘述。

通过以上操作，本系统将偏振态切换由检偏端转移到了起偏端，并且采用了空分选通的方式，避免了机械式转动结构以及电控偏振片的使用。

所述的相机采用低照度图像传感器，传感器可以是科学级互补型金属氧化物半导体图像传感器(sCMOS)、电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)、像增强型电荷耦合器件(ICCD)等。

本发明还公开了一种采用空分偏振照明的差分偏振图像获取方法，包括以下步骤：

S6、重复S2-S5，直至完成所有的成像过程。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims

1.一种采用空分偏振照明的差分偏振成像装置，包括照明单元和成像单元，其特征在于，所述照明单元包括：

开关控制电路，用以分时点亮所述灯珠阵列中的灯珠；

2.根据权利要求1所述的采用空分偏振照明的差分偏振成像装置，其特征在于：所述成像单元包括检偏器、图像传感器、微控制器、同步电路和差分偏振图像处理模块。

3.根据权利要求2所述的采用空分偏振照明的差分偏振成像装置，其特征在于：所述图像传感器采用低照度图像传感器。

4.根据权利要求2所述的采用空分偏振照明的差分偏振成像装置，其特征在于：所述检偏器为偏振方向固定的偏振片，所述检偏器设置于相机镜头入光口处。

5.根据权利要求1所述的采用空分偏振照明的差分偏振成像装置，其特征在于：所述灯珠阵列的行数和列数为偶数，所述灯珠阵列为：

6.根据权利要求1所述的采用空分偏振照明的差分偏振成像装置，其特征在于：当所述图像传感器拍摄奇数帧时，所述开关控制电路点亮行号和列号奇偶性相同的灯珠；当所述图像传感器拍摄偶数帧时，所述开关控制电路点亮行号和列号奇偶性相异的灯珠。

7.一种采用空分偏振照明的差分偏振成像方法，基于权利要求1-6所述的装置实现，包括如下步骤：

S6、重复S2-S5，直至完成所有的成像过程。