CN107340546B - 一种水下探测分孔径双ccd实时偏振成像装置及方法 - Google Patents

一种水下探测分孔径双ccd实时偏振成像装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水下探测分孔径双CCD实时偏振成像装置及方法，包括被探测目标、前置共孔径成像透镜组、无偏振分光棱镜、偏振元件组、后置分孔径成像透镜组、CCD探测器、LED光源和透明树脂密封舱。本发明采用CCD分孔径设计装置，完成分孔径与分振幅相结合的偏振成像***，实现对圆偏振、线偏振原始图像及光强度图像的同时采集。本发明采用基于机器学习的多光学信息融合偏振成像方法，针对不同水深、水质的水下环境，在人工光源条件下基于图像的颜色、光强、偏振度等光学参数以及水体环境和探测距离进行建模，建立学习机制，获得具有较高对比度、清晰度的水下目标探测图像，提高水下偏振成像的适应性。

Description

一种水下探测分孔径双CCD实时偏振成像装置及方法
技术领域
本发明所涉及的是一种水下光学成像装置及方法，尤其是水下偏振成像的装置及方法。
背景技术
偏振成像技术是近十几年来发展起来的新型目标探测技术，应用偏振成像技术不仅可以表征一些自然目标物体的粗糙度、湿度、材料理化特性等信息，而且在水下目标探测时可以不同程度的减少进入探测器的后向散射光和目标反射光，大部分后向散射光被滤去而大部分目标反射光能够到达探测器，即目标反射光的入射比例得到提高，在探测器上形成的图像对比度得到提高，所以采用偏振成像技术能够在很大程度上提高图像的清晰度，进而增大探测距离和探测深度。因此，偏振成像技术在水下成像领域具有良好的发展和应用前景。
目前国内外水下偏振成像的研究可归纳为两大类，一是在激光主动成像的方法基础上引入偏振片，以抑制水体后向散射光；二是借鉴遥感偏振成像方法，以旋转偏振片的方式获取多角度偏振图像，进而求解偏振度、偏振角等偏振特征，以提高水下目标检测能力。
然而由于水介质本身及悬浮颗粒所造成的光谱、光强衰减及光线散射，导致水下图像色度畸变、细节模糊，并且这种影响并非稳定的，随着水质、成像水深及视距而发生动态变化，因此简单的移植或改进遥感偏振成像方法进行水下目标探测在实际应用中成像质量提高程度比较有限，同时采用旋转偏振片式的分时偏振成像方法不适用于水下浮动场合。因此，本发明提出一种分孔径双CCD实时水下偏振成像装置及方法，解决光谱、光强衰减以及光散射等造成的目标探测模糊、对比度低，以及分时偏振成像造成的图像抖动等问题。
发明内容
本发明提出一种分孔径双CCD实时水下偏振成像装置及方法，解决光谱、光强衰减以及光散射等造成的目标探测模糊、对比度低，以及分时偏振成像造成的图像抖动等问题。
本发明采用的技术方案是：一种水下探测分孔径双CCD实时偏振成像装置，包括被探测目标、前置共孔径成像透镜组、无偏振分光棱镜、偏振元件组、后置分孔径成像透镜组、CCD探测器、LED光源和透明树脂密封舱；
所述被探测目标经LED光源照明后，其反射光依次经过前置共孔径成像透镜组、无偏振分光棱镜、两组偏振元件组、两组后置分孔径成像透镜组，最终成像于两个CCD探测器上；
所述前置共孔径成像透镜组、无偏振分光棱镜、偏振元件组、后置分孔径成像透镜组及CCD探测器固定于透明树脂密封舱内；
所述两组偏振元件组中，一组为四通道偏振元件组，另一组则为双通道偏振元件组；四通道偏振元件组分别放置一个线偏振片，其偏振角分别设置为0°，45°，90°，45°和135°；双通道偏振元件组一路放置一个圆偏振片，另一路放置一片与偏振片厚度相同的无偏振平行平板，以减小各光路光学成像差异；两组后置分孔径成像透镜组分别与两组偏振元件组对应，且各通道透镜组光轴与前置共孔径透镜组光轴偏离距离e＝4.2mm，CCD探测器像元尺寸为8μm×8μm，保证像中心偏移量等于像高的一半。
作为优选，所述透明树脂密封舱以太网水密连接器接口，使微处理器与上位机利用网线进行通讯，实现图像视频的传输并接受上位机的控制。
采用上述装置的水下探测分孔径双CCD实时偏振成像方法为：被探测目标经无偏振分光棱镜后，造成透射图像与反射图像互为镜像，因此，首先通过镜像处理对反射图像进行预处理，使其具有相同的方向。而后将图像进行二值化处理，基于形态学图像处理原理提取同一CCD探测器上探测到的各图像边缘信息，进行图像分割。图像配准拟采用基于特征的配准方法，首先需将彩色图像转化为灰度图像，采用SURF算法，对分割好的全部原始图像进行积分图像变换，使用近似的Hessian矩阵检测特征点，而后以Haar小波响应构建特征向量分布信息，对特征点进行描述。以优先kD树方法匹配特征点对，然后结合RANSAC算法剔除误匹配点对，最小二乘法求出图像之间的变换矩阵，最后利用双线性插值方法进行插值重采样，获得配准图像结果。
根据Stokes矢量S＝{I,Q,U,V}T对配准后的偏振角为0°，45°，90°，135°方向上的目标偏振灰度图像求解偏振度图A；目标彩色图像提取光强特征图B；应用RGB色彩空间中三个通道的灰度线性关系提取颜色特征图C，灰度化的圆偏振图像D。采用加权策略对上述图像进行融合，各权重由水下光学先验知识学习获得。光学先验知识学习过程是针对不同材质、颜色的目标在不同水质及探测距离下提取光强、光谱和偏振度图，形成训练样本，以聚类方法对其进行分类，而后针对不同类别，求解最优权重；用先验知识指导将被测图像的检测结果，可以确定特定水下光学环境中目标检测任务对偏振度、光强、光谱、和圆偏振信息的依赖度，即权重，分别用m，n，p，q表示。则可以根据公式X＝mA+nB+pC+qD得到该特定场景的融合图像。
有益效果：本发明采用CCD分孔径设计装置，完成分孔径与分振幅相结合的偏振成像***，实现对圆偏振、线偏振原始图像及光强度图像的同时采集。
本发明采用基于机器学习的多光学信息融合偏振成像方法，针对不同水深、水质的水下环境，在人工光源条件下基于图像的颜色、光强、偏振度等光学参数以及水体环境和探测距离进行建模，建立学习机制，获得具有较高对比度、清晰度的水下目标探测图像，提高水下偏振成像的适应性。
附图说明
图1为本发明分孔径双CCD水下偏振成像装置结构示意图。1、被探测目标；2、前置共孔径成像透镜组；3、无偏振分光棱镜；4、四通道偏振元件组；5、四通道后置分孔径成像透镜组；6、CCD探测器一；7、双通道偏振元件组；8、双通道后置分孔径成像透镜组；9、CCD探测器二；10、LED光源一；11、LED光源二；12、透明树脂密封舱。
图2a为后置分孔径透镜组正向示意图(四通道组)；
图2b为后置分孔径透镜组正向示意图(双通道组)；
图3为基于先验知识的水下目标探测原理框图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详述：
本发明提出一种分孔径双CCD实时水下偏振成像装置，被探测目标1经两个10W的LED光源一10和LED光源二11后，其反射光依次经过前置共孔径成像透镜组2、无偏振分光棱镜3、两组偏振元件组、两组后置分孔径成像透镜组，最终成像于两组CCD探测器上。
前置共孔径成像透镜组2、无偏振分光棱镜3、偏振元件组、后置分孔径成像透镜组及CCD探测器固定于透明树脂密封舱12内。
透明树脂密封舱12设计以太网水密连接器接口，以Atmega8微处理器与上位机用网线进行通讯，上位机程序采用VC编写，实现图像视频的传输并接受上位机的控制。
前置共孔径成像透镜组2焦距为100mm，后置分孔径成像透镜组焦距均为35mm，前后两透镜组间距为47mm，两组偏振元件组中，一组为四通道偏振元件组4，另一组则为双通道偏振元件组7。四通道偏振元件组4分别放置一个线偏振片，其偏振角分别设置为0°，45°，90°，45°和135°。双通道偏振元件组7一路放置一个圆偏振片，另一路放置一片与偏振片厚度相同的无偏振平行平板，以减小各光路光学成像差异。四通道后置分孔径成像透镜组5与四通道偏振元件组4对应，四通道后置分孔径成像透镜组5后为CCD探测器一6，双通道后置分孔径成像透镜组8与双通道偏振元件组7对应，双通道后置分孔径成像透镜组8后为CCD探测器二9，且各通道透镜组光轴与前置共孔径透镜组2光轴偏离距离e＝4.2mm，CCD探测器像元尺寸为8μm×8μm。
目标经分光棱镜后，造成透射图像与反射图像互为镜像，因此，首先通过镜像处理对反射图像进行预处理，使其具有相同的方向。而后将图像进行二值化处理，基于形态学图像处理原理提取同一CCD探测器上探测到的各图像边缘信息，进行图像分割。图像配准拟采用基于特征的配准方法，首先需将彩色图像转化为灰度图像，采用SURF算法，对分割好的全部原始图像进行积分图像变换，使用近似的Hessian矩阵检测特征点，而后以Haar小波响应构建特征向量分布信息，对特征点进行描述。以优先kD树方法匹配特征点对，然后结合RANSAC算法剔除误匹配点对，最小二乘法求出图像之间的变换矩阵，最后利用双线性插值方法进行插值重采样，获得配准图像结果。
根据Stokes矢量S＝{I,Q,U,V}T对配准后的偏振角为0°，45°，90°，135°方向上的目标偏振灰度图像求解偏振度图A；目标彩色图像提取光强特征图B；应用RGB色彩空间中三个通道的灰度线性关系提取颜色特征图C，灰度化的圆偏振图像D。采用加权策略对上述图像进行融合，各权重由水下光学先验知识学习获得。光学先验知识学习过程是针对不同材质、颜色的目标在不同水质及探测距离下提取光强、光谱和偏振度图，形成训练样本，以聚类方法对其进行分类，而后针对不同类别，求解最优权重；用先验知识指导将被测图像的检测结果，可以确定特定水下光学环境中目标检测任务对偏振度、光强、光谱、和圆偏振信息的依赖度，即权重，分别用m，n，p，q表示。则可以根据公式X＝mA+nB+pC+qD得到该特定场景的融合图像。
当然，以上只是本发明的典型实例，除此之外，本发明还可以有其它多种具体实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (1)

1.一种使用水下探测分孔径双CCD实时偏振成像装置的方法，其特征在于：
所述水下探测分孔径双CCD实时偏振成像装置包括被探测目标、前置共孔径成像透镜组、无偏振分光棱镜、偏振元件组、后置分孔径成像透镜组、CCD探测器、LED光源和透明树脂密封舱；
所述被探测目标经LED光源照明后，其反射光依次经过前置共孔径成像透镜组、无偏振分光棱镜、两组偏振元件组、两组后置分孔径成像透镜组，最终成像于两个CCD探测器上；所述前置共孔径成像透镜组、无偏振分光棱镜、偏振元件组、后置分孔径成像透镜组及CCD探测器固定于透明树脂密封舱内；
所述两组偏振元件组中，一组为四通道偏振元件组，另一组则为双通道偏振元件组；四通道偏振元件组分别放置一个线偏振片，其偏振角分别设置为0°，45°，90°和135°；双通道偏振元件组一路放置一个圆偏振片，另一路放置一片与偏振片厚度相同的无偏振平行平板；两组后置分孔径成像透镜组分别与两组偏振元件组对应，且各通道透镜组光轴与前置共孔径透镜组光轴偏离距离e＝4.2mm，CCD探测器像元尺寸为8μm×8μm，保证像中心偏移量等于像高的一半；
所述透明树脂密封舱以太网水密连接器接口，使微处理器与上位机利用网线进行通讯；使用所述水下探测分孔径双CCD实时偏振成像装置的方法：
被探测目标经无偏振分光棱镜后，造成透射图像与反射图像互为镜像，因此，首先通过镜像处理对反射图像进行预处理，使其具有相同的方向；而后将图像进行二值化处理，基于形态学图像处理原理提取同一CCD探测器上探测到的各图像边缘信息，进行图像分割；图像配准拟采用基于特征的配准方法，首先需将彩色图像转化为灰度图像，采用SURF算法，对分割好的全部原始图像进行积分图像变换，使用近似的Hessian矩阵检测特征点，而后以Haar小波响应构建特征向量分布信息，对特征点进行描述；以优先kD树方法匹配特征点对，然后结合RANSAC算法剔除误匹配点对，最小二乘法求出图像之间的变换矩阵，最后利用双线性插值方法进行插值重采样，获得配准图像结果；
根据Stokes矢量S＝{I,Q,U,V}T对配准后的偏振角为0°，45°，90°，135°方向上的目标偏振灰度图像求解偏振度图A；目标彩色图像提取光强特征图B；应用RGB色彩空间中三个通道的灰度线性关系提取颜色特征图C，灰度化的圆偏振图像D；采用加权策略对上述图像进行融合，各权重由水下光学先验知识学习获得；光学先验知识学习过程是针对不同材质、颜色的目标在不同水质及探测距离下提取光强、光谱和偏振度图，形成训练样本，以聚类方法对其进行分类，而后针对不同类别，求解最优权重；用先验知识指导将被测图像的检测结果，确定特定水下光学环境中目标检测任务对偏振度、光强、光谱、和圆偏振信息的依赖度，即权重，分别用m，n，p，q表示；则根据公式X＝mA+nB+pC+qD得到该特定场景的融合图像。
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