智能水下偏振目標(biāo)深度圖獲取系統(tǒng)及其方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種智能水下偏振目標(biāo)深度圖獲取系統(tǒng)及其方法，其包括圖像采集模塊，一相機(jī)、設(shè)置在所述相機(jī)前的旋轉(zhuǎn)鏡頭、所述旋轉(zhuǎn)鏡頭與激光發(fā)射/接收裝置組成的聯(lián)動(dòng)裝置、以及驅(qū)動(dòng)所述聯(lián)動(dòng)裝置的步進(jìn)電機(jī)；控制模塊，用于控制所述步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)來調(diào)整所述聯(lián)動(dòng)裝置；圖像處理模塊，用于對(duì)輸入的所述圖像信息進(jìn)行處理；存儲(chǔ)模塊，用來存放所述采集模塊采集的所述圖像信息和所述圖像處理模塊處理后的所述深度圖像信息；顯示模塊，在所述控制模塊的控制信號(hào)作用下將所述圖像處理模塊處理后得到的所述深度圖像信息進(jìn)行顯示；電源模塊，用于進(jìn)行供電。通過本發(fā)明可以有效的實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)深度圖的獲取與顯示，并節(jié)省處理時(shí)間和存儲(chǔ)空間。
【專利說明】智能水下偏振目標(biāo)深度圖獲取系統(tǒng)及其方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)儀器【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于偏振識(shí)別的智能水下偏振目標(biāo) 深度圖獲取系統(tǒng)及其方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的機(jī)器視覺是將立體的三維景物投影成平面的二維圖像，在這個(gè)成像的過程 中損失了深度信息，使得重構(gòu)的三維景物不是唯一的，從而使機(jī)器視覺的發(fā)展受到了限制。 因此，基于圖像的深度信息獲取具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，將會(huì)大大推動(dòng)機(jī)器視覺的發(fā)展。
[0003] 目前深度信息獲取大致分為兩種：
[0004] 一種是通過三維成像獲得深度信息：例如激光雷達(dá)深度成像、立體視覺技術(shù)法。立 體視覺中的雙目立體視覺由于直接模仿了人和許多動(dòng)物通過雙眼獲得景物的深度信息的 方式，得到了更為深入的研究，但這類方法存在嚴(yán)格的匹配要求。
[0005] 另一種是基于二維圖像的深度信息獲取技術(shù)。例如基于多幅圖像的去霧方法，借 助晴天和霧天場景的兩幅圖像作為參考圖像來計(jì)算場景各點(diǎn)的深度比關(guān)系。這種方法需要 涉及不同天氣條件下獲得的多幅場景圖像，因此時(shí)效性比較差。He等人提出基于暗原色先 驗(yàn)的去霧方法，獲取場景信息。上述方法能實(shí)現(xiàn)單幅圖像獲取深度信息，但是求解過程相對(duì) 復(fù)雜，因此實(shí)時(shí)性相對(duì)較差。
[0006] 在水下場景中，深度信息對(duì)于水下目標(biāo)檢測和跟蹤有著重要的作用，然而上述方 法應(yīng)用在水下時(shí)，存在著嚴(yán)重的不足，光在水體中傳播時(shí)存在著嚴(yán)重的吸收和散射，目標(biāo)信 息無法到達(dá)采集設(shè)備，但是水下后向散射偏振光卻包含目標(biāo)的距離信息。
[0007] 在此背景下，本發(fā)明針對(duì)水下場景應(yīng)用需求，提供一種智能水下偏振目標(biāo)深度圖 獲取系統(tǒng)，通過偏振圖像采集裝置獲得目標(biāo)圖像，基于后向散射光強(qiáng)方法，快捷的計(jì)算得到 深度圖。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 有鑒于此，本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述或其他缺陷，提供一種智能水下偏 振目標(biāo)深度圖獲取系統(tǒng)，可對(duì)水下目標(biāo)的偏振圖像、非偏振圖像進(jìn)行采集、計(jì)算、處理，從而 能夠得到目標(biāo)的深度圖。
[0009] 本發(fā)明提供了一種針對(duì)水下環(huán)境的智能水下偏振成像與目標(biāo)深度圖獲取系統(tǒng)，其 特征在于：系統(tǒng)由圖像采集模塊、圖像處理模塊、控制模塊、存儲(chǔ)模塊、顯示模塊、電源模塊 構(gòu)成。所述的采集模塊包括旋轉(zhuǎn)鏡頭、相機(jī)、激光發(fā)射/接受裝置、步進(jìn)電機(jī)，相機(jī)前部安裝 旋轉(zhuǎn)鏡頭，與激光發(fā)射/接收裝置組成聯(lián)動(dòng)裝置，通過控制模塊觸發(fā)步進(jìn)電機(jī)控制偏振片 角度，保證當(dāng)激光發(fā)射/接收裝置的激光發(fā)射端與接收端、鏡面貼片處于同一垂直面時(shí)，精 確得到所需偏振角度圖像。所述的控制模塊通過發(fā)送脈沖控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)、圖像處理 模塊的圖像處理、存儲(chǔ)模塊的信息存儲(chǔ)，顯示模塊的信息傳輸與顯示。所述的圖像處理模 塊內(nèi)置有圖像處理算法，對(duì)輸入的采集圖像進(jìn)行處理，得到目標(biāo)深度圖。所述的存儲(chǔ)模塊是 用來存放采集模塊采集的圖像信息和處理模塊處理后的圖像信息。所述的顯示模塊包含 數(shù)-模轉(zhuǎn)換器、顯示屏，在控制模塊的控制信號(hào)作用下將處理模塊處理后得到的深度信息 進(jìn)行顯示所述的電源模塊對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)模塊提供供電服務(wù)。
[0010] 本發(fā)明的核心處理部分是：所述采集模塊中旋轉(zhuǎn)鏡頭與激光發(fā)射/接收裝置相結(jié) 合成聯(lián)動(dòng)裝置，通過控制模塊觸發(fā)步進(jìn)電機(jī)控制偏振片角度，保證當(dāng)激光發(fā)射/接收裝置 的激光發(fā)射端與接收端、鏡面貼片處于同一垂直面時(shí)，精確得到所需偏振角度圖像并存儲(chǔ)。 所述圖像處理模塊是基于后向散射光強(qiáng)計(jì)算方法，得到水下目標(biāo)的深度圖。
[0011] 所述旋轉(zhuǎn)鏡頭包括以下部分：帶有軸承的黑色旋轉(zhuǎn)輪、非偏振片、〇度偏振片、90 度偏振片、鏡面貼片。鏡片固定在旋轉(zhuǎn)輪的外邊緣與旋轉(zhuǎn)輪相互外切，且鏡片中心線過旋轉(zhuǎn) 輪中心，三個(gè)鏡片的中心線夾角為120度。鏡面貼片貼在三條中心線上與旋轉(zhuǎn)輪外邊相內(nèi) 切。
[0012] 所述圖像處理模塊中算法是基于后向散射光強(qiáng)可表述為：
[0013] 步驟1、基于暗原色先驗(yàn)知識(shí)處理非偏振圖像，選取其中暗原色值最大的10 %像 素區(qū)域作為背景區(qū)域。
[0014] 步驟2、依據(jù)步驟1中的背景區(qū)域，做為0度偏振圖像、90度偏振圖像的背景區(qū)域， 依據(jù)（4)式計(jì)算出后向散射光的偏振度：

【權(quán)利要求】
1. 一種智能水下偏振目標(biāo)深度圖獲取系統(tǒng)，其包括： 圖像采集模塊，一相機(jī)、設(shè)置在所述相機(jī)前的旋轉(zhuǎn)鏡頭、所述旋轉(zhuǎn)鏡頭與激光發(fā)射/接 收裝置組成的聯(lián)動(dòng)裝置、以及驅(qū)動(dòng)所述聯(lián)動(dòng)裝置的步進(jìn)電機(jī)； 控制模塊，用于控制所述步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)來調(diào)整所述聯(lián)動(dòng)裝置，當(dāng)所述激光接收裝置的 接收端接收到所述激光發(fā)射裝置的發(fā)射端發(fā)出的激光，可得到目標(biāo)偏振圖像信息； 圖像處理模塊，用于對(duì)輸入的所述圖像信息進(jìn)行處理，采用后向散射光強(qiáng)計(jì)算深度信 息的方法得到水下目標(biāo)的深度圖像信息； 存儲(chǔ)模塊，用來存放所述采集模塊采集的所述圖像信息和所述圖像處理模塊處理后的 所述深度圖像圖像信息； 顯示模塊，在所述控制模塊的控制信號(hào)作用下將所述圖像處理模塊處理后得到的所述 深度圖像信息進(jìn)行顯示； 電源模塊，連接所述偏振圖像采集模塊、所述控制模塊、圖像處理模塊、存儲(chǔ)模塊，且用 于進(jìn)行供電。
2. 如權(quán)利要求1所述的智能水下偏振目標(biāo)深度圖獲取系統(tǒng)，其特征在于：所述旋轉(zhuǎn)鏡 頭還包括：帶有軸承的旋轉(zhuǎn)輪、非偏振片、0度偏振片、90度偏振片、3個(gè)鏡面貼片，所述非偏 振片、所述〇度偏振片、所述90度偏振片均勻固定在所述旋轉(zhuǎn)輪的外邊緣，所述多個(gè)鏡面貼 片均勻貼在旋轉(zhuǎn)輪內(nèi)圓周上。
3. 如權(quán)利要求2所述的智能水下偏振目標(biāo)深度圖獲取系統(tǒng)，其特征在于：調(diào)整所述聯(lián) 動(dòng)裝置為通過所述處理器的控制信號(hào)控制所述步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)來控制所述偏振片的角度，當(dāng) 所述激光發(fā)射/接收裝置的激光發(fā)射端與接收端、所述鏡面貼片處于同一垂直面時(shí)，可得 到所述目標(biāo)偏振圖像。
4. 如權(quán)利要求2或3所述的智能水下偏振目標(biāo)深度圖獲取系統(tǒng)，其特征在于：所述步 進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)通過帶動(dòng)所述帶有軸承的旋轉(zhuǎn)輪驅(qū)動(dòng)所述旋轉(zhuǎn)鏡頭旋轉(zhuǎn)，當(dāng)任一所述偏振片/ 非偏振片旋轉(zhuǎn)到相機(jī)前，所述激光發(fā)射裝置發(fā)射激光照射到鏡面貼片，所述激光接收裝置 接收到信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，觸發(fā)所述相機(jī)拍攝目標(biāo)，獲取所述偏振圖像。
5. 如權(quán)利要求2所述的智能水下偏振目標(biāo)深度圖獲取系統(tǒng)，其特征在于：所述后向散 射光強(qiáng)計(jì)算深度信息的方法為： 1) 基于暗原色先驗(yàn)知識(shí)處理非偏振圖像，選取其中暗原色值最大的10%像素區(qū)域作 為背景區(qū)域； 2) 根據(jù)所述背景區(qū)域，設(shè)為0度偏振圖像、90度偏振圖像的背景區(qū)域，依據(jù)式（1)計(jì)算 出后向散射光的偏振度：
4) 計(jì)算非偏圖像的背景區(qū)域光強(qiáng)平均值，將其設(shè)為背景區(qū)域的后向散射光強(qiáng); 5) 利用步驟3)和步驟4)得到的圖像中各像素點(diǎn)的后向散射光強(qiáng)和背景區(qū)域的后向散 射光強(qiáng)，依據(jù)式（3)計(jì)算出R、G、B通道的目標(biāo)深度信息： 2 (x,y) = _ln[l_B(x；y)/B〇〇/ η. (3)； 其中，η為水體的衰減系數(shù)； 6) 將步驟5)的各通道深度圖進(jìn)行平均，得到目標(biāo)深度圖； Z(x,y) = (ZE(x；y)+ZG(x；y)+ZB(x；y))/3 (4)； 其中，ZK(x，y)，ZG(x，y)，Z B(x，y)為R、G、B顏色通道的深度信息。
6. -種如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述智能水下偏振目標(biāo)深度圖獲取系統(tǒng)的智能水下偏 振目標(biāo)深度圖獲取方法，其包括以下步驟： 1) 采集圖像； 2) 輸入采集圖像并基于暗原色先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行背景區(qū)域劃分； 3) 利用偏振圖像的背景區(qū)域的光強(qiáng)，計(jì)算出后向散射光的偏振度； 4) 利用偏振圖像的光強(qiáng)差和所求的后向散射光的偏振度進(jìn)行除法運(yùn)算，計(jì)算出圖像中 各像素點(diǎn)的后向散射光強(qiáng)； 5) 利用選出的背景區(qū)域求得背景區(qū)域無窮遠(yuǎn)處的后向散射光強(qiáng)； 6) 計(jì)算出各顏色通道的目標(biāo)深度圖； 7) 對(duì)各通道深度圖進(jìn)行平均，得到目標(biāo)深度圖。
7. 如權(quán)利要求6所述的智能水下偏振目標(biāo)深度圖獲取方法，其特征在于：所述采集圖 像具體步驟如下： a) 調(diào)整相機(jī)、旋轉(zhuǎn)鏡頭，使激光照射在非偏振和90度偏振鏡頭軸之間，接通電源，初始 化各模塊，將相機(jī)鏡頭對(duì)準(zhǔn)選定的目標(biāo)； b) 控制所述采集控制模塊發(fā)送脈，沖使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鏡頭旋轉(zhuǎn)，當(dāng)激光接收裝置 接收到激光信號(hào)時(shí)，由接收裝置發(fā)送脈沖信號(hào)給所述采集控制模塊，調(diào)用中斷程序，使步進(jìn) 電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)到相機(jī)，通過所述相機(jī)獲取目標(biāo)的非偏振圖像； c) 中斷程序調(diào)用結(jié)束后，重復(fù)步驟b)獲取目標(biāo)的0度偏振照片； d) 中斷程序調(diào)用結(jié)束后，重復(fù)步驟b)獲取目標(biāo)的90度偏振照片； e) 采集模塊工作結(jié)束時(shí)，采集控制模塊發(fā)送信號(hào)給圖像讀寫控制模塊，圖像讀寫控制 模塊將采集的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過總線存儲(chǔ)到存儲(chǔ)模塊的原始數(shù)據(jù)區(qū)； f) 預(yù)先將獲取圖像深度信息的算法存儲(chǔ)在存儲(chǔ)模塊的算法存儲(chǔ)區(qū)； g) 圖像處理模塊接收到反饋信號(hào)后，將存儲(chǔ)模塊算法存儲(chǔ)區(qū)的算法程序和原始數(shù)據(jù)區(qū) 的圖像加載到所述圖像處理模塊中，對(duì)加載的圖像進(jìn)行基于后向散射光強(qiáng)計(jì)算深度信息算 法的計(jì)算，求得目標(biāo)圖像深度信息。
8. 如權(quán)利要求6或7所述的智能水下偏振目標(biāo)深度圖獲取方法，其特征在于：所述后 向散射光強(qiáng)計(jì)算深度信息方法為： 1) 基于暗原色先驗(yàn)知識(shí)處理非偏振圖像，選取其中暗原色值最大的10%像素區(qū)域作 為背景區(qū)域； 2) 根據(jù)所述背景區(qū)域，設(shè)為0度偏振圖像、90度偏振圖像的背景區(qū)域，依據(jù)式（1)計(jì)算 出后向散射光的偏振度：
4) 計(jì)算非偏圖像的背景區(qū)域光強(qiáng)平均值，將其做為背景區(qū)域的后向散射光強(qiáng); 5) 利用步驟3)和步驟4)得到的圖像中各像素點(diǎn)的后向散射光強(qiáng)和背景區(qū)域的后向散 射光強(qiáng)，依據(jù)式（3)計(jì)算出R、G、B通道的目標(biāo)深度信息： 2 (x,y) = _ln[l_B(x；y)/B〇〇 ]/ η. (3)； 其中η為水體的衰減系數(shù)； 6) 將步驟5)的各通道深度圖進(jìn)行平均，得到目標(biāo)深度圖： Z(x,y) = (ZE(x；y)+ZG(x；y)+ZB(x；y))/3 (4)； 其中Ζκ(χ，+ZG(x，y)，ZB(x， y)為R、G、B顏色通道的深度信息。
【文檔編號(hào)】G01B11/22GK104052967SQ201410244245
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年6月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月4日
【發(fā)明者】王慧斌, 韋佳明, 沈潔, 李臣明, 陳哲 申請(qǐng)人:河海大學(xué)