專利名稱：基于偏振識(shí)別的水下攝像系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)儀器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于偏振識(shí)別的水下攝像系統(tǒng) 及方法。
背景技術(shù)：
水下攝像系統(tǒng)是用于探測水中物體，并在水上進(jìn)行電視顯象的光學(xué)觀測工具，它 為實(shí)時(shí)觀察水中目標(biāo)提供高分辨率的視頻圖象。它已成為進(jìn)行水下作業(yè)所必要的設(shè)備之 一。尤其在人們無法和難以直接觀察的海下空間更是不可少?，F(xiàn)已普遍用于包括軍事目的 大內(nèi)的各種水下作業(yè)中，包括用于觀察武器試驗(yàn)、艦船修造、探索水雷、魚雷和檢查布雷情 況；觀察、控制海底工程作業(yè)和水下建筑過程，偵察和選擇水下施工地址、設(shè)備安裝以及定 期檢查工程建筑質(zhì)量情況；在海洋研究中，用于考察海底地貌形態(tài)和海底表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，觀 察海中生物的生活習(xí)性和活動(dòng)規(guī)律等。但是在水下環(huán)境中，水(衰減)非常大，而且水中存在著各種懸浮物，這些懸浮物 的性能各異，對(duì)光有散射作用。由于水對(duì)光的吸收和散射，使整個(gè)水下影像呈現(xiàn)霧化效果， 對(duì)比度較差，所以只能看到近處的物體。尤其散射光對(duì)影像襯度影響較大，它造成了圖像對(duì) 比度下降，對(duì)水下成像影響極大，使影像襯度成為水下成像中最嚴(yán)重的問題之一。通常的水 下光強(qiáng)度成像系統(tǒng)是根據(jù)光強(qiáng)的差別來區(qū)分目標(biāo)，由于散射導(dǎo)致的水下物體和背景強(qiáng)度差 別不明顯或目標(biāo)背景很雜亂時(shí)，用強(qiáng)度來區(qū)分目標(biāo)就很困難，而利用光的另一個(gè)特性一偏 振特性來區(qū)別目標(biāo)，可以克服由于光強(qiáng)差太小所帶來的困難。水下偏振成像探測系統(tǒng)正是 為適應(yīng)這樣的需要而發(fā)展起來的。國外對(duì)偏振成像的研究開展的比較早，二十世紀(jì)七十年代以來，各國科學(xué)家對(duì)多 種物體的偏振特性研究做了大量的工作，掌握了許多數(shù)據(jù)，從中獲得物質(zhì)偏振特性的規(guī)律， 分析偏振產(chǎn)生的機(jī)理，為偏振的應(yīng)用提供理論依據(jù)和必要的原始資料。國內(nèi)關(guān)于偏振成像 方面的研究基礎(chǔ)比較落后，僅在高校和研究所等少數(shù)單位開展一些工作。1997-2000年，安 光所研究人員利用532nm的激光作為光源，面陣CCD作為探測器，利用水中粒子和水中物體 的退偏振差異，重點(diǎn)研究了水中物體的偏振成像。通過理論計(jì)算得出了水下目標(biāo)成像對(duì)比 度、成像距離、水體衰減常數(shù)之間的關(guān)系，并推導(dǎo)出了水下目標(biāo)最遠(yuǎn)成像距離的計(jì)算公式。 獲取了 532nm圓偏振光照射下水中物體的偏振圖像，并測得了水體衰減常數(shù)為0. 5時(shí)，圓偏 振成像系統(tǒng)最遠(yuǎn)成像距離為1.92m。后來的工作中，又利用線偏振光作了類似的實(shí)驗(yàn)。但是 以上偏振成像方法對(duì)水體清澈程度有一定要求。而且由于近年來資源開發(fā)活動(dòng)主要在海底，近幾年來國際上重點(diǎn)發(fā)展渾水中的水 下成像觀察技術(shù)，這已經(jīng)成為海洋開發(fā)技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種基于偏振識(shí)別的水下 攝像系統(tǒng)及方法，可以獲取水下物體的基于偏振信息而不是光強(qiáng)信息的圖像，可實(shí)現(xiàn)較混濁水體的水下物體成像?！N基于偏振識(shí)別的水下攝像系統(tǒng)的技術(shù)方案是包括水下光源、偏振調(diào)制部分 和圖像采集及處理部分；所述的水下光源包括半導(dǎo)體激光器、濾光片、起偏器、偏振旋轉(zhuǎn)器 和擴(kuò)束器，半導(dǎo)體激光器所發(fā)的激光光束經(jīng)濾光片濾光后，再經(jīng)起偏器變?yōu)槠窆猓撈?光經(jīng)偏振旋轉(zhuǎn)器和擴(kuò)束器后變?yōu)槠穹较蚩烧{(diào)的線偏振光；所述偏振調(diào)制部分包括檢偏 器、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)控制器和紅外探測器；所述圖像采集及處理部分包括高頻CCD攝像 機(jī)、圖像采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)；水下的目標(biāo)物經(jīng)所述的線偏振光照射后，其反射光射入偏振調(diào) 制部分，首先進(jìn)入由步進(jìn)電機(jī)控制的檢偏器，經(jīng)檢偏器出射后的光束被高頻CCD攝像機(jī)采 集后和紅外探測器的信號(hào)同步送入進(jìn)行異或圖像算法處理。上述的偏振旋轉(zhuǎn)器為扭轉(zhuǎn)向列型液晶旋轉(zhuǎn)偏振器，通過控制可以對(duì)偏振旋轉(zhuǎn)角度 進(jìn)行精確控制，可以快速旋轉(zhuǎn)線偏振光束的偏振方向。上述的檢偏器的外圈上設(shè)有多個(gè)觸發(fā)孔，排列在多個(gè)標(biāo)定的透光方向上。上述的紅外探測器由紅外發(fā)射端和接收端兩部分組成。另外，一種基于偏振識(shí)別的水下攝像方法，其技術(shù)方案是由半導(dǎo)體激光器所發(fā)的 激光光束經(jīng)濾光片濾光后，再經(jīng)起偏器變?yōu)槠窆?，該偏振光?jīng)偏振旋轉(zhuǎn)器和擴(kuò)束器后變 為偏振方向可調(diào)的線偏振光；水下的目標(biāo)物經(jīng)所述的線偏振光照射后，其反射光射入偏振 調(diào)制部分，首先進(jìn)入由步進(jìn)電機(jī)控制的檢偏器，經(jīng)檢偏器出射后的光束被高頻CCD攝像機(jī) 采集后和紅外探測器的信號(hào)同步送入計(jì)算機(jī)處理。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明可以有效提高目標(biāo)成像的對(duì)比度和清晰度；提高目 標(biāo)探測和識(shí)別效率；偏振成像可以利用不同目標(biāo)退偏振的差異消除背景光的干擾，提供了 從雜亂背景中識(shí)別目標(biāo)的手段，較普通的光強(qiáng)度成像識(shí)別目標(biāo)的方法具有明顯優(yōu)勢。
四

附圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖；附圖2是本發(fā)明的檢偏器的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖3是本發(fā)明的目標(biāo)物的光強(qiáng)度圖像及偏振圖像；附圖3(a)是未加偏振片的自然光下的目標(biāo)物的光強(qiáng)度圖像；附圖3(b_f)是加偏振片且起偏器透光方向和檢偏器透光方向夾角分別為0°、 30°、45°、60°、90°時(shí)的目標(biāo)物的光強(qiáng)度圖像；附圖4(a_d)分別是本發(fā)明獲取的偏振特征量I、偏振特征量Q、偏振特征量U和偏 振度圖像；外圈1、觸發(fā)孔2、半導(dǎo)體激光器3、濾光片4、起偏器5、偏振旋轉(zhuǎn)器6、擴(kuò)束器7、目 標(biāo)物8、紅外探測器9、檢偏器10、高頻CXD攝像機(jī)11、步進(jìn)電機(jī)12、步進(jìn)電機(jī)控制器13、圖 像采集系統(tǒng)14、計(jì)算機(jī)15。
五具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖1-4，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述一種基于偏振識(shí)別的水下攝像系統(tǒng)的技術(shù)方案是包括水下光源、偏振調(diào)制部分 和圖像采集及處理部分；所述的水下光源包括半導(dǎo)體激光器3、濾光片4、起偏器5、偏振旋轉(zhuǎn)器6和擴(kuò)束器7，偏振調(diào)制部分包括檢偏器10、步進(jìn)電機(jī)12、步進(jìn)電機(jī)控制器13和紅外探 測器9 ；圖像采集及處理部分包括高頻CXD攝像機(jī)11、圖像采集系統(tǒng)14和計(jì)算機(jī)15。其中，偏振旋轉(zhuǎn)器6為扭轉(zhuǎn)向列型液晶旋轉(zhuǎn)偏振器，通過控制可以對(duì)偏振旋轉(zhuǎn)角 度進(jìn)行精確控制，可以快速旋轉(zhuǎn)線偏振光束的偏振方向。檢偏器10的外圈1上設(shè)有多個(gè)觸 發(fā)孔2，排列在多個(gè)標(biāo)定的透光方向上。紅外探測器9由紅外發(fā)射端和接收端兩部分組成。 濾光片采用干涉濾光片；起偏器采用格蘭泰勒棱鏡起偏器，本發(fā)明的水下攝像方法具體如下半導(dǎo)體激光器3發(fā)出的激光經(jīng)干涉濾光片，再經(jīng)過直徑IOmm的格蘭泰勒棱鏡起偏 器后產(chǎn)生線偏振光，偏振光經(jīng)過偏振旋轉(zhuǎn)器6后再經(jīng)過5 X顯微物鏡的擴(kuò)束器7，使水下目 標(biāo)物8恰好被全部照亮，目標(biāo)物8的反射或散射光經(jīng)檢偏器10后由高頻CCD攝像機(jī)11探 測。旋轉(zhuǎn)偏振片6的透光軸是AO軸，步進(jìn)電機(jī)12控制旋轉(zhuǎn)頻率，使得四個(gè)標(biāo)定的透光方向 A0、B0、C0和DO依次經(jīng)過X軸。高頻CXD攝像機(jī)11記錄進(jìn)入CXD的動(dòng)態(tài)光強(qiáng)的變化，形成 空間物體某波長處的強(qiáng)度變化圖。檢偏器10的外圈有4個(gè)觸發(fā)孔2，排列在四個(gè)標(biāo)定的透 光方向上。紅外探測器9發(fā)出平行于系統(tǒng)ζ軸的紅外光，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的觸發(fā)孔恰好處于光路上 時(shí)，紅外探測器9接收到光信號(hào)，將圖像送入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行異或圖像算法處理(異或圖像算 法為現(xiàn)有技術(shù))。觸發(fā)孔2按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)清零后，觸發(fā)孔A對(duì)準(zhǔn)光路，此后B、C、 D依次對(duì)準(zhǔn)光路。抓取的五個(gè)偏振方向的光強(qiáng)圖像依次為I。。，I30-，145。，I60-，I90-形成強(qiáng)度灰度圖 像。圖像上每一像素記錄空間物體某波長處的輻射被旋轉(zhuǎn)偏振片調(diào)制的結(jié)果，選取四個(gè)偏 振方向的強(qiáng)度值可計(jì)算出目標(biāo)背景的偏振參量，進(jìn)而計(jì)算得到相應(yīng)像素對(duì)應(yīng)的空間某波長 處的偏振度和偏振角，形成偏振度和偏振角灰度圖像。本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析實(shí)驗(yàn)采用半導(dǎo)體激光器作為照明光源，照明目標(biāo)為白色打印紙片、1分硬幣和紙片 上的鉛筆涂層(長方形)。實(shí)驗(yàn)采集了不加偏振片時(shí)自然光下的目標(biāo)圖像(強(qiáng)度圖)以及 加偏振片且起偏器透光方向和檢偏器透光方向夾角分別為0°、30°、45°、60°、90°時(shí)共 6幅目標(biāo)的圖像，實(shí)驗(yàn)圖像如圖3所示，分別為(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)六幅圖像。圖3(a)目標(biāo)圖像與背景圖像對(duì)比度較小，細(xì)節(jié)不清晰。比較(b)、(C)、(d)三幅 偏振圖像可以看出，隨著偏振夾角增加硬幣逐漸變暗。(d)是偏振夾角為45°時(shí)所成的偏 振圖像，長方形涂層的輪廓已顯現(xiàn)出來。(f)是偏振夾角為90°時(shí)所成圖像，硬幣已完全變 暗，且硬幣和鉛筆涂層的輪廓均非常清晰，成像效果明顯好于強(qiáng)度圖。其原因?yàn)楫?dāng)激光照 射在硬幣上時(shí)，以反射光和單次散射光為主，而反射光和單次散射光的偏振度較大，當(dāng)兩個(gè) 偏振片相互平行時(shí)，透射光最強(qiáng)，此時(shí)硬幣最亮；當(dāng)兩個(gè)偏振片相互垂直時(shí)，透射偏振光強(qiáng) 度最小，此時(shí)硬幣灰度降低。白紙基本上完全退偏，無論兩個(gè)偏振片相互之間夾角多大，都 有多次散射光透射出來，并且透射光基本保持不變。所以這一光強(qiáng)度基本不變的背景襯托 出硬幣和涂層灰度的變化。綜合以上可以看出，退偏振小的物體(硬幣)明暗變化明顯；目 標(biāo)(涂層)和背景(紙片)對(duì)入射線偏振光退偏振的差異導(dǎo)致在90°時(shí)涂層較不加偏振時(shí) 明顯變暗，而紙片變化較小，所以提高了成像對(duì)比度。正是因?yàn)椴煌哪繕?biāo)具有不同的偏振 特性，所以偏振探測成為目標(biāo)識(shí)別的有力手段。根據(jù)以上由實(shí)驗(yàn)獲得的強(qiáng)度圖像和偏振圖像，可以看出附圖3中的(b)、(c)、(d)、
5(e)和(f)五幅圖像中，雖然背景光被完全消除了，但同時(shí)目標(biāo)的反射光也被很大程度地濾 除掉了，影響了成像效果，這是我們所不希望看到的情況。所以為了濾除背景散射光，同時(shí) 又不影響成像效果，本文根據(jù)理論公式，利用圖像融合技術(shù)，選取偏振方向?yàn)?°，45°和 90°的偏振圖像，計(jì)算了目標(biāo)的Stokes圖像和偏振度及偏振角圖像，具體參照附圖4。其中 I、Q、U和偏振度圖像分別為Stokes參量的I、Q、U分量與偏振度值組成的圖像?？梢钥闯隼脠D像融合技術(shù)計(jì)算得到的目標(biāo)物的Stokes圖像壓縮了背景的信 號(hào)，但是效果不明顯。計(jì)算得到的目標(biāo)的偏振度圖像，如(d)圖，極大地壓縮了雜亂背景信 號(hào)，而目標(biāo)物反射光壓縮較小，效果明顯好于直接探測得到的強(qiáng)度圖像和偏振圖像，這為進(jìn) 一步目標(biāo)探測和識(shí)別提供了方便。所以綜合利用偏振探測技術(shù)和圖像融合技術(shù)壓縮雜亂背 景信號(hào)，使得復(fù)雜背景下的目標(biāo)檢測和識(shí)別成為可能。實(shí)驗(yàn)采用激光作為照明光源，獲取了目標(biāo)的強(qiáng)度圖像和不同偏振夾角情況下的偏 振圖像，并對(duì)強(qiáng)度圖像和不同偏振夾角的偏振圖像進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果顯示偏振成像技 術(shù)可以提高目標(biāo)成像的對(duì)比度；相對(duì)于退偏振強(qiáng)的目標(biāo)，退偏振弱的目標(biāo)圖像亮度變化明 顯。所以偏振成像技術(shù)可以有效地提高目標(biāo)探測和識(shí)別效率。偏振成像可以利用不同目標(biāo) 退偏振的差異消除背景光的干擾，提供了從雜亂背景中識(shí)別目標(biāo)的手段，較光強(qiáng)識(shí)別目標(biāo) 的方法具有明顯優(yōu)勢。
權(quán)利要求
1.一種基于偏振識(shí)別的水下攝像系統(tǒng)，其特征是包括水下光源、偏振調(diào)制部分和圖 像采集及處理部分；所述的水下光源包括半導(dǎo)體激光器(3)、濾光片(4)、起偏器(5)、偏振 旋轉(zhuǎn)器(6)和擴(kuò)束器(7)，半導(dǎo)體激光器(3)所發(fā)的激光光束經(jīng)濾光片(4)濾光后，再經(jīng)起 偏器(5)變?yōu)槠窆?，該偏振光?jīng)偏振旋轉(zhuǎn)器(6)和擴(kuò)束器(7)后變?yōu)槠穹较蚩烧{(diào)的線 偏振光；所述偏振調(diào)制部分包括檢偏器(10)、步進(jìn)電機(jī)(12)、步進(jìn)電機(jī)控制器(13)和紅外探測 器(9)；所述圖像采集及處理部分包括高頻CCD攝像機(jī)(11)、圖像采集系統(tǒng)(14)和計(jì)算機(jī) (15)；水下的目標(biāo)物(8)經(jīng)所述的線偏振光照射后，其反射光射入偏振調(diào)制部分，首先進(jìn)入 由步進(jìn)電機(jī)(12)控制的檢偏器(10)，經(jīng)檢偏器(10)出射后的光束被高頻CCD攝像機(jī)(11) 采集后和紅外探測器(9)的信號(hào)同步送入計(jì)算機(jī)(15)進(jìn)行異或圖像算法處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于偏振識(shí)別的水下攝像系統(tǒng)，其特征是所述的偏振旋轉(zhuǎn) 器(6)為扭轉(zhuǎn)向列型液晶旋轉(zhuǎn)偏振器，通過控制可以對(duì)偏振旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行精確控制，可以 快速旋轉(zhuǎn)線偏振光束的偏振方向。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于偏振識(shí)別的水下攝像系統(tǒng)，其特征是所述的檢偏器 (10)的外圈(1)上設(shè)有多個(gè)觸發(fā)孔(2)，排列在多個(gè)標(biāo)定的透光方向上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于偏振識(shí)別的水下攝像系統(tǒng)，其特征是所述的紅外探測 器(9)由紅外發(fā)射端和接收端兩部分組成。
5.一種基于偏振識(shí)別的水下攝像方法，其特征是由半導(dǎo)體激光器(3)所發(fā)的激光光 束經(jīng)濾光片(4)濾光后，再經(jīng)起偏器(5)變?yōu)槠窆?，該偏振光?jīng)偏振旋轉(zhuǎn)器(6)和擴(kuò)束器 (7)后變?yōu)槠穹较蚩烧{(diào)的線偏振光；水下的目標(biāo)物(8)經(jīng)所述的線偏振光照射后，其反射 光射入偏振調(diào)制部分，首先進(jìn)入由步進(jìn)電機(jī)(12)控制的檢偏器(10)，經(jīng)檢偏器(10)出射 后的光束被高頻CCD攝像機(jī)(11)采集后和紅外探測器(9)的信號(hào)同步送入計(jì)算機(jī)(15)處 理。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學(xué)儀器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于偏振識(shí)別的水下攝像系統(tǒng)及方法。技術(shù)方案是包括水下光源、偏振調(diào)制部分和圖像采集及處理部分；所述的水下光源包括半導(dǎo)體激光器、濾光片、起偏器、偏振旋轉(zhuǎn)器和擴(kuò)束器，所述偏振調(diào)制部分包括檢偏器、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)控制器和紅外探測器；所述圖像采集及處理部分包括高頻CCD攝像機(jī)、圖像采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)；有益效果是本發(fā)明可以有效提高目標(biāo)成像的對(duì)比度和清晰度；提高了目標(biāo)探測和識(shí)別效率；偏振成像可以利用不同目標(biāo)退偏振的差異消除背景光的干擾，提供了從雜亂背景中識(shí)別目標(biāo)的手段，較普通的光強(qiáng)度成像識(shí)別目標(biāo)的方法具有明顯優(yōu)勢。
文檔編號(hào)G03B15/05GK102116997SQ201110041008
公開日2011年7月6日 申請(qǐng)日期2011年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月21日
發(fā)明者李代林, 裴紅艷 申請(qǐng)人:中國石油大學(xué)(華東)