一種機器透視視覺實現方法
一種機器透視視覺實現方法
【專利摘要】一種機器透視視覺的實現方法，在進行基本信息識別后通過多波段微波輻射計探測一個物體對于不同頻率波段的亮溫，再依靠分層模型結合已知信息與先驗假定（a-priori），來反演物體內部的密度或溫度或材料。由于不同頻率的微波具有不同的鉆透深度，而各頻率的亮溫又與密度分布、真實溫度分布以及介電參數存在函數關系，因此可以用來通過部分已知信息以及測量來反演未知信息，并通過a-priori來實現約束。頻道數量應不少于待測參數的數量。對于一些不具備分層結構的物體，可將其在幾何上先拆分為一個個具有分層結構的對象分別予以反演。為減少計算量，可對常見物體建立相關的密度與介電常數等的數據庫，可通過對物體先初步識別，搜索查詢其已知參數，然后反演。
【專利說明】一種機器透視視覺實現方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于機器視覺與微波【技術領域】，尤其涉及一種遠距離非接觸獲取物體內部信息的技術方法。
【背景技術】
[0002]關于機器與機器人的視覺，過去主要停留在仿生的基礎上，致力于讓機器人能夠通過攝像頭來獲得物體的圖像、運動并加以識別。
[0003]但是這類視覺手段與設備對于物體的光譜感知范圍僅限于可見光或紅外的范圍，這些光的波長十分短，鉆透深度很低，可見光基本沒有鉆透深度，紅外光也僅能到達在物體表面下約一毫米的深度距離，因此這些方法均不能獲得物體內部的信息。
[0004]過去對于物體內部信息的獲取需要專門的X射線辦法或核磁共振辦法。具體介紹如下。
[0005]第一種是在醫(yī)學上廣泛應用的X射線，依據波粒二象性原理，X射線能量高，粒子性強，有很高的能量與鉆透能力。產生X射線的方法是用加速后的電子撞擊金屬靶。撞擊過程中，電子突然減速，其損失的動能會以光子形式放出，形成X射線光譜的連續(xù)部分，稱之為制動輻射。通過加大加速電壓，電子攜帶的能量增大，則有可能將金屬原子的內層電子撞出。于是內層形成空穴，外層電子躍遷回內層填補空穴，同時放出波長在0.1納米左右的光子。由于外層電子躍遷放出的能量是量子化的，所以放出的光子的波長也集中在某些部分，形成了 X射線譜中的特征線，此稱為特性輻射。然而，X射線存在三個問題不能用于機器視覺:
1.對生物體損害大，一般人體多次接受X射線即有較大危險。
[0006]2.接收模式是探測透過光，需要在對面有接收屏，因此需要專門的X射線室，無法用于機器人對物體的觀察視覺。
[0007]3.必須是主動發(fā)射主動探測，設備難以小型化，自然界日常生活中正常物體不會主動發(fā)射X射線。
[0008]第二種是核磁共振成像。利用核磁共振(nuclear magnetic resonance,簡稱NMR)原理，依據所釋放的能量在物質內部不同結構環(huán)境中不同的衰減，通過外加梯度磁場檢測所發(fā)射出的電磁波，即可得知構成這一物體原子核的位置和種類，據此可以繪制成物體內部的結構圖像。但是，核磁共振需要將物體放置到專門的系統(tǒng)內掃描。其成像系統(tǒng)是一臺巨大的圓筒狀機器，能在受檢者的周圍制造一個強烈磁場區(qū)的環(huán)境，借由無線電波的脈沖撞擊身體細胞中的氫原子核，改變身體內氫原子的排列，當氫原子再次進入適當的位置排列時，會發(fā)出無線電訊號，此訊號借由電腦的接收并加以分析及轉換處理，可將身體構造及器官中的氫原子活動，轉換成2D影像。因此，其也無法應用于機器人視覺，因為被觀察物體根本就不為機器人所控制，以觀察建筑物為例，無法為觀察需要將該建筑物放置到機器人內。核磁共振的設備成本與使用成本也都很高。
[0009]其實除了以上兩種手段之外，低頻微波遙感也具有穿透性。微波遙感主要是利用紅外光束投射于物體表面，由其反射回的微波波長改變及色偏確定其大小、形態(tài)以及移動速度的技術。地球上各種物體對外來的微波信號會產生反射，而且物體本身也具有微波輻射能力。微波遙感就是通過探測物體對微波的反射或自身的微波輻射，來感知物體形態(tài)和結構組織的。
[0010]根據工作原理的不同，微波遙感設備可以分為兩大類，一類是主動遙感器，即探測設備主動發(fā)射微波信號，然后再接收被探測目標反射或散射的信號來感知被探測目標，其工作原理類似大家熟知的雷達。另一類是被動遙感器，其工作原理類似于光譜探測設備，即采用高靈敏度的微波接收技術，接收目標本身微弱的微波輻射信號。目前世界上的主動微波遙感器有微波散射計、微波高度計、合成孔徑雷達(SAR)和真實孔徑雷達等，被動遙感器主要是微波輻射計。
[0011]在近年衛(wèi)星微波遙感的實踐中已經意識到，在水分含量低的情況下，低頻微波能透過植被、冰雪和干沙土，以獲得近地面以下的土壤信息。
[0012]然而目前這一特性并未被專門加以利用，當然也沒有能應用到日常的機器視覺。因為，微波遙感目前都是基于空中的遙感飛機或遙感衛(wèi)星的，主要是通過獲得的某個波段的遙感圖像與該波段下一些標準物的標準圖像進行對比，以識別出遙感圖像上的物體類型，其存在以下問題:1.微波獲得的亮溫圖像難以解釋，微波獲得的亮溫與大量因素相關，材料、密度、比熱、介電常數等，因此一般遙感中，僅僅將亮溫作為一個用來與標準化物體對比的參數，通過獲得的某個波段的遙感圖像與該波段下一些標準物的標準圖像進行對比，以識別出遙感圖像上的物體類型，比如是植被還是土壤，數值本身不具備具體的物理意義，而在日常生活中，這樣的對比就毫無必要，因為可見光就已經能夠分辨出物體了 ；2.微波遙感中雖然已經發(fā)現微波可以得到近地面以下信息，但是該信息對于遙感而言基本沒有意義，遙感對象基本是陸地與海洋，無論是土壤還是海洋湖泊都有大量水存在，而水(濕度、水蒸氣)會大大吸收微波，使得在衛(wèi)星遙感中其探測深度不超過數厘米，而土壤和海洋的數厘米深度與表層基本沒有差異，主要的用途最多就是透過覆蓋的冰雪、沙塵、草植被來獲得土壤類型信息，應用面狹窄，因此沒有據此發(fā)展出相關技術手段。
【發(fā)明內容】
[0013]針對上述問題，本發(fā)明中提出了一種新的技術方案，針對低頻微波的穿透能力設計一種新的設備，并將難以解釋的亮溫數據通過一些辦法解釋出特定的真實物理量。
[0014]本技術方案在獲取必要的基本信息后，首先通過具有多頻道的微波探測儀來探測物體發(fā)射或反射的不同頻率的微波波段，(如果是主動微波探測儀的話以反射為主)，其頻道分布可以根據待探測物體類型與分層結構設計，比如，對于建筑物，可以設置諸如200MHZ, 1GHZ，2GHZ，4GHZ等頻率波段，其中頻率越低波長越長，探測深度越深，在沒有太多水分的情況下，200MHZ的頻道可以獲得來自數米深內部墻體的信號。設置多少個頻率段應當取決于常用應用場景的未知參數的數量和待測物體的層次數，如果要從外部探測一個建筑物的內部物理溫度分布從而判斷其供暖系統(tǒng)等熱源分布的話，假設該建筑物表面數厘米是瓷磚，之后數十厘米為混凝土，再之后為鋼復合結構的話，再內部一層又是混凝土，則可以將該建筑物待探測墻體分為4層，(墻體內外的空氣層參數均為已知)，4層的物理溫度都是未知的，設為Tl、T2、T3與T4，注意，其中每個T都不是一個數值，而是一個二維矩陣，二維矩陣中的每個元素對應建筑物內部一層上一個坐標的實際溫度。可以近似地理解為，每個T對應于一個平面圖像。在其他參數已知，如每層密度與介電常數都已知時，則至少應設計4個以上的探測頻率，可以為上述的四個頻率波段，但如果存在未知系數，如復合結構層的密度也不明，則應該設置更多的頻段，頻道數量應不少于待測參數的數量(此時為well-posed情形)，當然，頻率波段越多，能夠獲得的信息參數就越多且越準確(此時為overconstrained情形)。因此,當應用于機器視覺時,應按照成本與體積的容忍范圍設計盡可能多、分布盡可能錯開的頻段(分布應錯開，否則穿透深度近似不利于后續(xù)反演操作)。
[0015]按以上所述微波探測器將獲得一個物體對于不同頻率波段的亮溫分布，之所以稱之為分布是因為每一個頻道的亮溫也并不是一個數值，也是二維矩陣，待測物體的每一個坐標對應于一個數值，繪制出來是一個圖像，與過去在可見光下看到物體不同區(qū)域具有不同顏色是類似的，不同區(qū)域的物體所發(fā)射或反射的微波亮溫也是不同的，如果以上述提到的墻體為例的話，每一個波長段都會顯示出一個亮溫圖像。這個亮溫不是溫度，但是和溫度具有一樣的單位，每個波長對應的亮溫不同。
[0016]當然，這些不同波段的亮溫圖像數值不同，但是看起來形狀等往往是差不多的，因為每一個頻率的亮溫都包含了來自各個深度的信息，所以熱點、冷點等信息是基本一致的。而過去的衛(wèi)星微波探測往往也就到這一步，根據其形狀比對來研究探測結果如土壤分布坐寸ο
[0017]然而，事實上，對于不同頻率的亮溫，來自不同深度的信息的成分是不同的，如果我們能對這些形狀看似類似的不同波段的亮溫圖像進行信息分離，能夠分離出每一個物理深度的密度或溫度分布，從而將不具有準確物理意義的亮溫轉譯成真實的物理參數。本發(fā)明采用了如下的方法來實現該目的。
[0018]正如前面建筑物案例所述的那樣，我們在反演時將物體假設為了一個個細分的層，探測器接收到的對于不同頻率波段的亮溫B看作是這些細分的層對于不同頻率波段的亮溫的貢獻疊加，每一層的貢獻可以表達成各層的溫度T乘以各層貢獻比例F，貢獻比例F是該層的密度P與介電函數ε (Dielectric Permittivity)的函數,根據方程組“接收到的對于不同頻率波段的亮溫=細分的層對于不同頻率波段的亮溫的疊加=各層物理溫度乘以貢獻比例”，即B=FT方程組，其中B與F與T均是矩陣，根據方程組可以反演各層的物理溫度或密度等。假設設備測量誤差矩陣為S，則反演的算法給出的一般解為:
T=(FtS-1F) -1FV1B
其中Ft表示F的轉置矩陣，S-1表示S的逆矩陣，(FV1F) 1表示(FV1F)的逆矩陣。
[0019]這樣就可以依據B、S與T來求得被探測物體的內部各層溫度了。其中S除了依靠出廠標定外，可以依照對兩個已知標準物的測定來即時評估。
[0020]所得結果的綜合誤差St為St= (FtS-1F) 1
那么如果內部的密度也不清楚呢？如果F中產生了未知變量，此時，只需要增加探測頻道，獲得更多的方程即可。只要有足夠多的探測頻道，就可以用足夠多的方程來抵消未知參數。
[0021]那么如果遇到物體的分層結構存在擾動怎么辦呢？比如，上述問題中，靠近室內的混凝土層中可能有各種鋪設的管道如水管等，這些管道的位置在探測前是未知的，而在處理中其所在位置的密度被假定成了混凝土的密度，這樣就會造成得到的溫度異常，此時，需要進行迭代計算(iterat1n)，即一次計算不能解決，需反復計算求近似解。以上述靠室內混凝土層有管道為例，當第一次計算呈現出異常溫度分布的區(qū)域，則對這部分區(qū)域依據求解出的溫度分布為已知，更換密度函數為未知，如此反復進行迭代計算，直到出現匹配穩(wěn)定的解。
[0022]那么如果遇到一些物體不具備分層結構又怎么辦呢？此時，可將其在幾何上先拆分為一個個具有各自分層結構的對象分別予以研究反演，對于幾何拆分很復雜的物體，可以借助計算機程序拆分?？傊?，上文描述的分層結構是計算的基本單元的模型，對于復雜的物體可以最終歸結到基本單元上處理。當然，即使有足夠多的探測頻道，復雜物體的內部解析透視需要的計算性能依然是較大的，在下面的具體實施案例中會提到發(fā)明人設計的系統(tǒng)對一個實例的處理，在高性能的Fortran語言下,在一臺i7處理器的工作站上依然費了 20小時的時間，才最終獲得該物體的內部的所有熱源分布結果。
[0023]理論上，如果有足夠強的計算能力，通過盡可能多且錯開分布的頻率段、足夠的迭代計算、細致的拆分，能夠解決絕大部分物體的透視需求。
[0024]微波探測儀的類型應當根據需要的分辨率決定采用主動類型或被動類型。主動微波探測器，即探測設備主動發(fā)射微波信號，然后再接收被探測目標反射或散射的信號來感知被探測目標，類似雷達。被動微波探測器工作原理則類似于光譜探測設備，即采用高靈敏度的微波接收技術，接收目標本身微弱的微波輻射信號。被動探測的空間分辨率較低，不適用于小型物體探測。如待測物體小、干擾大，宜采用主動微波探測。
[0025]實際操作中，還宜采用如下辦法來進一步施加約束，減小誤差:使用先驗假定(a-pr1ri)，通過各種已知信息給出待反演參數的一個假設值(往往是一個矩陣)，而后將該先驗假定與實際探測到的亮溫等一起進行反演，給出待反演參數的最概然解(mostprobable solut1n)。因為如不包括a-pr1ri,直接根據測量值反演,往往即使使用很多頻率的波段來進行該反演操作，其誤差依然會是非常大的。
[0026]還是以上面所述的建筑物透視為例，假定我們依據其他已知信息如工程資料猜測了一個溫度的分布函數Ta,并給出該Ta的誤差(error coviarance)為Sa,貝U新的解計算公式為:
T=Ta+ (FtS_1F+Sa_1) -1FV1 (B-FTa)
應用了 a-pr1ri之后，相當于結合了測量與已知信息，能夠給出更優(yōu)化的解。當然，準確給出S與Sa十分重要，如果S也就是測量誤差非常大，而Sa也就是已知信息解的誤差被認為地非常小的話，那結果就會很接近于根據已知信息猜測的TA。反之則接近T。
[0027]為了盡量減少計算量，或減少未知參數，我們還可對常見物體建立相關的數據庫，包含常見物體的介電常數或密度或比熱等信息，以便在反演時直接查詢。許多常見事物的密度、介電常數等往往都是可以查到的。而要判斷物體的大致類別，或者說是什么的話，也可以通知一個機器視覺的預處理步驟完成，比如，在反演前先通過其他探測辦法如可見光、紅外光對被探測物體進行初步識別，確定被探測事物是什么，而后依據初步識別獲得的外觀等信息在本機或互聯網數據庫中查詢相關材料、介電常數、密度結構等。盡量將能夠查詢到的參數信息通過查詢獲得，以減輕反演計算量。
[0028]在一些情況下，物體是未知材料構成的，這時可以在反演前先通過光譜儀探測被測物體的表面發(fā)射或反射的光譜，依據獲得的光譜信息以光譜模型(往往是線性光譜模型)反推物體的材料組成，進而得到介電常數分布。比如上述的建筑物案例，最表面的一層是瓷磚，而瓷磚的材料不同其介電常數就會不同，使用光譜儀可以先區(qū)分出其材料分布，從而得到瓷磚層的介電常數和密度。
[0029]在一些情況下，物體的表面溫度未知，此時可以通過輻射計如紅外輻射計來測量得到。
[0030]按照上述的方法可設計許多裝置設備，來給予智能設備或者機器人以透視物體內部的3D視覺能力。
[0031]典型的，如附圖1所示，一個應用于機器人透視視覺的系統(tǒng)具有一臺多波段陣列的微波探測儀(1)，波段應盡可能錯開，一個以上攝像頭(2)，一個計算設備(4)，附件網絡設備，系統(tǒng)的工作流程為:由攝像頭獲得物體的外觀或表面信息(6)，再依據這部分信息進行搜索或通過網絡設備向數據庫查詢，從而獲得物體的已知數據，并由多波段的微波探測儀以接收待測物體發(fā)射或反射的微波(5)的方式獲得物體對于不同波段的亮溫，然后由計算設備按照上述的方法劃分成相應的分層結構(7)并反演物體的內部的密度或溫度分布(8)。
[0032]對于自然形成的物體，由于其表面與內部的材料成分往往具有連續(xù)性,此時系統(tǒng)還可帶有一臺光譜探測儀(3)，用于獲得物體發(fā)射或反射的光譜，該光譜數據用于反演物體表面的成分，進而按照一定的模型來假定物體內部的材料成分。材料成分決定后即決定了介電常數的分布。如果物體表面的溫度未知，還可包括一個輻射計(Rad1meter)或紅外測溫儀來獲得物體表面的溫度。
[0033]應用該設備可以得到過去的技術無法得到的許多內部信息，比如，以上述的建筑物案例來說，只需要由裝備該設備的機器人進行遠距離非接觸的觀察，就可以得到建筑物內部的熱源分布(進而可推斷內部的熱電結構或人類活動)、管道分布與情況，對于工程、軍事、醫(yī)學觀察、日常生活都有重要意義。
[0034]有益效果
與之前的機器視覺技術方案相比，本技術方案具有以下優(yōu)點:
1.透視。能夠獲得物體或建筑物的內部密度分布、內部結構、內部熱源分布等信息，不再停留于表面。
[0035]2.無損。不破壞、不影響待測物體。不需要接觸待測物體，即可完成透視。
[0036]3.低成本。對于一些遠距離物體，或者高空物體，或者外星物體，如果要進行實地鉆探，成本可能以百億美元計算，而采用本方法，可以極低的成本獲得更全面的結果。
[0037]4.安全?？梢赃h距離判斷建筑物或掩體內部熱源如人員位置，對于反恐、國防、維護社會治安有著很大幫助。
[0038]5.方便且對人體健康。如基于本發(fā)明制造人體健康自查設備,能夠對人體無害地實施檢查，當發(fā)現瘤形成(密度異常)或血管問題(局部血管溫度異常)時可及時就診。
[0039]6.全天候、全天時。受云層、濃霧等天氣的影響，也不受日夜光照條件變化的限制。
【具體實施方式】
[0040]本發(fā)明的具體實施案例中，發(fā)明人制造了一個實現上述方法的系統(tǒng)，系統(tǒng)帶有如下部分:多頻段的微波探測器、光譜儀、輻射計、攝像頭、計算機程序。
[0041]該多頻微波探測器具有4個探測頻率，分別為120MHZ，450MHZ, 1GHZ,與5GHZ。有主動模式與被動模式，實施案例中采用被動模式。
[0042]光譜儀為一臺成像光譜儀。
[0043]輻射計為測量表面溫度用的紅外輻射計。
[0044]程序是使用Fortran編寫的。由于處于樣例階段，目前僅包括對一些觀察對象專門編寫的函數和I ibrary,還不能夠對任意的物體進行直接觀察。
[0045]以對一干燥的具有內部埋藏放射性熱源的礦物塊觀察為該系統(tǒng)的一個應用案例，在本例中應用本系統(tǒng)進行非接觸的內部放射性熱源的定位。
[0046]在實施中首先通過攝像頭觀察該礦物塊，并查詢相關視覺圖像，經比對后確認了礦物塊類型，依據該類型的一般形成條件進而對該塊建立數學模型，模型分為六層，第一層為表面的風化稀松層，第二層到第五層為不同年代形成的粘土層，第六層為巖石層。每一層都具有各自的密度P i 二維分布與溫度Ti 二維分布。由于尋找放射性熱源主要需要依靠熱分布判斷，故近似假設密度為每層一個數值，以便減少參量。
[0047]然后通過光譜儀觀察礦物上下表面礦物成分，獲得了該球體的鐵分布，礦物來說主要是密度和鐵含量對于介電常數的影響較大，再通過光譜儀觀察側面剖面獲得了礦物的各層組分材料，以及每層的厚度(深度)，大致確定了各層的密度。假定物體中鐵連續(xù)分布，依據表面鐵分布結合各層密度一起推斷了物體的各層介電常數的分布二維矩陣。
[0048]其次紅外輻射計獲得了上下表面的溫度的二維分布(Tl，T6)。待求解的為第二層到第五層的溫度分布(T2，T3, T4, T5)。(注意:此處的溫度T都指的是內部該層上每個網格坐標位置的具體溫度的分布的二維矩陣，繪制出來是一個二維圖像，絕不是單個數值)
依據微波探測器的四個不同波段分別獲得了四個亮度溫度，TBl, TB2, TB3與TB4。
[0049]程序部分基于如下物理原理在Fortran中編寫:首先依據起伏散逸定理(fluctuat1n dissipat1n theorem, FDT)與并矢格林函數,得到分層系統(tǒng)中亮溫與各層實際溫度的關系，見附圖2。具體的參數解釋都在相關的【專利附圖】
【附圖說明】中有說明。
[0050]依據反演理論，待反演參數T為Τ=[Τ2，Τ3, Τ4, Τ5],不過在本例中測量值此時不是亮溫本身B，如果記B為Β=[ΤΒ1，ΤΒ2, ΤΒ3, ΤΒ4],則此時的實際測量值是B減去表層的貢獻和底層的貢獻，也就是測量值Y= (Β-ΤΒ表層貢獻-TB底層貢獻)=F*T。這是由于其中由紅外輻射計獲得了表層和底層的實際物理分布，表層的貢獻和底層的貢獻都是可以直接計算獲得的，因此此時Y才是測量值，即measurement vector。
[0051]其中Y的展開見附圖3所示。具體的參數解釋都在相關的【專利附圖】
【附圖說明】中有說明。
[0052]此時依據T=(FV1F) -1FV1Y我們獲得了 T的反演結果。T2-T3均沒有異常，放射性熱源主要在第五層，依據T的第四個參數T5，我們可以找到熱源位置，將T5按照橫縱坐標輸出到圖像上，如附圖4所示。色度條的單位為攝氏度。其中黑色部分對應較高的溫度數值，也就是內部熱源的位置所在。根據T5的圖像，可以知道內部放射性熱源的位置在右上角黑點處。
[0053]本系統(tǒng)的另一應用案例就是在
【發(fā)明內容】
部分闡述的建筑物。其分層模型在
【發(fā)明內容】
部分也已經闡述。在經過本實施案例系統(tǒng)的處理后，(具體計算過程與前面的處理對象類似不再贅述)，我們獲得了建筑物內的熱源分布。
[0054]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
[0055]說明書【專利附圖】
【附圖說明】
圖1.方法與系統(tǒng)原理圖。其中I為多波段微波探測器，圖上畫的數目只是舉例，實際可以為任意多波段，2為攝像頭，圖上畫的數目只是舉例，3為可選的紅外輻射計或光譜儀，圖上畫的數目只是舉例，4為計算處理器，5為傳輸的微波，6為待測物體，7為對待測物體計算時進行的虛擬分層，8為待測物體內部的熱源或密度結構。
[0056]圖2.測量獲得的亮度溫度Tb與每層的實際物理溫度(T1-T6)關系圖。其中ε是各層的介電常數，k表示各層的波數(wave number)，d表示各層的厚度，e為自然對數底數，上標”表示取其虛數部分，另外Rij= (kiz-kjz) / (kiz+kjz), Qij=I^Rij,依此類推。
[0057]圖3.Y的展開式，各參數的具體含義已經在圖2的說明中。
[0058]圖4.實施案例反演得到的第五層實際物理溫度結果(T5)。
【權利要求】
1.一種透視視覺的實現方法，通過可見光或紅外光對被探測物體進行初步探測識別，獲得基本信息比如其外形尺寸或外表溫度等，并通過多頻率的微波探測儀測量待測物體發(fā)射或反射的不同頻率的微波，獲得一個物體對于不同頻率波段的亮溫，結合其他已知信息或模型，反演物體內部的密度分布或溫度分布或材料結構等信息。
2.—種權利要求1所述的方法，其特征在于，該方法在反演時采用如下算法:先將物體假設為一個個細分的層(對于一些不具備分層結構的物體，可將其在幾何上先拆分為一個個具有分層結構的基本對象再分別予以反演)，則接收到的不同頻率波段的物體亮溫是這些細分的層對于不同頻率亮溫的貢獻的疊加，每一層的貢獻可以表達成各層溫度乘以貢獻比例函數，貢獻比例函數往往是該層的密度、介電常數、厚度等的函數，根據方程組“接收到的對于不同頻率波段的亮溫Tb=細分的層對于不同頻率波段的亮溫的疊加=各層物理溫度Ti乘以各層貢獻比例F/’可以反演各層的物理溫度或密度等信息。
3.—種權利要求1所述的方法，其特征在于，該方法還使用了先驗假定(a-pr1ri)，通過已知信息給出待反演參數的一個假設值，而后將該先驗假定與實際測量結果一起進行反演，給出待反演參數的最概然解(most probable solut1n)。
4.一種權利要求1所述的方法，其特征在于，該方法還對常見物體建立相關的數據庫，包含常見物體的介電常數或密度或比熱等信息，以便在反演時直接查詢。
5.一種權利要求1所述的方法，其特征在于，該方法還在反演前先通過其他探測辦法如可見光、紅外光對被探測物體進行初步識別，而后依據初步識別獲得的外觀等信息在本機或互聯網數據庫中查詢相關材料、介電常數、密度結構等。
6.一種權利要求1所述的方法，其特征在于，該方法還在反演前先通過光譜儀探測被測物體的表面發(fā)射或反射的光譜，依據獲得的光譜信息以光譜模型反推物體的材料組成，進而得到介電常數分布。
7.—種權利要求1所述的方法，其特征在于，該方法還在反演前先通過輻射計(Rad1meter)或紅外測溫儀或紅外熱像儀來非接觸地獲得物體表面的溫度。
8.一種實現權利要求1所述方法的系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)包含多波段的微波探測儀，攝像頭，計算設備，網絡設備，及其他附件，系統(tǒng)的工作流程為:由攝像頭獲得物體的外觀或表面信息，再依據這部分信息進行搜索或通過網絡設備向數據庫查詢，從而獲得物體的已知數據如材料、組成等，并由多波段的微波探測儀獲得物體對于不同頻率的亮溫，然后由計算設備反演物體的內部的密度或溫度分布或材料結構信息等。
9.一種實現權利要求8所述方法的系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)還帶有一臺光譜探測儀，用于獲得物體發(fā)射或反射的光譜，該光譜數據用于反演物體表面的成分。
10.一種實現權利要求8所述方法的系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)還帶有輻射計(Rad1meter)來獲得物體表面的溫度。
【文檔編號】G01V11/00GK104297814SQ201410570417
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月24日 優(yōu)先權日:2014年10月24日
【發(fā)明者】張維加 申請人:張維加
【專利摘要】一種機器透視視覺的實現方法，在進行基本信息識別后通過多波段微波輻射計探測一個物體對于不同頻率波段的亮溫，再依靠分層模型結合已知信息與先驗假定（a-priori），來反演物體內部的密度或溫度或材料。由于不同頻率的微波具有不同的鉆透深度，而各頻率的亮溫又與密度分布、真實溫度分布以及介電參數存在函數關系，因此可以用來通過部分已知信息以及測量來反演未知信息，并通過a-priori來實現約束。頻道數量應不少于待測參數的數量。對于一些不具備分層結構的物體，可將其在幾何上先拆分為一個個具有分層結構的對象分別予以反演。為減少計算量，可對常見物體建立相關的密度與介電常數等的數據庫，可通過對物體先初步識別，搜索查詢其已知參數，然后反演。
【專利說明】一種機器透視視覺實現方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于機器視覺與微波【技術領域】，尤其涉及一種遠距離非接觸獲取物體內部信息的技術方法。
【背景技術】
[0002]關于機器與機器人的視覺，過去主要停留在仿生的基礎上，致力于讓機器人能夠通過攝像頭來獲得物體的圖像、運動并加以識別。
[0003]但是這類視覺手段與設備對于物體的光譜感知范圍僅限于可見光或紅外的范圍，這些光的波長十分短，鉆透深度很低，可見光基本沒有鉆透深度，紅外光也僅能到達在物體表面下約一毫米的深度距離，因此這些方法均不能獲得物體內部的信息。
[0004]過去對于物體內部信息的獲取需要專門的X射線辦法或核磁共振辦法。具體介紹如下。
[0005]第一種是在醫(yī)學上廣泛應用的X射線，依據波粒二象性原理，X射線能量高，粒子性強，有很高的能量與鉆透能力。產生X射線的方法是用加速后的電子撞擊金屬靶。撞擊過程中，電子突然減速，其損失的動能會以光子形式放出，形成X射線光譜的連續(xù)部分，稱之為制動輻射。通過加大加速電壓，電子攜帶的能量增大，則有可能將金屬原子的內層電子撞出。于是內層形成空穴，外層電子躍遷回內層填補空穴，同時放出波長在0.1納米左右的光子。由于外層電子躍遷放出的能量是量子化的，所以放出的光子的波長也集中在某些部分，形成了 X射線譜中的特征線，此稱為特性輻射。然而，X射線存在三個問題不能用于機器視覺:
1.對生物體損害大，一般人體多次接受X射線即有較大危險。
[0006]2.接收模式是探測透過光，需要在對面有接收屏，因此需要專門的X射線室，無法用于機器人對物體的觀察視覺。
[0007]3.必須是主動發(fā)射主動探測，設備難以小型化，自然界日常生活中正常物體不會主動發(fā)射X射線。
[0008]第二種是核磁共振成像。利用核磁共振(nuclear magnetic resonance,簡稱NMR)原理，依據所釋放的能量在物質內部不同結構環(huán)境中不同的衰減，通過外加梯度磁場檢測所發(fā)射出的電磁波，即可得知構成這一物體原子核的位置和種類，據此可以繪制成物體內部的結構圖像。但是，核磁共振需要將物體放置到專門的系統(tǒng)內掃描。其成像系統(tǒng)是一臺巨大的圓筒狀機器，能在受檢者的周圍制造一個強烈磁場區(qū)的環(huán)境，借由無線電波的脈沖撞擊身體細胞中的氫原子核，改變身體內氫原子的排列，當氫原子再次進入適當的位置排列時，會發(fā)出無線電訊號，此訊號借由電腦的接收并加以分析及轉換處理，可將身體構造及器官中的氫原子活動，轉換成2D影像。因此，其也無法應用于機器人視覺，因為被觀察物體根本就不為機器人所控制，以觀察建筑物為例，無法為觀察需要將該建筑物放置到機器人內。核磁共振的設備成本與使用成本也都很高。
[0009]其實除了以上兩種手段之外，低頻微波遙感也具有穿透性。微波遙感主要是利用紅外光束投射于物體表面，由其反射回的微波波長改變及色偏確定其大小、形態(tài)以及移動速度的技術。地球上各種物體對外來的微波信號會產生反射，而且物體本身也具有微波輻射能力。微波遙感就是通過探測物體對微波的反射或自身的微波輻射，來感知物體形態(tài)和結構組織的。
[0010]根據工作原理的不同，微波遙感設備可以分為兩大類，一類是主動遙感器，即探測設備主動發(fā)射微波信號，然后再接收被探測目標反射或散射的信號來感知被探測目標，其工作原理類似大家熟知的雷達。另一類是被動遙感器，其工作原理類似于光譜探測設備，即采用高靈敏度的微波接收技術，接收目標本身微弱的微波輻射信號。目前世界上的主動微波遙感器有微波散射計、微波高度計、合成孔徑雷達(SAR)和真實孔徑雷達等，被動遙感器主要是微波輻射計。
[0011]在近年衛(wèi)星微波遙感的實踐中已經意識到，在水分含量低的情況下，低頻微波能透過植被、冰雪和干沙土，以獲得近地面以下的土壤信息。
[0012]然而目前這一特性并未被專門加以利用，當然也沒有能應用到日常的機器視覺。因為，微波遙感目前都是基于空中的遙感飛機或遙感衛(wèi)星的，主要是通過獲得的某個波段的遙感圖像與該波段下一些標準物的標準圖像進行對比，以識別出遙感圖像上的物體類型，其存在以下問題:1.微波獲得的亮溫圖像難以解釋，微波獲得的亮溫與大量因素相關，材料、密度、比熱、介電常數等，因此一般遙感中，僅僅將亮溫作為一個用來與標準化物體對比的參數，通過獲得的某個波段的遙感圖像與該波段下一些標準物的標準圖像進行對比，以識別出遙感圖像上的物體類型，比如是植被還是土壤，數值本身不具備具體的物理意義，而在日常生活中，這樣的對比就毫無必要，因為可見光就已經能夠分辨出物體了 ；2.微波遙感中雖然已經發(fā)現微波可以得到近地面以下信息，但是該信息對于遙感而言基本沒有意義，遙感對象基本是陸地與海洋，無論是土壤還是海洋湖泊都有大量水存在，而水(濕度、水蒸氣)會大大吸收微波，使得在衛(wèi)星遙感中其探測深度不超過數厘米，而土壤和海洋的數厘米深度與表層基本沒有差異，主要的用途最多就是透過覆蓋的冰雪、沙塵、草植被來獲得土壤類型信息，應用面狹窄，因此沒有據此發(fā)展出相關技術手段。
【發(fā)明內容】
[0013]針對上述問題，本發(fā)明中提出了一種新的技術方案，針對低頻微波的穿透能力設計一種新的設備，并將難以解釋的亮溫數據通過一些辦法解釋出特定的真實物理量。
[0014]本技術方案在獲取必要的基本信息后，首先通過具有多頻道的微波探測儀來探測物體發(fā)射或反射的不同頻率的微波波段，(如果是主動微波探測儀的話以反射為主)，其頻道分布可以根據待探測物體類型與分層結構設計，比如，對于建筑物，可以設置諸如200MHZ, 1GHZ，2GHZ，4GHZ等頻率波段，其中頻率越低波長越長，探測深度越深，在沒有太多水分的情況下，200MHZ的頻道可以獲得來自數米深內部墻體的信號。設置多少個頻率段應當取決于常用應用場景的未知參數的數量和待測物體的層次數，如果要從外部探測一個建筑物的內部物理溫度分布從而判斷其供暖系統(tǒng)等熱源分布的話，假設該建筑物表面數厘米是瓷磚，之后數十厘米為混凝土，再之后為鋼復合結構的話，再內部一層又是混凝土，則可以將該建筑物待探測墻體分為4層，(墻體內外的空氣層參數均為已知)，4層的物理溫度都是未知的，設為Tl、T2、T3與T4，注意，其中每個T都不是一個數值，而是一個二維矩陣，二維矩陣中的每個元素對應建筑物內部一層上一個坐標的實際溫度。可以近似地理解為，每個T對應于一個平面圖像。在其他參數已知，如每層密度與介電常數都已知時，則至少應設計4個以上的探測頻率，可以為上述的四個頻率波段，但如果存在未知系數，如復合結構層的密度也不明，則應該設置更多的頻段，頻道數量應不少于待測參數的數量(此時為well-posed情形)，當然，頻率波段越多，能夠獲得的信息參數就越多且越準確(此時為overconstrained情形)。因此,當應用于機器視覺時,應按照成本與體積的容忍范圍設計盡可能多、分布盡可能錯開的頻段(分布應錯開，否則穿透深度近似不利于后續(xù)反演操作)。
[0015]按以上所述微波探測器將獲得一個物體對于不同頻率波段的亮溫分布，之所以稱之為分布是因為每一個頻道的亮溫也并不是一個數值，也是二維矩陣，待測物體的每一個坐標對應于一個數值，繪制出來是一個圖像，與過去在可見光下看到物體不同區(qū)域具有不同顏色是類似的，不同區(qū)域的物體所發(fā)射或反射的微波亮溫也是不同的，如果以上述提到的墻體為例的話，每一個波長段都會顯示出一個亮溫圖像。這個亮溫不是溫度，但是和溫度具有一樣的單位，每個波長對應的亮溫不同。
[0016]當然，這些不同波段的亮溫圖像數值不同，但是看起來形狀等往往是差不多的，因為每一個頻率的亮溫都包含了來自各個深度的信息，所以熱點、冷點等信息是基本一致的。而過去的衛(wèi)星微波探測往往也就到這一步，根據其形狀比對來研究探測結果如土壤分布坐寸ο
[0017]然而，事實上，對于不同頻率的亮溫，來自不同深度的信息的成分是不同的，如果我們能對這些形狀看似類似的不同波段的亮溫圖像進行信息分離，能夠分離出每一個物理深度的密度或溫度分布，從而將不具有準確物理意義的亮溫轉譯成真實的物理參數。本發(fā)明采用了如下的方法來實現該目的。
[0018]正如前面建筑物案例所述的那樣，我們在反演時將物體假設為了一個個細分的層，探測器接收到的對于不同頻率波段的亮溫B看作是這些細分的層對于不同頻率波段的亮溫的貢獻疊加，每一層的貢獻可以表達成各層的溫度T乘以各層貢獻比例F，貢獻比例F是該層的密度P與介電函數ε (Dielectric Permittivity)的函數,根據方程組“接收到的對于不同頻率波段的亮溫=細分的層對于不同頻率波段的亮溫的疊加=各層物理溫度乘以貢獻比例”，即B=FT方程組，其中B與F與T均是矩陣，根據方程組可以反演各層的物理溫度或密度等。假設設備測量誤差矩陣為S，則反演的算法給出的一般解為:
T=(FtS-1F) -1FV1B
其中Ft表示F的轉置矩陣，S-1表示S的逆矩陣，(FV1F) 1表示(FV1F)的逆矩陣。
[0019]這樣就可以依據B、S與T來求得被探測物體的內部各層溫度了。其中S除了依靠出廠標定外，可以依照對兩個已知標準物的測定來即時評估。
[0020]所得結果的綜合誤差St為St= (FtS-1F) 1
那么如果內部的密度也不清楚呢？如果F中產生了未知變量，此時，只需要增加探測頻道，獲得更多的方程即可。只要有足夠多的探測頻道，就可以用足夠多的方程來抵消未知參數。
[0021]那么如果遇到物體的分層結構存在擾動怎么辦呢？比如，上述問題中，靠近室內的混凝土層中可能有各種鋪設的管道如水管等，這些管道的位置在探測前是未知的，而在處理中其所在位置的密度被假定成了混凝土的密度，這樣就會造成得到的溫度異常，此時，需要進行迭代計算(iterat1n)，即一次計算不能解決，需反復計算求近似解。以上述靠室內混凝土層有管道為例，當第一次計算呈現出異常溫度分布的區(qū)域，則對這部分區(qū)域依據求解出的溫度分布為已知，更換密度函數為未知，如此反復進行迭代計算，直到出現匹配穩(wěn)定的解。
[0022]那么如果遇到一些物體不具備分層結構又怎么辦呢？此時，可將其在幾何上先拆分為一個個具有各自分層結構的對象分別予以研究反演，對于幾何拆分很復雜的物體，可以借助計算機程序拆分?？傊?，上文描述的分層結構是計算的基本單元的模型，對于復雜的物體可以最終歸結到基本單元上處理。當然，即使有足夠多的探測頻道，復雜物體的內部解析透視需要的計算性能依然是較大的，在下面的具體實施案例中會提到發(fā)明人設計的系統(tǒng)對一個實例的處理，在高性能的Fortran語言下,在一臺i7處理器的工作站上依然費了 20小時的時間，才最終獲得該物體的內部的所有熱源分布結果。
[0023]理論上，如果有足夠強的計算能力，通過盡可能多且錯開分布的頻率段、足夠的迭代計算、細致的拆分，能夠解決絕大部分物體的透視需求。
[0024]微波探測儀的類型應當根據需要的分辨率決定采用主動類型或被動類型。主動微波探測器，即探測設備主動發(fā)射微波信號，然后再接收被探測目標反射或散射的信號來感知被探測目標，類似雷達。被動微波探測器工作原理則類似于光譜探測設備，即采用高靈敏度的微波接收技術，接收目標本身微弱的微波輻射信號。被動探測的空間分辨率較低，不適用于小型物體探測。如待測物體小、干擾大，宜采用主動微波探測。
[0025]實際操作中，還宜采用如下辦法來進一步施加約束，減小誤差:使用先驗假定(a-pr1ri)，通過各種已知信息給出待反演參數的一個假設值(往往是一個矩陣)，而后將該先驗假定與實際探測到的亮溫等一起進行反演，給出待反演參數的最概然解(mostprobable solut1n)。因為如不包括a-pr1ri,直接根據測量值反演,往往即使使用很多頻率的波段來進行該反演操作，其誤差依然會是非常大的。
[0026]還是以上面所述的建筑物透視為例，假定我們依據其他已知信息如工程資料猜測了一個溫度的分布函數Ta,并給出該Ta的誤差(error coviarance)為Sa,貝U新的解計算公式為:
T=Ta+ (FtS_1F+Sa_1) -1FV1 (B-FTa)
應用了 a-pr1ri之后，相當于結合了測量與已知信息，能夠給出更優(yōu)化的解。當然，準確給出S與Sa十分重要，如果S也就是測量誤差非常大，而Sa也就是已知信息解的誤差被認為地非常小的話，那結果就會很接近于根據已知信息猜測的TA。反之則接近T。
[0027]為了盡量減少計算量，或減少未知參數，我們還可對常見物體建立相關的數據庫，包含常見物體的介電常數或密度或比熱等信息，以便在反演時直接查詢。許多常見事物的密度、介電常數等往往都是可以查到的。而要判斷物體的大致類別，或者說是什么的話，也可以通知一個機器視覺的預處理步驟完成，比如，在反演前先通過其他探測辦法如可見光、紅外光對被探測物體進行初步識別，確定被探測事物是什么，而后依據初步識別獲得的外觀等信息在本機或互聯網數據庫中查詢相關材料、介電常數、密度結構等。盡量將能夠查詢到的參數信息通過查詢獲得，以減輕反演計算量。
[0028]在一些情況下，物體是未知材料構成的，這時可以在反演前先通過光譜儀探測被測物體的表面發(fā)射或反射的光譜，依據獲得的光譜信息以光譜模型(往往是線性光譜模型)反推物體的材料組成，進而得到介電常數分布。比如上述的建筑物案例，最表面的一層是瓷磚，而瓷磚的材料不同其介電常數就會不同，使用光譜儀可以先區(qū)分出其材料分布，從而得到瓷磚層的介電常數和密度。
[0029]在一些情況下，物體的表面溫度未知，此時可以通過輻射計如紅外輻射計來測量得到。
[0030]按照上述的方法可設計許多裝置設備，來給予智能設備或者機器人以透視物體內部的3D視覺能力。
[0031]典型的，如附圖1所示，一個應用于機器人透視視覺的系統(tǒng)具有一臺多波段陣列的微波探測儀(1)，波段應盡可能錯開，一個以上攝像頭(2)，一個計算設備(4)，附件網絡設備，系統(tǒng)的工作流程為:由攝像頭獲得物體的外觀或表面信息(6)，再依據這部分信息進行搜索或通過網絡設備向數據庫查詢，從而獲得物體的已知數據，并由多波段的微波探測儀以接收待測物體發(fā)射或反射的微波(5)的方式獲得物體對于不同波段的亮溫，然后由計算設備按照上述的方法劃分成相應的分層結構(7)并反演物體的內部的密度或溫度分布(8)。
[0032]對于自然形成的物體，由于其表面與內部的材料成分往往具有連續(xù)性,此時系統(tǒng)還可帶有一臺光譜探測儀(3)，用于獲得物體發(fā)射或反射的光譜，該光譜數據用于反演物體表面的成分，進而按照一定的模型來假定物體內部的材料成分。材料成分決定后即決定了介電常數的分布。如果物體表面的溫度未知，還可包括一個輻射計(Rad1meter)或紅外測溫儀來獲得物體表面的溫度。
[0033]應用該設備可以得到過去的技術無法得到的許多內部信息，比如，以上述的建筑物案例來說，只需要由裝備該設備的機器人進行遠距離非接觸的觀察，就可以得到建筑物內部的熱源分布(進而可推斷內部的熱電結構或人類活動)、管道分布與情況，對于工程、軍事、醫(yī)學觀察、日常生活都有重要意義。
[0034]有益效果
與之前的機器視覺技術方案相比，本技術方案具有以下優(yōu)點:
1.透視。能夠獲得物體或建筑物的內部密度分布、內部結構、內部熱源分布等信息，不再停留于表面。
[0035]2.無損。不破壞、不影響待測物體。不需要接觸待測物體，即可完成透視。
[0036]3.低成本。對于一些遠距離物體，或者高空物體，或者外星物體，如果要進行實地鉆探，成本可能以百億美元計算，而采用本方法，可以極低的成本獲得更全面的結果。
[0037]4.安全?？梢赃h距離判斷建筑物或掩體內部熱源如人員位置，對于反恐、國防、維護社會治安有著很大幫助。
[0038]5.方便且對人體健康。如基于本發(fā)明制造人體健康自查設備,能夠對人體無害地實施檢查，當發(fā)現瘤形成(密度異常)或血管問題(局部血管溫度異常)時可及時就診。
[0039]6.全天候、全天時。受云層、濃霧等天氣的影響，也不受日夜光照條件變化的限制。
【具體實施方式】
[0040]本發(fā)明的具體實施案例中，發(fā)明人制造了一個實現上述方法的系統(tǒng)，系統(tǒng)帶有如下部分:多頻段的微波探測器、光譜儀、輻射計、攝像頭、計算機程序。
[0041]該多頻微波探測器具有4個探測頻率，分別為120MHZ，450MHZ, 1GHZ,與5GHZ。有主動模式與被動模式，實施案例中采用被動模式。
[0042]光譜儀為一臺成像光譜儀。
[0043]輻射計為測量表面溫度用的紅外輻射計。
[0044]程序是使用Fortran編寫的。由于處于樣例階段，目前僅包括對一些觀察對象專門編寫的函數和I ibrary,還不能夠對任意的物體進行直接觀察。
[0045]以對一干燥的具有內部埋藏放射性熱源的礦物塊觀察為該系統(tǒng)的一個應用案例，在本例中應用本系統(tǒng)進行非接觸的內部放射性熱源的定位。
[0046]在實施中首先通過攝像頭觀察該礦物塊，并查詢相關視覺圖像，經比對后確認了礦物塊類型，依據該類型的一般形成條件進而對該塊建立數學模型，模型分為六層，第一層為表面的風化稀松層，第二層到第五層為不同年代形成的粘土層，第六層為巖石層。每一層都具有各自的密度P i 二維分布與溫度Ti 二維分布。由于尋找放射性熱源主要需要依靠熱分布判斷，故近似假設密度為每層一個數值，以便減少參量。
[0047]然后通過光譜儀觀察礦物上下表面礦物成分，獲得了該球體的鐵分布，礦物來說主要是密度和鐵含量對于介電常數的影響較大，再通過光譜儀觀察側面剖面獲得了礦物的各層組分材料，以及每層的厚度(深度)，大致確定了各層的密度。假定物體中鐵連續(xù)分布，依據表面鐵分布結合各層密度一起推斷了物體的各層介電常數的分布二維矩陣。
[0048]其次紅外輻射計獲得了上下表面的溫度的二維分布(Tl，T6)。待求解的為第二層到第五層的溫度分布(T2，T3, T4, T5)。(注意:此處的溫度T都指的是內部該層上每個網格坐標位置的具體溫度的分布的二維矩陣，繪制出來是一個二維圖像，絕不是單個數值)
依據微波探測器的四個不同波段分別獲得了四個亮度溫度，TBl, TB2, TB3與TB4。
[0049]程序部分基于如下物理原理在Fortran中編寫:首先依據起伏散逸定理(fluctuat1n dissipat1n theorem, FDT)與并矢格林函數,得到分層系統(tǒng)中亮溫與各層實際溫度的關系，見附圖2。具體的參數解釋都在相關的【專利附圖】
【附圖說明】中有說明。
[0050]依據反演理論，待反演參數T為Τ=[Τ2，Τ3, Τ4, Τ5],不過在本例中測量值此時不是亮溫本身B，如果記B為Β=[ΤΒ1，ΤΒ2, ΤΒ3, ΤΒ4],則此時的實際測量值是B減去表層的貢獻和底層的貢獻，也就是測量值Y= (Β-ΤΒ表層貢獻-TB底層貢獻)=F*T。這是由于其中由紅外輻射計獲得了表層和底層的實際物理分布，表層的貢獻和底層的貢獻都是可以直接計算獲得的，因此此時Y才是測量值，即measurement vector。
[0051]其中Y的展開見附圖3所示。具體的參數解釋都在相關的【專利附圖】
【附圖說明】中有說明。
[0052]此時依據T=(FV1F) -1FV1Y我們獲得了 T的反演結果。T2-T3均沒有異常，放射性熱源主要在第五層，依據T的第四個參數T5，我們可以找到熱源位置，將T5按照橫縱坐標輸出到圖像上，如附圖4所示。色度條的單位為攝氏度。其中黑色部分對應較高的溫度數值，也就是內部熱源的位置所在。根據T5的圖像，可以知道內部放射性熱源的位置在右上角黑點處。
[0053]本系統(tǒng)的另一應用案例就是在
【發(fā)明內容】
部分闡述的建筑物。其分層模型在
【發(fā)明內容】
部分也已經闡述。在經過本實施案例系統(tǒng)的處理后，(具體計算過程與前面的處理對象類似不再贅述)，我們獲得了建筑物內的熱源分布。
[0054]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
[0055]說明書【專利附圖】
【附圖說明】
圖1.方法與系統(tǒng)原理圖。其中I為多波段微波探測器，圖上畫的數目只是舉例，實際可以為任意多波段，2為攝像頭，圖上畫的數目只是舉例，3為可選的紅外輻射計或光譜儀，圖上畫的數目只是舉例，4為計算處理器，5為傳輸的微波，6為待測物體，7為對待測物體計算時進行的虛擬分層，8為待測物體內部的熱源或密度結構。
[0056]圖2.測量獲得的亮度溫度Tb與每層的實際物理溫度(T1-T6)關系圖。其中ε是各層的介電常數，k表示各層的波數(wave number)，d表示各層的厚度，e為自然對數底數，上標”表示取其虛數部分，另外Rij= (kiz-kjz) / (kiz+kjz), Qij=I^Rij,依此類推。
[0057]圖3.Y的展開式，各參數的具體含義已經在圖2的說明中。
[0058]圖4.實施案例反演得到的第五層實際物理溫度結果(T5)。
【權利要求】
1.一種透視視覺的實現方法，通過可見光或紅外光對被探測物體進行初步探測識別，獲得基本信息比如其外形尺寸或外表溫度等，并通過多頻率的微波探測儀測量待測物體發(fā)射或反射的不同頻率的微波，獲得一個物體對于不同頻率波段的亮溫，結合其他已知信息或模型，反演物體內部的密度分布或溫度分布或材料結構等信息。
2.—種權利要求1所述的方法，其特征在于，該方法在反演時采用如下算法:先將物體假設為一個個細分的層(對于一些不具備分層結構的物體，可將其在幾何上先拆分為一個個具有分層結構的基本對象再分別予以反演)，則接收到的不同頻率波段的物體亮溫是這些細分的層對于不同頻率亮溫的貢獻的疊加，每一層的貢獻可以表達成各層溫度乘以貢獻比例函數，貢獻比例函數往往是該層的密度、介電常數、厚度等的函數，根據方程組“接收到的對于不同頻率波段的亮溫Tb=細分的層對于不同頻率波段的亮溫的疊加=各層物理溫度Ti乘以各層貢獻比例F/’可以反演各層的物理溫度或密度等信息。
3.—種權利要求1所述的方法，其特征在于，該方法還使用了先驗假定(a-pr1ri)，通過已知信息給出待反演參數的一個假設值，而后將該先驗假定與實際測量結果一起進行反演，給出待反演參數的最概然解(most probable solut1n)。
4.一種權利要求1所述的方法，其特征在于，該方法還對常見物體建立相關的數據庫，包含常見物體的介電常數或密度或比熱等信息，以便在反演時直接查詢。
5.一種權利要求1所述的方法，其特征在于，該方法還在反演前先通過其他探測辦法如可見光、紅外光對被探測物體進行初步識別，而后依據初步識別獲得的外觀等信息在本機或互聯網數據庫中查詢相關材料、介電常數、密度結構等。
6.一種權利要求1所述的方法，其特征在于，該方法還在反演前先通過光譜儀探測被測物體的表面發(fā)射或反射的光譜，依據獲得的光譜信息以光譜模型反推物體的材料組成，進而得到介電常數分布。
7.—種權利要求1所述的方法，其特征在于，該方法還在反演前先通過輻射計(Rad1meter)或紅外測溫儀或紅外熱像儀來非接觸地獲得物體表面的溫度。
8.一種實現權利要求1所述方法的系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)包含多波段的微波探測儀，攝像頭，計算設備，網絡設備，及其他附件，系統(tǒng)的工作流程為:由攝像頭獲得物體的外觀或表面信息，再依據這部分信息進行搜索或通過網絡設備向數據庫查詢，從而獲得物體的已知數據如材料、組成等，并由多波段的微波探測儀獲得物體對于不同頻率的亮溫，然后由計算設備反演物體的內部的密度或溫度分布或材料結構信息等。
9.一種實現權利要求8所述方法的系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)還帶有一臺光譜探測儀，用于獲得物體發(fā)射或反射的光譜，該光譜數據用于反演物體表面的成分。
10.一種實現權利要求8所述方法的系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)還帶有輻射計(Rad1meter)來獲得物體表面的溫度。
【文檔編號】G01V11/00GK104297814SQ201410570417
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月24日 優(yōu)先權日:2014年10月24日
【發(fā)明者】張維加 申請人:張維加
相關技術
網友詢問留言
已有0條留言
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！
1