阅读说明：本技术 一种阵列式偏振相机的偏振信息测量系统及方法 (Polarization information measuring system and method of array type polarization camera ) 是由 何晓峰 吴雪松 范晨 胡小平 张礼廉 毛军 韩国良 李鑫 范颖 于 2020-04-22 设计创作，主要内容包括：本申请涉及一种阵列式偏振相机的偏振信息测量系统及方法,所述方法包括：根据阵列式偏振相机的偏振通道数量建立相应数量的成像模型；对阵列式偏振相机的响应函数进行标定得到阵列式偏振相机的响应曲线；采用多次曝光的方式获得阵列式偏振相机每个偏振通道的HDR图像；根据响应曲线和每个偏振通道的HDR图像计算高动态范围的偏振信息。本发明克服了在真实场景中传统偏振相机在过曝和欠曝情况下偏振信息计算不准确甚至无法计算的问题,提高了偏振相机对于光照变化条件下的适应性,具有原理简单、操作简便、使用范围广等优点；同时获取高质量偏振测量信息,有效提高阵列式偏振相机测量的动态范围,对于提高阵列式偏振相机的适用性具有重要意义。(The application relates to a polarization information measuring system and method of an array type polarization camera, wherein the method comprises the following steps: establishing imaging models with corresponding quantity according to the quantity of the polarization channels of the array type polarization cameras; calibrating the response function of the array type polarization camera to obtain a response curve of the array type polarization camera; obtaining an HDR image of each polarization channel of the array type polarization camera by adopting a multi-exposure mode; high dynamic range polarization information is calculated from the response curve and the HDR image for each polarization channel. The method solves the problems that the traditional polarization camera is inaccurate in polarization information calculation or even incapable of calculating under the conditions of overexposure and underexposure in a real scene, improves the adaptability of the polarization camera to illumination change conditions, and has the advantages of simple principle, simplicity and convenience in operation, wide application range and the like; meanwhile, high-quality polarization measurement information is obtained, the dynamic range of measurement of the array type polarization camera is effectively improved, and the method has important significance for improving the applicability of the array type polarization camera.)

一种阵列式偏振相机的偏振信息测量系统及方法

技术领域

本发明涉及偏振信息测量系统及方法技术领域，特别是涉及一种阵列式偏振相机的偏振信息测量系统及方法。

背景技术

偏振是电磁波的基本特性之一，偏振光是光波所具有的重要特性。但是大多数脊椎动物（包括人类）对这种光模态无法感知；相比之下，许多无脊椎动物，包括昆虫，蜘蛛，头足类动物和气孔类动物，已经进化出能够检测具有高动态范围偏振信息的光敏细胞，并在视觉引导下的行为中利用这些信息。与许多动物一样，人类的视觉能够在很大的亮度范围内进行视觉感知，从而使我们的眼睛在完全不同的高对比度照明条件下仍能正常工作。但是，数码相机主要取决于具有8位亮度的成像传感器，比人类的视觉范围要窄得多。长期以来，人们一直在寻求技术来增加相机拍摄的图像的动态范围，以更好的解释和理解场景。

成像技术的快速发展为我们带来了新的阵列式偏振传感器，如偏转相机，使得我们可以方便地检测偏振光。这种相机被广泛用于3D重建，目标检测，机器人技术。但是，常规方法无法恢复高动态范围（HDR）场景下的视觉信息，使得在暗区或亮区的图像可见度大大降低。这种光照大范围变化场景下的过曝或欠曝也会造成的偏振信息计算不准确，例如，有光泽的金属物体镜面反射照明光，使相机饱和而不携带任何信息，从而影响其应用。

因此，有必要针对阵列式偏振相机设计一种新型的偏振信息测量系统及方法。

发明内容

本发明针对阵列式偏振相机在真实场景中因过曝或欠曝造成的偏振信息计算不准确的问题提供一种阵列式偏振相机的偏振信息测量系统及方法，提高了偏振相机对于光照变化的适应性，具有原理简单、操作简便、使用范围广等优点。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种阵列式偏振相机的偏振信息测量方法，所述方法包括以下步骤：

S1，获取阵列式偏振相机的偏振通道数量，根据所述阵列式偏振相机的偏振通道数量建立相应数量的成像模型；

S2，根据所述成像模型对所述阵列式偏振相机的响应函数进行标定得到所述阵列式偏振相机的响应曲线；

S3，采用多次曝光的方式获得所述阵列式偏振相机每个偏振通道的HDR图像；

S4，根据所述响应曲线和每个偏振通道的HDR图像计算高动态范围的偏振信息。

进一步的，所述阵列式偏振相机包括均匀分布的0°、45°、90°、135°四个方向的偏振通道，四个所述偏振通道的成像模型分别为：

式中，为最终得到的图像数据，为入射光通过镜头后的强度，为入射光通过偏振片后的强度，、、、为各偏振通道中偏振片的作用，为偏振度DOP，为偏振角，为相机响应函数，为曝光的时间。

进一步的，真实场景中的光强依次通过所述阵列式偏振相机的镜头、偏振片和快门被CCD或CMOS的芯片感应并经过模电转换变为最后的图像数据。

进一步的，通过多次曝光的方式对所述阵列式偏振相机进行标定得到所述阵列式偏振相机的反响应函数，优化函数为：

式中，为反响应函数且，为偏振片的作用且为四种不同的偏振片，为第次曝光，为总的曝光次数，为位置为的像素，为总的采样像素点数，为第次曝光时间下位置为处的像素值。

进一步的，由偏振相机的成像原理可得：

两边取对数可得：

令，则有：

设，则有：

式中，为正则项防止过拟合，

通过优化函数来求解进而得到相机的反响应函数。

进一步的，由偏振相机的成像原理可得：

通过多次曝光得到每个偏振通道的HDR图像，构建为对于每个偏振通道，在每个像素位置上的辐照值：

式中，为第次曝光下偏振通道下的像素值，为像素位置，为第次的曝光时间设定，为用于消除奇异值的权重函数，在此选用高斯函数作为所述权重函数：

。

进一步的，步骤S4中，所述偏振信息的stokes量可以通过每个所述偏振通道的HDR图像计算得到：

偏振角AoP和偏振度DoP在计算出的stokes量的基础上计算得到：

式中，、、为stokes矢量参数。

本发明还提供一种阵列式偏振相机的偏振信息测量系统，所述系统包括：

模型建立模块，用于获取阵列式偏振相机的偏振通道数量，根据所述阵列式偏振相机的偏振通道数量建立相应数量的成像模型；

标定模块，用于根据所述成像模型的参数指导对所述阵列式偏振相机的响应函数进行标定得到所述阵列式偏振相机的响应曲线；

取像模块，用于采用多次曝光的方式获得所述阵列式偏振相机每个偏振通道的HDR图像；

计算模块，用于根据所述响应曲线和每个偏振通道的HDR图像计算高动态范围的偏振信息。

本发明还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

S1，获取阵列式偏振相机的偏振通道数量，根据所述阵列式偏振相机的偏振通道数量建立相应数量的成像模型；

S2，根据所述成像模型的参数指导对所述阵列式偏振相机的响应函数进行标定得到所述阵列式偏振相机的响应曲线；

S3，采用多次曝光的方式获得所述阵列式偏振相机每个偏振通道的HDR图像；

S4，根据所述响应曲线和每个偏振通道的HDR图像计算高动态范围的偏振信息。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

S1，获取阵列式偏振相机的偏振通道数量，根据所述阵列式偏振相机的偏振通道数量建立相应数量的成像模型；

S2，根据所述成像模型的参数指导对所述阵列式偏振相机的响应函数进行标定得到所述阵列式偏振相机的响应曲线；

S3，采用多次曝光的方式获得所述阵列式偏振相机每个偏振通道的HDR图像；

S4，根据所述响应曲线和每个偏振通道的HDR图像计算高动态范围的偏振信息。

与现有技术相比，本发明的有益之处是：

本发明提供的阵列式偏振相机的偏振信息测量系统及方法、计算机设备以及可读存储介质根据阵列式偏振相机的偏振通道数量建立成像模型，对阵列式偏振相机的响应函数进行标定，通过多次曝光构建各个偏振通道的HDR图像，然后在响应曲线和HDR图像的基础上计算偏振信息；本发明克服了在真实场景中传统偏振相机在过曝和欠曝情况下偏振信息计算不准确甚至无法计算的问题，提高了偏振相机对于光照变化条件下的适应性，具有原理简单、操作简便、使用范围广等优点；极大地提高了阵列式偏振相机的实用性，在克服光照变化的影响的同时获取高质量偏振测量信息，还能有效提高阵列式偏振相机测量的动态范围，对于进一步提高阵列式偏振相机的适用性具有重要意义。

附图说明

图1为一个实施例中阵列式偏振相机的偏振信息测量方法的应用场景图；

图2为一个实施例中阵列式偏振相机的偏振信息测量系统的结构框图；

图3为一个实施例中阵列式偏振相机的偏振信息测量方法的流程图；

图4为一个实施例中阵列式偏振相机的偏振信息测量方法的原理图；

图5为一个实施例中阵列式偏振相机的成像模型建立流程图；

图6为欠曝图像计算得到的偏振度和偏振角图像；

图7为过曝图像计算得到的偏振度和偏振角图像；

图8为采用本发明方法得到的偏振度和偏振角图像；

图9为一个实施例中计算机设备的内部结构图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本申请提供的阵列式偏振相机的偏振信息测量系统及方法，可以应用于如图1所示的应用环境中。其中，终端102与服务器104通过网络进行通信；其中，终端102可以但不限于是各种个人计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑和便携式可穿戴设备，服务器104可以用独立的服务器或者是多个服务器组成的服务器集群来实现。

在一个实施例中，如图2所示，提供了一种阵列式偏振相机的偏振信息测量系统，该系统可以设置在如图1的应用环境中，本实施例是基于模块的思想，包括模型建立模块1、标定模块2、取像模块3以及计算模块4；其中，

所述模型建立模块1用于获取阵列式偏振相机的偏振通道数量，根据所述阵列式偏振相机的偏振通道数量建立相应数量的成像模型；

所述标定模块2用于根据所述成像模型的参数指导对所述阵列式偏振相机的响应函数进行标定得到所述阵列式偏振相机的响应曲线；

所述取像模块3用于采用多次曝光的方式获得所述阵列式偏振相机每个偏振通道的HDR图像；其中，HDR表示高动态范围成像，是用来实现比普通数位图像技术更大曝光动态范围，目的就是要正确地表示真实场景中从太阳光直射到最暗的阴影这样大的范围亮度。

所述计算模块4用于根据所述响应曲线和每个偏振通道的HDR图像计算高动态范围的偏振信息。利用stokes矢量原理和公式编写软件程序对每次收到的测量信息进行处理，从而得到所处位置的偏振信息。

在其中一个实施例中，如图5所示，所述阵列式偏振相机至少包括镜头11、偏振片12、快门13、反射镜以及CCD/CMOS14，其中，所述镜头11为长焦镜头；所述偏振片12为中性密度偏振片，其光谱敏感范围是400nm～700nm，对入射光束具有很高的偏振敏感性，当偏振片12转动时，光线即发生变化；所述快门13的响应时间为1～3微秒；所述CCD/CMOS14的芯片感应时间为1～2微秒，要求入射光束垂直入射到CCD/CMOS14中；所述反射镜用于光束反射，改变光路，对入射光束具有很高的反射率；入射光束的光源可以采用激光，进一步优选为He-Ne气体激光光源。

本实施例的具体使用过程是：

获取阵列式偏振相机的偏振通道数量，根据所述阵列式偏振相机的偏振通道数量建立相应数量的成像模型；根据所述成像模型的参数指导对所述阵列式偏振相机的响应函数进行标定得到所述阵列式偏振相机的响应曲线；采用多次曝光的方式获得所述阵列式偏振相机每个偏振通道的HDR图像；根据所述响应曲线和每个偏振通道的HDR图像计算高动态范围的偏振信息。本实施例克服了在真实场景中传统偏振相机在过曝和欠曝情况下偏振信息计算不准确甚至无法计算的问题，提高了偏振相机对于光照变化条件下的适应性，具有原理简单、操作简便、使用范围广等优点；极大地提高了阵列式偏振相机的实用性。

在一个实施例中，如图3至4所示，提供一种阵列式偏振相机的偏振信息测量方法，该方法可以执行于图1所示的服务器中，具体包括如下步骤：

步骤一，获取阵列式偏振相机的偏振通道数量，根据所述阵列式偏振相机的偏振通道数量并基于传统的相机成像原理建立相应数量的成像模型；

在一个实施例中，所述阵列式偏振相机包括均匀分布的0°、45°、90°、135°四个方向的偏振通道，工作波段为500～800nm，四个所述偏振通道的成像模型分别为：

其中为最终得到的图像数据，为入射光通过镜头11后的强度，为入射光通过偏振片12后的强度，且入射光通过偏振片12后的强度不超过CCD或CMOS的曝光值强度，、、、为各偏振通道中偏振片12的作用，为偏振度DOP，为偏振角，为相机响应函数，为曝光的时间。入射光束为矢量偏振光且方向任意。

在另一个实施例中，所述阵列式偏振相机包括均匀分布的0°、60°、120°三个方向的偏振通道，工作波段为600～750nm；通光改变光谱范围和测试方位，可以得到不同方位角、高度角、不同光谱范围的偏振信息。

如图5所示，真实场景中的光强依次通过所述阵列式偏振相机的镜头11、偏振片12和快门13被CCD/CMOS14的芯片感应并经过模电转换15变为最后的图像数据。在图像获取的第一阶段，曝光定义为入射光通过偏振片12后的强度与曝光的时间的乘积，因此其单位为，由此可知，假设入射光通过偏振片12后的强度减半，曝光的时间加倍不会改变最终曝光的光强度。

步骤二，根据所述成像模型的参数指导对所述阵列式偏振相机的响应函数进行标定得到所述阵列式偏振相机的响应曲线。

在一个实施例中，无需借助其他工具可以只通过多次曝光的方式对所述阵列式偏振相机进行标定得到所述阵列式偏振相机的反响应函数，优化函数为：

式中，为优化函数，为反响应函数且，为相机响应函数，为入射光通过镜头后的强度，为偏振片的作用且为四种不同的偏振片，为第次曝光，为总的曝光次数，为位置为的像素，为总的采样像素点数，为第次曝光时间下位置为处的像素值，为曝光的时间。

更具体的，由偏振相机的成像原理可得：

两边取对数可得：

令，则有：

设，则有：

式中，为正则项防止过拟合，

通过优化函数来求解进而得到相机的反响应函数。该问题为最小二乘问题，可以通过优化方法为SVD（奇异值）的分解方法进行求解。

步骤三，采用多次曝光的方式获得所述阵列式偏振相机每个偏振通道的HDR图像；

在一个实施例中，由偏振相机的成像原理可得：

在实际应用中通过多次曝光得到每个偏振通道的HDR图像，构建为对于每个偏振通道，在每个像素位置上的辐照值：

式中，为第次曝光下偏振通道下的像素值，为像素位置，为第次的曝光时间设定，为总的曝光次数，为用于消除奇异值的权重函数，用来消除过曝和欠曝的值带来的影响，使最终结果更为鲁棒。这里选用高斯函数作为所述权重函数：

其中，取值为0.2。

步骤四，根据所述响应曲线和每个偏振通道的HDR图像计算高动态范围的偏振信息；

在一个实施例中，所述偏振信息的stokes量可以通过每个所述偏振通道的HDR图像计算得到：

偏振角AoP和偏振度DoP在计算出的stokes量的基础上计算得到：

式中，、、为stokes矢量参数。

如果数字图像曝光过度或曝光不足，则偏振结果将是错误的，如图6所示为欠曝图像计算得到的偏振度和偏振角图像；如图7所示为过曝图像计算得到的偏振度和偏振角图像；如图8所示为本发明所述方法得到的偏振度和偏振角图像。事实证明，采用本发明所述方法能够通过多次曝光融合图像来创建高质量的偏振信息。

本发明提供的阵列式偏振相机的偏振信息测量方法的原理简单来说即为：首先基于传统相机成像过程建立阵列式偏振相机的成像模型；然后对阵列式偏振相机的响应函数进行标定得到相机的响应曲线；通过多次曝光得到每个偏振通道的HDR图像；基于响应曲线和各个偏振通道的HDR图像计算偏振信息。本方法能够使偏振相机在真实场景中克服因过曝或欠曝造成的偏振信息计算不准确的问题，提高了偏振相机对于光照变化条件下的适应性，具有原理简单、操作简便、使用范围广等优点；极大地提高了阵列式偏振相机的实用性，在克服光照变化的影响的同时获取高质量偏振测量信息，还能有效提高阵列式偏振相机测量的动态范围，对于进一步提高阵列式偏振相机的适用性具有重要意义。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图9所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储基本模型组件数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种阵列式偏振相机的偏振信息测量方法。

本领域技术人员可以理解，图9中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述实施例中方法的步骤。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中方法的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink） DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM（RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。