本發(fā)明涉及偏振消光探測，特別是一種實時雙目偏振消光探測方法。

背景技術(shù)：

由于目標物反射光太強或者物體表面鏡面反射，拍攝到的圖像會呈現(xiàn)一片亮眼的白色，強烈干擾人眼或其他觀測設備對目標物的觀察或探測。因此在這種情況下，需要某些前端設備在不影響目標物探測信息的情況下消除強光，利于人眼或其他觀測設備對目標物進行觀察或探測。針對這種情況，人們設計實現(xiàn)了各種消除強光的系統(tǒng)，常見的系統(tǒng)是在觀測設備和目標物之間加一個衰減片以降低光強。但是，這種系統(tǒng)獲得的圖像整體光強變低，對比度減弱，目標細節(jié)分辨率也會降低。

還有一種技術(shù)就是偏振消光系統(tǒng)，利用偏振片進行消光的機理如圖1所示：當光源滿足布儒斯特角θ_B入射時，反射光為完全線偏振光，調(diào)整檢偏器方位角，當偏振方位角與反射光的偏振方向互相垂直時，由于偏振片的阻光作用，反射光完全不能通過偏振片，從而達到消光的目的；當光源偏離布儒斯特角入射，反射光為部分偏振光，調(diào)整檢偏器方位角只能消除部分反射光，只要滿足入射角在布儒斯特角附近都能有效減弱強光對目標探測的影響。

上述消光系統(tǒng)有廣泛的應用場景，通常的消光裝置主要基于反饋消光、光學消光等。反饋消光是利用電路反饋信號進行調(diào)節(jié)，從而達到消除強光的目的。文獻ZHANGJ H，LIU L G， ZHU H N，et al.The High Resolution Polarization Nulling Measurement System with Magneto-optical Modulator[J].Journal of Optoelectronics-Laser.2001，12(10)：1041-1042.中公開了一種利用新型磁致調(diào)制器和驅(qū)動電路對偏振光進行調(diào)制的方法，該消光裝置的優(yōu)點是快速實時，缺點是對旋光材料要求高，系統(tǒng)設計復雜；光學消光是利用光的性質(zhì)對強光進行消除，原理簡單，適用性廣，效果也很明顯。專利CN103345099A中公開了一種基于偏振光消光的成像方法，其中用到的消光裝置為單路的偏振片消光，相機每次只能拍攝幾個特定角度的偏振圖像，有一定的局限性且不能實時消光。專利CN102998667A中公開了一種基于偏振遙感探測的波浪水面太陽耀光剝離方法，利用基于液晶相位可變延遲器的偏振成像探測儀進行水面偏振成像探測，對得到的偏振圖像基于時間序列分析和圖像融合技術(shù)計算得到分離太陽耀光背景下的目標物，這種消光探測 裝置實時性較差且系統(tǒng)代價較高，設備昂貴，只能用在偏振遙感探測的太陽耀光剝離領域，有一定的局限性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種實時雙目偏振消光探測方法，以實現(xiàn)實時消除強光，減弱強光干擾對目標探測的影響，從而利于人眼或其他觀測設備對目標的觀察和探測，且能夠較為完整地提取出淹沒在強光中目標信息。

實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：一種實時雙目偏振消光探測方法，步驟如下：

步驟一，雙路偏振同步初始化，即采集路、探測路偏振片處于偏振同步狀態(tài)，使得兩路偏振片的偏振方向保持一致，偏振角度差為零；

步驟二，采集路圖像采集與處理：完成雙路偏正同步初始化后，采集路偏振片以一個固定角速度勻速轉(zhuǎn)動，同時采集路CCD相機開始連續(xù)采集圖像，首先對采集路CCD相機采集到的每一幀圖像進行高斯濾波，減少噪聲；然后將圖像中所有像素點的亮度值求和，得到每一幀圖像的像素亮度和；

步驟三，消光態(tài)判別：將采集路偏振片每轉(zhuǎn)180度過程中，采集路CCD相機拍攝到的所有幀圖像的像素亮度和進行判斷，找出像素亮度和最大和最小的兩幀圖像，同時找到獲得采集到最小像素亮度和圖像時的偏振片角度，判斷最小像素亮度和圖像對應的偏振片角度即為最佳消光角度，最小像素亮度和與最大亮度和之比即為消光比；

步驟四，探測路實時消光顯示：在采集路進行消光態(tài)判別得到最佳消光角度之后，探測路偏振片立刻轉(zhuǎn)動到最佳消光角度，同時探測路CCD相機開始采集圖像，此時探測路CCD相機采集到的圖像即為消光之后的圖像，采集路偏振片每轉(zhuǎn)一圈，利用接近傳感器以減小累計誤差，由此完成實時偏振消光。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點：(1)利用反射光的偏振特性消除強光，與利用衰減片進行消光的現(xiàn)有方法相比，具有圖像對比度高，目標的細節(jié)清晰等顯著優(yōu)點，更利于人眼或其他觀測設備對目標物的觀察和探測，原理簡單，效果明顯。(2)利用采集路和探測路兩路視頻系統(tǒng)進行實時消光，采集路信號傳輸給信號處理系統(tǒng)，信號處理系統(tǒng)進行消光態(tài)判別后控制探測路電機快速精準地使該路偏振片旋轉(zhuǎn)到對應的消光角度，使得本發(fā)明方法可以實時顯示消光圖像，快速響應場景變動，動態(tài)顯示探測結(jié)果。(3)實時校正系統(tǒng)誤差，使用對金屬物敏感的接近傳感器實時探測系統(tǒng)狀態(tài)，并周期性校正電機的空回誤差，排除系統(tǒng)運行過程中不斷產(chǎn)生累積誤差的情況，實時的系統(tǒng)誤 差校正使系統(tǒng)運行穩(wěn)定性大大提升。(4)控制實現(xiàn)系統(tǒng)上電自動初始化，利用兩個接近傳感器組件分別獲取兩路偏振片的位置，并控制兩路電機分別帶動各自偏振片旋轉(zhuǎn)到相應的初始位置，完成系統(tǒng)的初始化。初始化的目的是使兩路偏振片的0°偏振方向角相互平行，即兩路具有相同的起始狀態(tài)。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。

附圖說明

圖1是本發(fā)明偏振消光原理示意圖。

圖2是本發(fā)明實例采用的雙目偏振消光探測裝置示意圖。

圖3是本發(fā)明實例采用的雙目偏振消光探測裝置的支架示意圖。

圖4是本發(fā)明方法的原理圖。

圖5是本發(fā)明實驗中利用太陽光為光源，利用本發(fā)明方法探測波光粼粼的水下目標的探測結(jié)果。

圖6是本發(fā)明實驗中利用燈光為光源，利用本發(fā)明方法在夜晚探測有強烈反射光的刻字木板的探測結(jié)果。

具體實施方式

結(jié)合圖4，本發(fā)明實時雙目偏振消光探測方法的步驟如下：

步驟一，雙路偏振同步初始化，即采集路、探測路偏振片處于偏振同步狀態(tài)，使得兩路偏振片的偏振方向保持一致，偏振角度差為零。

所述控制雙路偏振片完成雙路偏振同步初始化的具體步驟如下：

步驟1：對采集路、探測路偏振片的0度偏振方向進行標定，找到偏振片的0度偏振方向；

步驟2：利用接近傳感器設定雙路偏振片的初始位置，并保證在初始位置時，兩路偏振片的0度方向保持平行；

步驟3：兩路偏振片上電前處于任意位置時，控制芯片控制步進電機轉(zhuǎn)動，當采集路、探測路中任意一路偏振片轉(zhuǎn)到步驟2設定的初始位置時，接近傳感器發(fā)給控制芯片一個感應信號，控制芯片控制該路停止轉(zhuǎn)動，等待另一路偏振片也轉(zhuǎn)到初始位置時，控制芯片收到另一路接近傳感器的感應信號，此時上電自動初始化完成，兩路偏振片都處偏振同步初始位置。

步驟二，采集路圖像采集與處理：完成雙路偏正同步初始化后，采集路偏振片以一個固定角速度勻速轉(zhuǎn)動，同時采集路CCD相機開始連續(xù)采集圖像，首先對采集路CCD相機采集到的每一幀圖像進行高斯濾波，減少噪聲；然后將圖像中所有像素點的亮度值求和，得到每一幀圖像的像素亮度和。

所述采集路圖像采集與處理的具體步驟如下：

步驟1：控制芯片控制采集路步進電機以一個固定的角速度沿一個方向旋轉(zhuǎn)，同時記錄步進電機的前進步數(shù)K_i，采集路相機以固定幀頻F進行圖像采集，控制芯片記錄采集路相機每采集到的每幀圖像對應的采集路步進電機步數(shù)，并且根據(jù)采集路步進電機的步進角度ang和初始位置的角度ang_int，計算出每幀圖像對應的偏振角度ang_i，計算公式如下：

ang_i＝ang×K_i-ang_int

步驟2：對采集路相機采集到的每一幀圖像，利用高斯濾波進行降噪處理；

步驟3：提取濾波后的每幀圖像的亮度Y，將每幀圖像上所有像素點的亮度求和，得到每一幀圖像的像素亮度和S_i，至此，采集路相機采集到的每一幀圖像的S_i、ang_i和K_i(像素亮度和S_i、每一個像素亮度和對應的偏振角度ang_i和ang_i對應的步進電機前進步數(shù)K_i)已知。

步驟三，消光態(tài)判別：將采集路偏振片每轉(zhuǎn)180度過程中，采集路CCD相機拍攝到的所有幀圖像的像素亮度和進行判斷，找出像素亮度和最大和最小的兩幀圖像，同時找到“獲得采集到最小像素亮度和圖像時”的偏振片角度，判斷最小像素亮度和圖像對應的偏振片角度即為最佳消光角度，最小像素亮度和與最大亮度和之比即為消光比。

所述消光態(tài)判別具體方法為：需要對采集路采集到的每一幀圖像的像素亮度和S_i進行比較，采用冒泡算法找出在采集路偏振片每轉(zhuǎn)180度過程中，采集路相機拍攝到的最大像素亮度和S_max、最小像素亮度和S_min、S_min對應的偏振角度ang_min和S_min對應的步進電機前進步數(shù)K_min，即S_max、S_min、ang_min和K_min，用采集路偏振片轉(zhuǎn)動一個周期內(nèi)的最小像素亮度和S_min比上最大像素亮度和S_max，即可算出當前場景的消光比Ratio：

Ration＝S_min/S_max。

步驟四，探測路實時消光顯示：在采集路進行消光態(tài)判別得到最佳消光角度之后，探測路偏振片立刻轉(zhuǎn)動到最佳消光角度，同時探測路CCD相機開始采集圖像，此時探測 路CCD相機采集到的圖像即為消光之后的圖像，采集路偏振片每轉(zhuǎn)一圈，利用接近傳感器以減小累計誤差，由此完成實時偏振消光。由于采集路在不斷進行最佳消光角度的判別，因此在場景發(fā)生變化的情況下，采集路也能判斷出當前場景下的最佳消光角度，并控制探測路進行消光圖像采集，從而完成對不同場景的實時消光探測。

所述探測路實時消光的具體顯示方法為：在得到采集路偏振片轉(zhuǎn)動180度過程中的S_min、ang_min和K_min后，控制芯片控制探測路步進電機帶動探測路偏振片從當前角度ang_current轉(zhuǎn)到最佳消光角度ang_min，探測路電機需要前進的步數(shù)K_advance計算方法如下：

K_advance＝K_min-K_current

其中，K_current為探測路步進電機當前位置相對于初始位置前進的步數(shù)；若K_advance為正，探測路步進電機帶動探測路偏振片前進K_advance步，若K_advance為負，探測路步進電機帶動探測路偏振片后退K_advance步，使得探測路偏振片到達最佳消光角度ang_min，此時，探測路相機采集到的圖像，就是消光之后的圖像。

本發(fā)明實時雙目偏振消光探測方法可以在下述裝置基礎上實現(xiàn)的。

如圖2、圖3所示，實現(xiàn)本發(fā)明實時雙目偏振消光探測方法的裝置如下，該裝置包括采集路A和探測路B、支架8、云臺7、信號處理器9、采集路顯示屏10和探測路顯示屏11，其中采集路A和探測路B的構(gòu)成完全相同，該采集路A包括采集路相機1、采集路偏振片2、采集路步進電機3、采集路齒輪組4、采集路感應金屬5以及采集路接近傳感器6；探測路B包括探測路相機、探測路偏振片、探測路步進電機、探測路齒輪組、探測路感應金屬以及探測路接近傳感器；

在采集路A中，所述的采集路齒輪組4包括大齒輪和小齒輪，小齒輪為主動輪，大齒輪為從動輪，小齒輪的轉(zhuǎn)動帶動大齒輪轉(zhuǎn)動；所述的采集路偏振片2鑲在采集路齒輪組4的大齒輪的中心，大齒輪的轉(zhuǎn)動帶動偏振片2的轉(zhuǎn)動；所述的采集路步進電機3安裝在采集路齒輪組4的小齒輪背后的支架8上，采集路步進電機3帶動小齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動鑲有偏振片的大齒輪轉(zhuǎn)動；所述的采集路感應金屬5沿著采集路齒輪組4的大齒輪的半徑方向安裝在大齒輪表面的邊緣位置，隨大齒輪一起轉(zhuǎn)動，采集路接近傳感器6安裝在采集路齒輪組4的大齒輪背后的支架8上，靠近大齒輪的邊緣；采集路相機1、探測路相機設置在支架8上(采集路中的器件與對應的采集路支架連接，探測路中的器件與對應的探測路支架連接)，所述云臺7位于支架8的正下方，所述信號處理器9分 別與采集路相機1、采集路步進電機3的控制器、探測路步進電機的控制器、采集路接近傳感器6、探測路接近傳感器、云臺7、采集路顯示屏10連接；探測路相機與探測路顯示屏11連接。信號處理器9可以為Altera公司的型號為EP4CE115F29C7的FPGA芯片。采集路顯示屏10顯示采集路相機實時采集到的視頻，探測路顯示屏11實時顯示消光視頻。

結(jié)合圖3，該裝置的支架8包括采集路支架、探測路支架以及底座87，采集路支架和探測路支架的結(jié)構(gòu)完全相同，其中每一路支架又包括空心圓柱桶81、長方形板82、第一孔83、第三孔85、第二孔84以及立柱86，第一孔83、第三孔85、第二孔84設置在一條直線上，第三孔85位于第一孔83、第二孔84的中間，其中，空心圓柱桶81的前端用于固定軸承，軸承連接大齒輪(在采集路支架中，該軸承連接采集路齒輪組4的大齒輪；在探測路支架中，該軸承連接探測路齒輪組的大齒輪)，后端用于放置相機(在采集路支架中，該相機為采集路相機1；在探測路支架中，該相機為探測路相機)鏡頭，空心圓柱桶81的內(nèi)徑略大于相機鏡頭的直徑，空心圓柱桶81的高略大于相機鏡頭長，以保證相機鏡頭能放入空心圓柱桶81中，長方形板82用于固定步進電機，步進電機轉(zhuǎn)軸連接小齒輪，第一孔83、第二孔84用于固定長方形板2背后的步進電機，該步進電機的轉(zhuǎn)軸透過第三孔85與小齒輪連接，與底座87連接的立柱86支撐著空心圓柱桶81和長方形板82，云臺7位于底座87的正下方并與該底座87固定連接。

結(jié)合圖3，該裝置的采集路偏振片2和探測路偏振片安裝前需要進行預先標定，標定好兩路偏振片的0°偏振方向，將兩路感應金屬分別撥到接近傳感器正前方，此時先安裝好采集路偏振片2，再安裝探測路偏振片，保證兩路偏振片的0°偏振方向相互平行即可。本發(fā)明的采集路齒輪組4和探測路齒輪組中的大齒輪和小齒輪的齒比為2∶1，即大齒輪的齒數(shù)為小齒輪的2倍，小齒輪每轉(zhuǎn)一圈，大齒輪轉(zhuǎn)半圈，偏振片轉(zhuǎn)180°。

該裝置的采集路中，采集路感應金屬5每經(jīng)過一次采集路接近傳感器6，采集路接近傳感器6都會產(chǎn)生一個感應信號，即大齒輪每轉(zhuǎn)一圈，采集路接近傳感器6都能獲取一次偏振片的位置信息。采集路接近傳感器6主要有以下兩個作用：完成系統(tǒng)初始化以及周期性校正齒輪的空回誤差。系統(tǒng)初始化的作用是使系統(tǒng)上電后兩路偏振片有相同的起始狀態(tài)。利用接近傳感器周期性校正齒輪的空回誤差可以消除由于電機空回造成的系統(tǒng)誤差累積，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。在探測路中的感應金屬、接近傳感器內(nèi)容同上。

該裝置的云臺7的應用可以使裝置進行360°范圍內(nèi)目標搜索定位，云臺可以上、下、左、右四個方向旋轉(zhuǎn)。采集路電機帶動該路偏振片始終保持勻速轉(zhuǎn)動，探測路步進 電機會隨場景變化帶動該路偏振片旋轉(zhuǎn)到不同的消光角度。采集路相機1將實時采集到的視頻信號傳輸給信號處理器9并輸出至采集路顯示屏10顯示；信號處理器9根據(jù)接收到的采集路視頻信號進行消光態(tài)判別，控制探測路電機帶動探測路偏振片旋轉(zhuǎn)到相應的消光角度，同時探測路相機將采集到的實時消光視頻信號直接輸出至探測路顯示屏顯示11。

下面結(jié)合實例對本發(fā)明的方法實現(xiàn)過程進一步說明。如圖4所示，以友晶DE2-115多媒體FPGA開發(fā)板為實驗平臺，實驗利用圖像大小為640×480，幀頻為15Hz的黑白CCD相機作為采集路相機，利用圖像大小為640×480，幀頻為15Hz的黑白CCD相機作為探測路相機。實驗利用太陽光和燈光作為光源，利用水面和刻字木板作為探測對象。具體操作步驟如下：

1.根據(jù)本發(fā)明步驟一所述，將兩路偏振片的偏振0°方向進行預先標定：將兩路感應金屬分別撥到接近傳感器正前方，此時先安裝好第一路偏振片，再安裝第二路偏振片，保證兩路偏振片的0°偏振方向相互平行，系統(tǒng)上電時，F(xiàn)PGA先利用接近傳感器控制兩路偏振片轉(zhuǎn)到同步位置，以完成雙路偏振同步初始化。

2.根據(jù)本發(fā)明步驟二所述，完成偏振同步初始化后，F(xiàn)PGA控制一路采集路電機帶動采集路偏振片不斷勻速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速為30r/min，同時采集路CCD相機開始采集圖像，F(xiàn)PGA將采集到的圖像進行高斯濾波，然后將經(jīng)過濾波后的圖像的亮度信號Y儲存在開發(fā)板上的SDRAM里，F(xiàn)PGA讀取SDRAM中每一幀圖像亮度數(shù)據(jù)Y，并計算一幀圖像中所有像素點的亮度和S_i。結(jié)合相機15f/s的幀頻和偏振片3r/min的轉(zhuǎn)速可知，偏振片每轉(zhuǎn)180度，F(xiàn)PGA能得到15幀圖像的像素亮度和數(shù)據(jù)，即S₁...S₁₅。在FPGA采集圖像的亮度像素和數(shù)據(jù)的同時，F(xiàn)PGA通過記錄步進電機的前進步數(shù)K，結(jié)合接近傳感器的應用，可以得到每一幀像素亮度和對應的偏振角度。

3.根據(jù)本發(fā)明步驟三所述，對采集路采集到的一個周期內(nèi)的15幀圖像，進行消光態(tài)判別：FPGA對采集路采集到的一個周期內(nèi)的15幀圖像的像素亮度和S₁...S₁₅，并比較出這15幀圖像中的最大像素亮度和S_max和最小像素亮度和S_min，根據(jù)式(1)計算出消光比。

Ratio＝S_min/S_max (1)

其中，Ratio為當前場景的消光比。

通過查詢S_min對應的步進電機從初始位置開始所前進的步數(shù)K_min，根據(jù)式(2)，計算出最佳消光角度。

Ang_min＝ang×K_min-ang_int (2)

其中，Ang_min為最佳消光角度，ang為步進電機的步進角度，ang_int為初始化后偏振片的初始角度。

4.根據(jù)本發(fā)明步驟四所述，采集路根據(jù)FPGA給出的最佳消光角度進行實時消光：探測路電機帶動探測路偏振片轉(zhuǎn)到最佳消光角度Ang_min，根據(jù)式(3)來計算探測路步進電機需要前進或后退的步數(shù)。

K_advance＝K_min-K_current (3)

其中，K_advance為探測路電機需要前進或后退的步數(shù)，K_current為探測路步進電機前進到當前的位置所走過的步數(shù)。若K_advance為正，則探測路電機前進K_advance步，若為負，則后退K_advance步。從而實時控制探測路偏振片轉(zhuǎn)到最佳消光位置，使得探測路CCD相機能夠始終探測消光之后的圖像。并且，F(xiàn)PGA實時顯示消光角度Ang_min和消光比Ratio等消光參數(shù)信息。同時，采集路和探測路偏振片每經(jīng)過接近傳感器所在的初始位置，F(xiàn)PGA內(nèi)部的步進電機計數(shù)器K清零，從而減少由于電機空回等原因造成的系統(tǒng)誤差。

實驗結(jié)果如圖5所示，(a)是消光之前的在波光粼粼的水面上的太陽耀斑，完全看不清水下目標，(b)是利用本發(fā)明方法進行實時消光之后的圖像，可以看到無論水面狀況怎么變動，水面的太陽耀斑都被實時消除了，可以看清水下目標。如圖6所示，(a)是消光之前的夜晚刻字木板上臺燈的反射光，完全看不清木板上所刻的字，(b)是利用本發(fā)明方法進行實時消光之后的圖像，可以到看木板上臺燈的放射光被消除了，可以清楚的看到木板上刻的字。

綜上所述，本發(fā)明結(jié)合偏振片，步進電機，接近傳感器等，利用偏振原理，采用雙路視頻系統(tǒng)對場景進行實時消光，并實時顯示消光角度，消光比等消光參數(shù)信息。結(jié)果表明，該方法不僅對靜止的場景有著較好的消光效果，而且對變化的場景也能進行實時消光。