一種偏振視覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與幾何標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本專利主要涉及視覺(jué)傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和標(biāo)定,特別涉及一種偏振視覺(jué)傳感器結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)與幾何標(biāo)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 動(dòng)物的導(dǎo)航方式非常奇特,其導(dǎo)航機(jī)理還沒(méi)有被人類完全理解和掌握,仿生導(dǎo)航 已成為目前導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域研究的新熱點(diǎn)?;诖笞匀坏纳锵到y(tǒng)的模擬仿生感知技術(shù),為 導(dǎo)航技術(shù)的新發(fā)展提供了啟示。許多生物(沙蟻、蝗蟲(chóng)、蜜蜂、糞金龜、部分鳥(niǎo)類及魚類等), 能夠利用它們獨(dú)特的眼睛結(jié)構(gòu),感知并利用光的偏振現(xiàn)象,生物的偏振視覺(jué)可以幫助它們 進(jìn)行導(dǎo)航定位、目標(biāo)識(shí)別、甚至通訊交流等。
[0003] 生物的偏振視覺(jué)可以幫助它們快速地發(fā)現(xiàn)食物和識(shí)別環(huán)境,這是由于偏振態(tài)提供 了除亮度和顏色外,光的另外一個(gè)重要的信息。水生甲蟲(chóng)可以感知水面反射的水平方向的 偏振光從而探測(cè)水面,而水面探測(cè)對(duì)于無(wú)人車的野外駕駛是至關(guān)重要的;另外偏振視覺(jué)可 以幫助生物尋找食物和躲避天敵。研究表明,通過(guò)分析場(chǎng)景中偏振光的信息,從而更好地理 解場(chǎng)景,進(jìn)而恢復(fù)場(chǎng)景中的信息;偏振視覺(jué)可以應(yīng)用于圖像去霧、對(duì)比度增強(qiáng)等,甚至可以 用來(lái)估計(jì)場(chǎng)景的深度信息。
[0004] 目前各單位研制的偏振光傳感器主要可以分為兩大類:點(diǎn)測(cè)量式和圖像測(cè)量式。 前者一次采樣只能測(cè)量一個(gè)方向上的偏振信息,因此容易受到環(huán)境的干擾、魯棒性不強(qiáng);最 近的研究更側(cè)重于圖像測(cè)量式的偏振視覺(jué)傳感器,因?yàn)樗梢酝瑫r(shí)測(cè)量視角范圍內(nèi)的整個(gè) 區(qū)域的偏振信息。文獻(xiàn)(Design of a Device for Sky Light Polarization Measurements[J].WANG Y,HU X,LIAN J,et al.Sensors,2014,14(8):14916-14931.)中設(shè) 計(jì)了基于魚眼鏡頭和旋轉(zhuǎn)偏振片的偏振光測(cè)量裝置,它可以測(cè)量整個(gè)天空的偏振信息,然 而,由于要手動(dòng)旋轉(zhuǎn)偏振片,該裝置不能安裝在動(dòng)態(tài)載體上實(shí)時(shí)測(cè)量。因此,尋找一種可實(shí) 時(shí)測(cè)量區(qū)域天空偏振模態(tài)的偏振視覺(jué)傳感器具有重要的應(yīng)用價(jià)值。為了提高其測(cè)量精度和 魯棒性,還需優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、標(biāo)定并補(bǔ)償安裝誤差。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題就在于:如何實(shí)現(xiàn)基于四相機(jī)的偏振視覺(jué)傳感器的結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)、偏振片光軸方向設(shè)計(jì)、多相機(jī)間安裝誤差的補(bǔ)償問(wèn)題。
[0006] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題,本發(fā)明提出的解決方案為:
[0007] -種偏振視覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與幾何標(biāo)定方法,包括以下步驟:
[0008] (1)四目偏振相機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
[0009] 偏振視覺(jué)傳感器主要由四個(gè)CCD(Charge_Coupled Device)相機(jī)、四個(gè)廣角鏡頭、 四個(gè)偏振片組成,四個(gè)相機(jī)分布在正方形的頂點(diǎn)上,與直線排列相比,正方形的分布可以 使得四相機(jī)重疊的視場(chǎng)最大,減小相機(jī)間的視差(圖1所示);四個(gè)相機(jī)由同步控制器觸發(fā)采 樣,保證相機(jī)能夠同步采集數(shù)據(jù);相機(jī)采集的數(shù)據(jù)由千兆網(wǎng)經(jīng)交換機(jī)傳送給計(jì)算機(jī),而后進(jìn) 行偏振態(tài)解算(圖3所示);
[0010] (2)偏振片光軸方向設(shè)計(jì)
[0011] 四個(gè)偏振片固定在鏡頭的后面、CCD傳感器前面,偏振片的通光軸方向按照0°、 45°、90°、135°的角度安裝(圖2所示);偏振片的這種安裝方向使得偏振態(tài)求解時(shí)的誤差最 小;另外,冗余的配置保證了偏振相機(jī)的可靠性,當(dāng)任一相機(jī)故障時(shí),系統(tǒng)仍可正常工作;
[0012] ⑶偏振態(tài)求解
[0013] 對(duì)于一束偏振光,它的參數(shù)可以通過(guò)三次不相關(guān)的測(cè)量估計(jì)出來(lái);本發(fā)明中的偏 振視覺(jué)傳感器采用冗余配置,在進(jìn)行偏振態(tài)解算時(shí)可以利用最小二乘估計(jì)獲得最優(yōu)的估計(jì) 值如下,
[0014]
[0015] 其中,so、S1、S2為偏振光的斯托克斯參數(shù),Do和f分別為:
[0016]
[0017] 其中t為經(jīng)過(guò)校正后的第j個(gè)相機(jī)的亮度值,Φ」是第j個(gè)偏振片的光軸方向相對(duì)于 參考方向的夾角;
[0018] (4)多相機(jī)幾何標(biāo)定。
[0019] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn),步驟(4)中所述的多相機(jī)幾何標(biāo)定方法為:
[0020] (a)單獨(dú)標(biāo)定各個(gè)相機(jī)的內(nèi)參數(shù)Cam=[f;C; a;k]1Qxl,并建立各相機(jī)間的幾何約束 (//); =[0/?;/];;
[0021 ] 其中,f 2X1為焦距,C2X1為光軸的中心,a為傾斜因子,k5Xl為鏡頭的畸變參數(shù),ΟΠ 13Χ1 為羅得里格斯參數(shù),它定義了三維空間中的一個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量,t3xl表示一個(gè)三維空間中的平移 矢量;
[0022] (b)定義全局的待估計(jì)的參數(shù):
[0023]
[0024 ]其中Ncam為相機(jī)的個(gè)數(shù),Nv i e w為每個(gè)相機(jī)拍攝的圖片的個(gè)數(shù);
[0025] (c)對(duì)于世界坐標(biāo)系中的一個(gè)特征點(diǎn)X'建立其在圖像中投影方程:
[0026] ? ,(r/), Λ' )
[0027] 計(jì)算雅可比矩陣J,它由投影方程對(duì)各個(gè)參數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)構(gòu)成;
[0028] (d)估計(jì)參數(shù)誤差δρ=α^)Λ?τβ,為了減小由線性化引入的誤差,提高參數(shù)估計(jì) 精度,利用Gauss-Newton迭代求解。
【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1為本發(fā)明中基于四相機(jī)的偏振視覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖;
[0030]圖2偏振視覺(jué)傳感器實(shí)物圖及偏振片光軸方向示意圖;
[0031] 圖3四相機(jī)同步采集系統(tǒng)流程圖;
[0032] 圖4偏振視覺(jué)傳感器幾何標(biāo)定算法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]以下將結(jié)合說(shuō)明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0034]本發(fā)明涉及的一種偏振視覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與幾何標(biāo)定方法,該方法首先設(shè)計(jì)了 基于四相機(jī)的偏振視覺(jué)傳感器的結(jié)構(gòu)以及四個(gè)偏振片的安裝位置及方向(圖1、圖2所示), 然后設(shè)計(jì)了基于最小二乘的偏振態(tài)求解算法,最后設(shè)計(jì)了基于平面特征的多相機(jī)幾何標(biāo)定 方法。
[0035]本發(fā)明的具體內(nèi)容包括:
[0036] 1.偏振相機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
[0037] 偏振視覺(jué)傳感器主要由四個(gè)CCD(Charge_Coupled Device)相機(jī)、四個(gè)廣角鏡頭、 四個(gè)偏振片組成,四個(gè)相機(jī)分布在正方形的頂點(diǎn)上,與直線排列相比,正方形的分布可以使 得四相機(jī)重疊的視場(chǎng)最大,減小相機(jī)間的視差(圖1所示);四個(gè)相機(jī)由同步控制器觸發(fā)采 樣,保證相機(jī)能夠同步采集數(shù)據(jù);相機(jī)采集的數(shù)據(jù)由千兆網(wǎng)經(jīng)交換機(jī)傳送給計(jì)算機(jī),而后進(jìn) 行偏振態(tài)解算(圖3所示)。
[0038] 2.偏振片光軸方向設(shè)計(jì)
[0039]四個(gè)偏振片固定在鏡頭的后面、CCD傳感器前面,偏振片的通光軸方向按照0°、 45°、90°、135°的角度安裝(圖2所示);偏振片的這種安裝方向使得偏振態(tài)求解時(shí)的誤差最 ??;另外,冗余的配置保證了偏振相機(jī)的可靠性,當(dāng)任一相機(jī)故障時(shí),系統(tǒng)仍可正常工作。 [0040] 3.偏振態(tài)求解
[0041]對(duì)于某一方向的入射光,它的三個(gè)參數(shù)(I,d,Φ )可以通過(guò)三次不相關(guān)的測(cè)量估計(jì) 出來(lái),因此需要將偏振片的光軸方向分布在幾個(gè)特定的方向。圖2中的偏振視覺(jué)傳感器在經(jīng) 過(guò)幾何標(biāo)定后,可以四個(gè)相機(jī)的像素點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)起來(lái),對(duì)于某一入射光P,四個(gè)相機(jī)的響應(yīng) 可以用下式描述:
[0042] fj( φ )=KI[l+d cos(2<i)-2<i)j)],j = l,2,3,4 (1)
[0043] 式中,t為經(jīng)過(guò)校正后的第j個(gè)相機(jī)的亮度值,K為相機(jī)的增益系數(shù),I為入射光的 光強(qiáng),d為偏振度,Φ為入射光的偏振方向與參考軸的夾角,Φ」是第j個(gè)偏振片的光軸方向 相對(duì)于參考方向的夾角。
[0044] 本發(fā)明中的偏振視覺(jué)傳感器屬于冗余配置,在進(jìn)行偏振態(tài)測(cè)量時(shí)可以利用最小二 乘估計(jì)獲得最優(yōu)的估計(jì)值。對(duì)于j 2 3的情況,將式(1)改寫如下:
[0045] fj( Φ ) =KId cos2