一種仿螳螂蝦視覺偏振拮抗感知的水下偏振成像方法
2023-10-17 23:48:24 1
一種仿螳螂蝦視覺偏振拮抗感知的水下偏振成像方法
【專利摘要】本發明提出一種仿螳螂蝦視覺偏振拮抗感知的水下偏振成像方法，本發明方法模擬螳螂蝦複眼，採集拮抗對偏振信號，建立偏振拮抗模型，設計拮抗模型的調諧因子，調控各個方向的偏振敏感度，得到偏振拮抗參數，進而得到偏振度參數和合成光強參數，最後通過光電轉換模型完成從光強矩陣到成像面上像元灰度的轉換，得到各參數圖像。本發明方法增強了偏振響應信號的幅度，降低了光照不均引起的影響，改善了偏振參數圖像中目標與背景之間的對比度，提高了水下目標檢測的精度。
【專利說明】一種仿螳螂蝦視覺偏振拮抗感知的水下偏振成像方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及水下成像【技術領域】，具體是指一種仿螳螂蝦視覺偏振拮抗感知的水下偏振成像方法。
【背景技術】
[0002]在水下環境中由於水體對光的吸收和散射作用較大，光能量在水中衰減迅速，水下40米的深度時，自然光中只有黃綠光存在，成像偏振測量技術把信息量從三維(光強、光譜以及空間)擴充到七維(光強、光譜、空間、偏振度、偏振方位角以及偏振橢率)，在水下利用偏振成像技術能同時得到直觀的各偏振參數灰度圖和各觀測點的詳細偏振數據信息。但由於受偏振器件在不同波段透光率不同、透光非均勻性等因素的影響，造成偏振圖像存在量測誤差和噪聲，降低了成像數據的準確性，最終導致計算出的傳統的Stokes偏振參數圖像存在較大誤差和噪聲。實際上，在低照度、強散射的水下環境中，很多生物都具有偏振感知能力，它們在感知及利用偏振信息方面具有很大優勢，生物的這種視覺機制給我們提供了一個可借鑑的技術路線。
[0003]海洋生物螳螂蝦擁有世界上最複雜的眼睛結構，不僅能識別線偏振光，而且還能感知圓偏振光，它們藉助其視覺優勢能在低照度、強散射介質中準確地捕獲到各種偽裝(顏色跟水體顏色相近)的獵物，同時利用偏振光在散射介質中的傳輸特性，準確地獲取與目標之間的深度信息，並進行準確定位，螳螂蝦種類繁多，全世界約有400多種，文中數據主要來源於大趾蝦蛄總科中的齒蝦蛄科類,它們往往棲居於較深的水域內，為了能看清周圍的物體，螳螂蝦的眼睛進化得越來越複雜，對黃綠光的偏振感知能力最強。螳螂蝦複眼被劃分成三個區域:中央帶，背部半球以及腹部半球，其中，背部與腹部半球小眼感知線偏振光，中央帶第5和第6行小眼感知圓偏振光，螳螂蝦的小眼由8個感光細胞構成，分別為R1-R7和R8。根據微絨毛的排列方向分為三組，第一組是Rl，R4和R5感光細胞，第二組是R2，R3，R6和R7感光細胞，第三組是R8感光細胞。前兩組的感光細胞中微絨毛的排列方向呈組內平行組間垂直狀態，形成能夠感知一對正交偏振光的感光通道，信號組成一組拮抗，它們通過增強某個信號和抑制另一個信號的拮抗運算方式產生新的響應信號作為感光通道的最終輸出。對空間中同一點觀察時，背部和腹部半球由R1-R7感光細胞完成30°方向、120°方向、75°方向和165°方向線偏振光的感知,組成四組拮抗信號。中央帶第5和第6行小眼感知左旋和右旋圓偏振光組成兩組拮抗偏振信號，且R8感光細胞在黃綠光波附為1/4 λ波片將感知到的圓偏振光轉換成線偏振光，線偏振光的方向分別為-45°和45°。
[0004]通過仿螳螂蝦視覺感知機制，同時完成線偏振和圓偏振信息的採集和計算,可以研究出更有效的用於表徵目標偏振信息的偏振參數及其計算方法。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是為了克服現有技術的不足，提出一種仿螳螂蝦視覺偏振拮抗感知的水下偏振成像方法。本發明方法包括仿螳螂蝦視覺偏振對立感知機制的水下偏振拮抗信號的採集和仿螳螂蝦視覺偏振對立感知機制的水下對立偏振參數、偏振度參數、合成光強參數計算方法。
[0006]為了解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是:一種仿螳螂蝦視覺偏振拮抗感知的水下偏振成像方法，包括如下步驟:
[0007]步驟A，通過仿螳螂蝦視覺偏振對立感知機制，採集六個偏振信號，分別是30°、120°、75°、165° 四個方向的線偏振光強 1(30° )、1(120° )、1(75° )、1(165° )和左旋、右旋兩個方向的圓偏振光強Ir ;
[0008]步驟B，判斷是否採集到六個偏振信號，若是，執行步驟E ;否則執行步驟C ；
[0009]步驟C，判斷採集的偏振信號是否包含了三個線偏振光強和一個圓偏振光強，若是，執行步驟D ;否則，返回執行步驟A ；
[0010]步驟D，根據已採集的三個線偏振光強和一個圓偏振光強，通過計算，分別得到未採集到的一個線偏振光強和一個圓偏振光強；
[0011]步驟E，組成六組偏振拮抗信號；
[0012]將每兩個偏振信號組成兩組偏振拮抗信號，包括四組線偏振拮抗信號和兩組圓偏振拮抗信號；所述四組線偏振拮抗信號分別為:30° /120°、120° /30°、75。/165°以及165° /75° ;所述兩組圓偏振拮抗信號分別為:左旋/右旋、右旋/左旋；
[0013]步驟F，獲取偏振拮抗參數；
[0014]六組偏振拮抗信號分別輸入六個偏振拮抗通道，每個通道中具有偏振拮抗數學模型，並在模型中設置調諧因子調控對拮抗偏振信號的增強和抑制，六個偏振拮抗通道輸出六個偏振拮抗參數；分別為30°方向偏振拮抗參數Sh、120°方向偏振拮抗參數Sv、左旋偏振拮抗參數S1、右旋偏振拮抗參數&、75°方向偏振拮抗參數St^P 165°方向偏振拮抗參數S-d;
[0015]所述偏振拮抗數學模型的數學表達式為:
[0016]S0 ? =\ */?) — & ^I(O2)
[0017]I ( Θ D和I ( Θ 2)表不入射光線經過不同偏振片後輸出的偏振光光強；
[0018]Θ JP Θ 2表不光的振動方向與偏振片主光軸之間的夾角，滿足Θ片Θ 2=90° ,即保證I ( Θ D和I ( Θ 2)為一組偏振拮抗信號；
[0019]夂和~為調諧因子，h ，O I SI;
[0020]表不偏振拮抗模型輸出的響應信號；
[0021]步驟G，基於得到的六個偏振拮抗參數，計算得到偏振度參數DOP和合成光強參數I ;
[0022]步驟H，利用光電轉換模型將參數矩陣轉換成像元灰度矩陣，得到Sh、Sv、S1, Sr、Sd、S_d、D0P和I八個參數圖像。
[0023]步驟D中，所述得到未採集到的一個線偏振光強和一個圓偏振光強，其具體方法是:根據任意偏振態的總光強等於由它分解的兩個互相垂直方向偏振光光強之和的原理，兩個互相垂直的線偏振光強之和減去一個線偏振光光強得到另一個線偏振光光強；兩個互相垂直的線偏振光強之和減去一個圓偏振光光強得到另一個圓偏振光光強。
[0024]本發明的有益效果是:本發明提出一種仿螳螂蝦視覺偏振拮抗感知的水下偏振成像方法，本發明方法模擬螳螂蝦複眼，採集拮抗對偏振信號，建立偏振拮抗模型，設計拮抗模型的調諧因子，調控各個方向的偏振敏感度，得到偏振拮抗參數，進而得到偏振度參數和合成光強參數，最後通過光電轉換模型完成從光強矩陣到成像面上像元灰度的轉換，得到各參數圖像。本發明方法增強了偏振響應信號的幅度，降低了光照不均引起的影響，改善了偏振參數圖像中目標與背景之間的對比度，提高了水下目標檢測的精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1是本發明本發明實施的流程圖。
[0026]圖2為本發明的仿螳螂蝦視覺偏振拮抗模型。
[0027]圖3為本發明的拮抗運算數學模型。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖，對本發明提出的一種仿螳螂蝦視覺偏振拮抗感知的水下偏振成像方法進行詳細說明:
[0029]圖1為仿螳螂蝦視覺偏振拮抗感知機制的水下偏振成像方法實施的流程圖，實施過程拮抗
[0030]主要包括如下步驟:
[0031]步驟A，通過仿螳螂蝦視覺偏振對立感知機制，採集六個偏振信號，分別是30°、120°、75°、165° 四個方向的線偏振光強 1(30° )、1(120° )、1(75° )、1(165° )和左旋、右旋兩個方向圓偏振光強Ir ;
[0032]步驟B，判斷是否採集到六個偏振信號，若是，執行步驟E，否則執行步驟C ；
[0033]步驟C，判斷採集的偏振信號中是否至少包含相異的三個線偏振光強和一個圓偏振光強，若是，執行步驟D，否則，返回執行步驟A ；
[0034]步驟D，根據任意偏振態的總光強等於由它分解的兩個互相垂直方向偏振光光強之和的原理，通過兩個互相垂直的線偏振光強之和減去另一個線偏振光光強可計算得到採集失敗的線偏振光光強；兩個互相垂直的線偏振光強之和減去一個圓偏振光光強可計算得到另一個採集失敗的圓偏振光光強；
[0035]步驟E，將每兩個偏振信號組成兩組偏振拮抗信號，可組成四組線偏振拮抗信號和兩組圓偏振拮抗信號，四組線偏振拮抗信號分別為:30° /120°、120° /30°、75。/165°以及165° /75°，兩組圓偏振拮抗信號分別為:左旋/右旋、右旋/左旋；六組偏振拮抗信號分別輸入六個偏振拮抗通道，每個通道中具有偏振拮抗數學模型，並在模型中設置調諧因子調控對拮抗偏振信號的增強和抑制，六個偏振拮抗通道輸出得到六個偏振拮抗參數，分別為30°方向偏振拮抗參數Sh、120°方向偏振拮抗參數Sv、左旋偏振拮抗參數S1、右旋偏振拮抗參數Sp 75°方向偏振拮抗參數Sd和165°方向偏振拮抗參數S_d ；；
[0036]步驟F，基於得到的六個偏振拮抗參數，根據馬呂斯定律，計算得到偏振度參數DOP和合成光強參數I ;
[0037]步驟G，利用光電轉換模型將參數矩陣轉換成像元灰度矩陣，得到Sh、Sv、S1, Sr,Sd、S_d以及DOP和1_八個參數圖像。水下偏振拮抗信號的採集分別是模擬背部半球小眼感知的30°方向和120°方向信號，設計採用兩組線偏振拮抗信號分別為:30° /120°、120° /30°，模擬中央帶第五和第六行小眼感光細胞感知左旋圓偏振光和右旋圓偏振光，設計採用兩組圓偏振拮抗信號分別為:左旋/右旋、右旋/左旋，模擬腹部半球小眼感知的75°方向和165°方向信號，設計採用兩組線偏振拮抗信號分別為:75° /165。以及165。/75。。
[0038]圖2為本發明的仿螳螂蝦視覺偏振拮抗模型。它模擬螳螂蝦偏振拮抗感知機制，兩個相互垂直的偏振信號組成一組拮抗輸入到對應的拮抗通道中，設計採用的六組拮抗信號分別是:30° /120°、120° /30°、75° /165°、165° /75°以及左旋/右旋、右旋/左旋，六組拮抗信號在偏振拮抗模型中進行線性相減的拮抗運算，產生新的響應信號作為拮抗通道的最終輸出，根據輸出的六個偏振拮抗參數計算得到偏振度參數、合成光強參數以及其他偏振表徵參數信號。
[0039]圖3是圖2中一組拮抗信號通過一種線性相減的拮抗運算方式產生新的響應信號的數學模型。通過該線性減法模型模擬螳螂蝦處理相互正交偏振信號的拮抗過程，輸入是一組偏振拮抗信號，輸出是拮抗信號之間的差值，並在模型中設置了調諧因子調控對拮抗信號的增強和抑制。其數學表達式為:
[0040]
【權利要求】
1.一種仿螳螂蝦視覺偏振拮抗感知的水下偏振成像方法，其特徵在於，包括如下步驟: 步驟A，通過仿螳螂蝦視覺偏振對立感知機制，採集六個偏振信號，分別是30 °、120°、75°、165° 四個方向的線偏振光強 1(30° )、1(120° )、1(75° )、1(165° )和左旋、右旋兩個方向的圓偏振光強； 步驟B，判斷是否採集到六個偏振信號，若是，執行步驟E ;否則執行步驟C ； 步驟C，判斷採集的偏振信號是否包含了三個線偏振光強和一個圓偏振光強，若是，執行步驟D ;否則，返回執行步驟A ； 步驟D，根據已採集的三個線偏振光強和一個圓偏振光強，通過計算，分別得到未採集到的一個線偏振光強和一個圓偏振光強； 步驟E，組成六組偏振拮抗信號； 將每兩個偏振信號組成兩組偏振拮抗信號，包括四組線偏振拮抗信號和兩組圓偏振拮抗信號；所述四組線偏振拮抗信號分別為:30° /120°、120° /30°、75。/165°以及165° /75° ;所述兩組圓偏振拮抗信號分別為:左旋/右旋、右旋/左旋； 步驟F，獲取偏振拮抗參數； 六組偏振拮抗信號分別輸入六個偏振拮抗通道，每個通道中具有偏振拮抗數學模型，並在模型中設置調諧因子調控對拮抗偏振信號的增強和抑制，六個偏振拮抗通道輸出六個偏振拮抗參數；分別為30°方向偏振拮抗參數Sh、120°方向偏振拮抗參數Sv、左旋偏振拮抗參數S1、右旋偏振拮抗參數Sp75°方向偏振拮抗參數Sd和165°方向偏振拮抗參數S_d ；所述偏振拮抗數學模型的數學表達式為: I ( θ ι)和I ( Θ 2)表不入射光線經過不同偏振片後輸出的偏振光光強； 91和θ2表示光的振動方向與偏振片主光軸之間的夾角，滿足θ1+θ2=90°，即保證I ( θ ι)和I ( Θ 2)為一組偏振拮抗信號； K1和&2為調諧因子，\ >I，O<& Si;
表不偏振拮抗模型輸出的響應信號； 步驟G，基於得到的六個偏振拮抗參數，計算得到偏振度參數DOP和合成光強參數I ;步驟H，利用光電轉換模型將參數矩陣轉換成像元灰度矩陣，得到Sh、Sv、S1, Sr, Sd、S_d、DOP和I八個參數圖像。
2.根據權利要求1所述的一種仿螳螂蝦視覺偏振拮抗感知的水下偏振成像方法，其特徵在於，步驟D中，所述得到未採集到的一個線偏振光強和一個圓偏振光強，其具體方法是:兩個互相垂直的線偏振光強之和減去一個線偏振光光強得到另一個線偏振光光強；兩個互相垂直的線偏振光強之和減去一個圓偏振光光強得到另一個圓偏振光光強。
【文檔編號】G06T7/00GK103900696SQ201410081858
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月7日 優先權日:2014年3月7日
【發明者】沈潔, 王慧斌, 陳晶晶, 李臣明, 張麗麗 申請人:河海大學