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(fā)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(fā)明方法模擬螳螂蝦復(fù)眼，采集拮抗對偏振信號，建立偏振拮抗模型，設(shè)計拮抗模型的調(diào)諧因子，調(diào)控各個方向的偏振敏感度，得到偏振拮抗參數(shù)，進而得到偏振度參數(shù)和合成光強參數(shù)，最后通過光電轉(zhuǎn)換模型完成從光強矩陣到成像面上像元灰度的轉(zhuǎn)換，得到各參數(shù)圖像。本發(fā)明方法增強了偏振響應(yīng)信號的幅度，降低了光照不均引起的影響，改善了偏振參數(shù)圖像中目標(biāo)與背景之間的對比度，提高了水下目標(biāo)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(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水下成像【技術(shù)領(lǐng)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(shù)】
[0002]在水下環(huán)境中由于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(shù)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(shù)能同時得到直觀的各偏振參數(shù)灰度圖和各觀測點的詳細(xì)偏振數(shù)據(jù)信息。但由于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(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，最終導(dǎo)致計算出的傳統(tǒng)的Stokes偏振參數(shù)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(huán)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(yōu)勢，生物的這種視覺機制給我們提供了一個可借鑒的技術(shù)路線。
[0003]海洋生物螳螂蝦擁有世界上最復(fù)雜的眼睛結(jié)構(gòu)，不僅能識別線偏振光，而且還能感知圓偏振光，它們借助其視覺優(yōu)勢能在低照度、強散射介質(zhì)中準(zhǔn)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(zhì)中的傳輸特性，準(zhǔn)確地獲取與目標(biāo)之間的深度信息，并進行準(zhǔn)確定位，螳螂蝦種類繁多，全世界約有400多種，文中數(shù)據(jù)主要來源于大趾蝦蛄總科中的齒蝦蛄科類,它們往往棲居于較深的水域內(nèi)，為了能看清周圍的物體，螳螂蝦的眼睛進化得越來越復(fù)雜，對黃綠光的偏振感知能力最強。螳螂蝦復(fù)眼被劃分成三個區(qū)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(xì)胞構(gòu)成，分別為R1-R7和R8。根據(jù)微絨毛的排列方向分為三組，第一組是Rl，R4和R5感光細(xì)胞，第二組是R2，R3，R6和R7感光細(xì)胞，第三組是R8感光細(xì)胞。前兩組的感光細(xì)胞中微絨毛的排列方向呈組內(nèi)平行組間垂直狀態(tài)，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(chǎn)生新的響應(yīng)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(xì)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(xì)胞在黃綠光波附為1/4 λ波片將感知到的圓偏振光轉(zhuǎn)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采集和計算,可以研究出更有效的用于表征目標(biāo)偏振信息的偏振參數(shù)及其計算方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是為了克服現(xiàn)有技術(shù)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(fā)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采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(shù)、偏振度參數(shù)、合成光強參數(shù)計算方法。
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)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，采集六個偏振信號，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，判斷是否采集到六個偏振信號，若是，執(zhí)行步驟E ;否則執(zhí)行步驟C ；
[0009]步驟C，判斷采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(zhí)行步驟D ;否則，返回執(zhí)行步驟A ；
[0010]步驟D，根據(jù)已采集的三個線偏振光強和一個圓偏振光強，通過計算，分別得到未采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(shù)；
[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(shù)學(xué)模型，并在模型中設(shè)置調(diào)諧因子調(diào)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(shù)；分別為30°方向偏振拮抗參數(shù)Sh、120°方向偏振拮抗參數(shù)Sv、左旋偏振拮抗參數(shù)S1、右旋偏振拮抗參數(shù)&、75°方向偏振拮抗參數(shù)St^P 165°方向偏振拮抗參數(shù)S-d;
[0015]所述偏振拮抗數(shù)學(xué)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:
[0016]S0 ? =\ */?) — & ^I(O2)
[0017]I ( Θ D和I ( Θ 2)表不入射光線經(jīng)過不同偏振片后輸出的偏振光光強；
[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(diào)諧因子，h ，O I SI;
[0020]表不偏振拮抗模型輸出的響應(yīng)信號；
[0021]步驟G，基于得到的六個偏振拮抗參數(shù)，計算得到偏振度參數(shù)DOP和合成光強參數(shù)I ;
[0022]步驟H，利用光電轉(zhuǎn)換模型將參數(shù)矩陣轉(zhuǎn)換成像元灰度矩陣，得到Sh、Sv、S1, Sr、Sd、S_d、D0P和I八個參數(shù)圖像。
[0023]步驟D中，所述得到未采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(jù)任意偏振態(tài)的總光強等于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(fā)明的有益效果是:本發(fā)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(fā)明方法模擬螳螂蝦復(fù)眼，采集拮抗對偏振信號，建立偏振拮抗模型，設(shè)計拮抗模型的調(diào)諧因子，調(diào)控各個方向的偏振敏感度，得到偏振拮抗參數(shù)，進而得到偏振度參數(shù)和合成光強參數(shù)，最后通過光電轉(zhuǎn)換模型完成從光強矩陣到成像面上像元灰度的轉(zhuǎn)換，得到各參數(shù)圖像。本發(fā)明方法增強了偏振響應(yīng)信號的幅度，降低了光照不均引起的影響，改善了偏振參數(shù)圖像中目標(biāo)與背景之間的對比度，提高了水下目標(biāo)檢測的精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明本發(fā)明實施的流程圖。
[0026]圖2為本發(fā)明的仿螳螂蝦視覺偏振拮抗模型。
[0027]圖3為本發(fā)明的拮抗運算數(shù)學(xué)模型。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)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(xì)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，采集六個偏振信號，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，判斷是否采集到六個偏振信號，若是，執(zhí)行步驟E，否則執(zhí)行步驟C ；
[0033]步驟C，判斷采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(zhí)行步驟D，否則，返回執(zhí)行步驟A ；
[0034]步驟D，根據(jù)任意偏振態(tài)的總光強等于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采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采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(shù)學(xué)模型，并在模型中設(shè)置調(diào)諧因子調(diào)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(shù)，分別為30°方向偏振拮抗參數(shù)Sh、120°方向偏振拮抗參數(shù)Sv、左旋偏振拮抗參數(shù)S1、右旋偏振拮抗參數(shù)Sp 75°方向偏振拮抗參數(shù)Sd和165°方向偏振拮抗參數(shù)S_d ；；
[0036]步驟F，基于得到的六個偏振拮抗參數(shù)，根據(jù)馬呂斯定律，計算得到偏振度參數(shù)DOP和合成光強參數(shù)I ;
[0037]步驟G，利用光電轉(zhuǎn)換模型將參數(shù)矩陣轉(zhuǎn)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(shù)圖像。水下偏振拮抗信號的采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(shè)計采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(xì)胞感知左旋圓偏振光和右旋圓偏振光，設(shè)計采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(shè)計采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(fā)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(yīng)的拮抗通道中，設(shè)計采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(chǎn)生新的響應(yīng)信號作為拮抗通道的最終輸出，根據(jù)輸出的六個偏振拮抗參數(shù)計算得到偏振度參數(shù)、合成光強參數(shù)以及其他偏振表征參數(shù)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(chǎn)生新的響應(yīng)信號的數(shù)學(xué)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，并在模型中設(shè)置了調(diào)諧因子調(diào)控對拮抗信號的增強和抑制。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:
[0040]
【權(quán)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，其特征在于，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，采集六個偏振信號，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，判斷是否采集到六個偏振信號，若是，執(zhí)行步驟E ;否則執(zhí)行步驟C ； 步驟C，判斷采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(zhí)行步驟D ;否則，返回執(zhí)行步驟A ； 步驟D，根據(jù)已采集的三個線偏振光強和一個圓偏振光強，通過計算，分別得到未采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(shù)； 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(shù)學(xué)模型，并在模型中設(shè)置調(diào)諧因子調(diào)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(shù)；分別為30°方向偏振拮抗參數(shù)Sh、120°方向偏振拮抗參數(shù)Sv、左旋偏振拮抗參數(shù)S1、右旋偏振拮抗參數(shù)Sp75°方向偏振拮抗參數(shù)Sd和165°方向偏振拮抗參數(shù)S_d ；所述偏振拮抗數(shù)學(xué)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為: I ( θ ι)和I ( Θ 2)表不入射光線經(jīng)過不同偏振片后輸出的偏振光光強； 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(diào)諧因子，\ >I，O<& Si;
表不偏振拮抗模型輸出的響應(yīng)信號； 步驟G，基于得到的六個偏振拮抗參數(shù)，計算得到偏振度參數(shù)DOP和合成光強參數(shù)I ;步驟H，利用光電轉(zhuǎn)換模型將參數(shù)矩陣轉(zhuǎn)換成像元灰度矩陣，得到Sh、Sv、S1, Sr, Sd、S_d、DOP和I八個參數(shù)圖像。
2.根據(jù)權(quán)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，其特征在于，步驟D中，所述得到未采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(yōu)先權(quán)日:2014年3月7日
【發(fā)明者】沈潔, 王慧斌, 陳晶晶, 李臣明, 張麗麗 申請人:河海大學(xué)