一種水下全偏振信息采集處理裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種水下全偏振信息采集處理裝置和方法，由一個圓偏振相機(jī)、三個線偏振相機(jī)和FPGA板組成。三個線偏振相機(jī)并排置于圓偏振相機(jī)下方，并基于FPGA板控制目標(biāo)圖像的同步采集，完成全偏振信息采集；基于FPGA對采集的四幅偏振圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行偏振圖像參數(shù)解算，得到目標(biāo)的總光強(qiáng)、線偏振分量和圓偏振分量，完成偏振參數(shù)計算；全偏振信息采集裝置還可與上位機(jī)連接，將數(shù)據(jù)輸出到上位機(jī)上并顯示。該裝置和方法利于提取水下目標(biāo)信息和對目標(biāo)進(jìn)行探測。
【專利說明】一種水下全偏振信息采集處理裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及圖像采集【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種應(yīng)用于水下環(huán)境中全偏振信息采集處理裝置和方法。
【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，使水下成像呈現(xiàn)霧化效果，對比度較差。偏振成像系統(tǒng)采集目標(biāo)與背景的偏振信息，由于背景較為雜亂，造成背景反射光的偏振度均較低，而目標(biāo)反射光的偏振度卻比背景反射光的偏振度大很多，因此利用目標(biāo)與背景反射光的偏振信息差別可以較好的區(qū)分目標(biāo)與背景，因此，基于偏振成像設(shè)備對水下偏振信息采集將在未來的水下探測中具有廣泛應(yīng)用前景。
[0003]根據(jù)國外最新研究成果，圓偏振光被水粒子散射后，圓偏振狀態(tài)就會發(fā)生改變，而圓偏振光經(jīng)過目標(biāo)反射后圓偏振態(tài)改變較小，因此與陸地上偏振信息采集系統(tǒng)絕大多數(shù)是針對線偏振不同，在水下實現(xiàn)對偏振信息采集時增加對光的圓偏振分量采集更有利于提取目標(biāo)信息和對目標(biāo)進(jìn)行探測。
[0004]基于以上描述，同時完成線偏振和圓偏振信息的采集和計算，是一個全新的研究設(shè)計策略，本發(fā)明基于FPGA技術(shù)，設(shè)計一種水下全偏振信息采集處理裝置和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種水下全偏振信息采集處理裝置和方法，通過設(shè)計線偏振和圓偏振信息的集成采集裝置和計算方法，實現(xiàn)在水中對全偏振信息的采集和處理。
[0006]技術(shù)方案:一種水下全偏振信息采集處理裝置，主要包括全偏振信息采集和全偏振信息控制與處理兩個部分。全偏振信息采集部分是由一個圓偏振相機(jī)和三個線偏振相機(jī)組成。全偏振信息控制與處理部分是本裝置的核心，主要基于FPGA設(shè)計，包括電源、SRAMl(第一靜態(tài)隨機(jī)存儲器)、SRAM2 (第二靜態(tài)隨機(jī)存儲器)、FLASH配置芯片、FPGA芯片、一個D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器和串行接口。四個相機(jī)在I2C總線和觸發(fā)脈沖的控制下同步采集目標(biāo)圖像，并存入SRAMl中，完成全偏振信息采集。FPGA讀取SRAMl中四幅偏振圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行偏振圖像的參數(shù)解算，解算出目標(biāo)的總光強(qiáng)、線偏振分量和圓偏振分量，從而完成偏振參數(shù)計算，結(jié)果存入SRAM2中。在SRAM2存儲滿后，系統(tǒng)通過VGA輸出控制模塊將SRAM2中數(shù)據(jù)輸出到D/A，然后，通過串口和線纜自動輸出至上位機(jī)，并顯示圖像。
[0007]所述全偏振信息采集部分的結(jié)構(gòu)為:三個線偏振相機(jī)并排置于圓偏振相機(jī)下方，其中，三個線偏振相機(jī)中0°線偏振相機(jī)位于60°線偏振相機(jī)與120°線偏振相機(jī)中間，而圓偏振相機(jī)位于0°線偏振相機(jī)的正上方。
[0008]所述全偏振信息采集部分的同步曝光設(shè)計為:將FPGA的四路觸發(fā)脈沖輸出到與門，與門的輸出信號連接到四個偏振相機(jī)的CMOS傳感器的觸發(fā)脈沖輸入引腳，四個CMOS傳感器在觸發(fā)脈沖的控制下完成同時曝光。[0009]一種用于上述裝置的水下全偏振信息采集處理方法，包括如下步驟:
[0010]步驟一:開啟系統(tǒng)(系統(tǒng)即指上述裝置)電源，F(xiàn)LASH配置芯片將配置程序下載到FPGA上，F(xiàn)PGA首先初始化I2C總線控制器。
[0011 ] 步驟二:通過I2C總線控制器對四個CMOS傳感器、兩個SRAM和D/A進(jìn)行初始化配置，隨后FPGA利用自帶的PLL產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘；所述時鐘驅(qū)動整個系統(tǒng)的工作，并通過I2C總線輸入到CMOS傳感器、SRAMl、SRAM2、D/A中。
[0012]步驟三:通過FPGA對全偏振信息采集部分輸入同步曝光信號，CMOS傳感器根據(jù)圖像采集時序輸出10位像素數(shù)據(jù)和相應(yīng)的場信號、行信號、像素時鐘信號，F(xiàn)PGA根據(jù)場信號實現(xiàn)四通路圖像的讀入，由于CMOS傳感器采集圖像數(shù)據(jù)速率的限制，圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)部緩存存入SRAMl中。
[0013]步驟四:當(dāng)一幀圖像的存儲進(jìn)程結(jié)束后即執(zhí)行偏振參數(shù)計算進(jìn)程，偏振參數(shù)計算模塊讀取SRAMl中的數(shù)據(jù)，根據(jù)斯托克斯方程實現(xiàn)對偏振參數(shù)的解算，并將解算的結(jié)果存入SRAM2中，當(dāng)SRAM2存滿后將SRAM2的輸出控制位OE置為有效位。
[0014]所述全偏振參數(shù)的解算流程是:將存儲在SRAMl中的四幅原始偏振圖像讀入偏振參數(shù)解算模塊，根據(jù)斯托克斯方程解算出1、Q、U、V四個分量，解算出的四個結(jié)果有兩個數(shù)據(jù)流向，一個是經(jīng)偏振參數(shù)讀寫模塊存入SRAM2中，另一個是作為下一步計算的輸入，進(jìn)行線偏振度、全偏振度、線偏振角的計算，解算出的線偏振度、全偏振度、線偏振角存儲到SRAM2 中。
[0015]本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果:
[0016]本發(fā)明首次在水下環(huán)境中采用線偏振和圓偏振集成的四偏振相機(jī)，同步采集目標(biāo)的全偏振信息，依靠FPGA實現(xiàn)對系統(tǒng)各部分的配置，并依次實現(xiàn)偏振圖像采集控制、偏振圖像處理、偏振參數(shù)圖像存儲和偏振參數(shù)圖像的輸出功能。系統(tǒng)采集的水下目標(biāo)全偏振信息較普通的光強(qiáng)信息和線偏振信息更有利于水下目標(biāo)的識別檢測。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明實施例的裝置結(jié)構(gòu)原理圖；
[0018]圖2為本發(fā)明實施例的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3為本發(fā)明實施例的FPGA芯片內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)圖；
[0020]圖4為本發(fā)明實施例的方法流程圖；
[0021 ] 圖5為本發(fā)明實施例的FPGA外圍連接圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0023]如圖1所示，水下全偏振信息采集處理裝置，主要包括全偏振信息采集部分、全偏振信息控制與處理部分。全偏振信息采集部分包括一個圓偏振相機(jī)、三個線偏振相機(jī)。全偏振信息控制與處理部分包括電源、SRAMl、SRAM2、FLASH配置芯片、FPGA芯片、一個D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器和串行接口。[0024]現(xiàn)結(jié)合圖2對本發(fā)明裝置進(jìn)行說明，具體如下:本裝置包括防水罩1，串行輸出口2，電源開關(guān)口 3，0°線偏振相機(jī)4，60°線偏振相機(jī)5，120°線偏振相機(jī)6，圓偏振相機(jī)7，濾光片8。其中防水罩I由金屬外殼和濾光片8組成，防水罩I將整個全偏振信息采集處理裝置密封以便放于水下，濾光片8與偏振片和CMOS傳感器鏡頭相互平行，串行輸出口 2用于連接上位機(jī)時提供連接通道，電源開關(guān)口 3用于進(jìn)行全偏振信息采集時啟動系統(tǒng)電源，三個線偏振相機(jī)并排置于圓偏振相機(jī)下方，三個線偏振相機(jī)中0°線偏振相機(jī)4位于60°線偏振相機(jī)5與120°線偏振相機(jī)6中間，圓偏振相機(jī)7位于0°線偏振相機(jī)O的正上方。濾光片8置于四個相機(jī)前,此濾光片8為對光的偏振態(tài)有較小改變的濾光材料,防水罩I與濾光片8 —起組成整個系統(tǒng)的水下屏障。
[0025]如圖3所示，F(xiàn)PGA芯片功能模塊包括信息采集控制模塊、偏振參數(shù)計算模塊、偏振圖像讀寫控制模塊、偏振參數(shù)讀寫控制模塊、VGA輸出控制模塊。下面詳細(xì)敘述每個模塊的功能:
[0026]信息采集控制模塊完成對全偏振信息采集部分的控制，F(xiàn)PGA通過觸發(fā)脈沖觸發(fā)四個CMOS傳感器同時曝光，I2C總線對全偏振信息采集部分輸入圖像采集時鐘和配置數(shù)據(jù)，CMOS傳感器根據(jù)曝光信號和圖像采集時鐘產(chǎn)生圖像的場信號、行信號、像素時鐘和圖像數(shù)據(jù)。
[0027]偏振圖像讀寫控制模塊完成SRAMl中圖像數(shù)據(jù)的存儲和讀取功能，F(xiàn)PGA根據(jù)圖像的場信號、行信號和像素時鐘將圖像數(shù)據(jù)存儲到SRAMl中，當(dāng)圖像數(shù)據(jù)的存儲時序結(jié)束后，偏振參數(shù)計算模塊即執(zhí)行圖像數(shù)據(jù)的讀取時序，用于偏振參數(shù)圖像的解算。
[0028]
下:
偏振參數(shù)計算模塊完成偏振參數(shù)的解算，根據(jù)斯托克斯方程計算1、Q、U、V，公式如
【權(quán)利要求】
1.一種水下全偏振信息采集處理裝置，其特征在于:主要包括全偏振信息采集和全偏振信息控制與處理兩個部分；所述全偏振信息采集部分是由一個圓偏振相機(jī)和三個線偏振相機(jī)組成；所述全偏振信息控制與處理部分主要基于FPGA設(shè)計，包括電源、SRAMU SRAM2、FLASH配置芯片、FPGA芯片、一個D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器和串行接口 ；所述一個圓偏振相機(jī)和三個線偏振相機(jī)在I2C總線和觸發(fā)脈沖的控制下同步采集目標(biāo)圖像，并存入SRAMl中，完成全偏振信息采集；所述FPGA芯片讀取SRAMl中四幅偏振圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行偏振圖像的參數(shù)解算，解算出目標(biāo)的總光強(qiáng)、線偏振分量和圓偏振分量，從而完成偏振參數(shù)計算，并將結(jié)果存入SRAM2中；所述SRAM2存儲滿后，系統(tǒng)通過VGA輸出控制模塊將SRAM2中數(shù)據(jù)輸出到D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器，然后，通過串口和線纜自動輸出至上位機(jī)，并顯示圖像。
2.如權(quán)利要求1所述的水下全偏振信息采集處理裝置，其特征在于:所述全偏振信息采集部分的結(jié)構(gòu)為:三個線偏振相機(jī)并排置于圓偏振相機(jī)下方，其中，三個線偏振相機(jī)中0°線偏振相機(jī)位于60°線偏振相機(jī)與120°線偏振相機(jī)中間，而圓偏振相機(jī)位于0°線偏振相機(jī)的正上方。
3.如權(quán)利要求1所述的水下全偏振信息采集處理裝置，其特征在于:所述全偏振信息采集部分中JfFPGA芯片的四路觸發(fā)脈沖輸出到與門，所述與門的輸出信號連接到四個偏振相機(jī)的CMOS傳感器的觸發(fā)脈沖輸入引腳，四個CMOS傳感器在觸發(fā)脈沖的控制下完成同時曝光。
4.一種用于權(quán)利要求1-3任意一項所述裝置的水下全偏振信息采集處理方法，其特征在于，包括如下步驟:步驟一:開啟裝置電源，F(xiàn)LASH配置芯片將配置程序下載到FPGA芯片上，F(xiàn)PGA芯片首先初始化I2C總線控制器；步驟二:通過所述I2C總線控制器對四個CMOS傳感器、兩個SRAM和D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行初始化配置，隨后FPGA芯片利用自帶的PLL產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘；所述時鐘驅(qū)動整個系統(tǒng)的工作，并通過I2C總線輸入到CMOS傳感器、SRAMU SRAM2和D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器中；步驟三:通過FPGA芯片對全偏振信息采集部分輸入同步曝光信號，CMOS傳感器根據(jù)圖像采集時序輸出10位像素數(shù)據(jù)和相應(yīng)的場信號、行信號、像素時鐘信號，F(xiàn)PGA芯片根據(jù)場信號實現(xiàn)四通路圖像的讀入，由于CMOS傳感器采集圖像數(shù)據(jù)速率的限制，圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)部緩存存入SRAMl中；步驟四:當(dāng)一幀圖像的存儲進(jìn)程結(jié)束后即執(zhí)行偏振參數(shù)計算進(jìn)程，偏振參數(shù)計算模塊讀取SRAMl中的數(shù)據(jù)，根據(jù)斯托克斯方程實現(xiàn)對偏振參數(shù)的解算，并將解算的結(jié)果存入SRAM2中，當(dāng)SRAM2存滿后將SRAM2的輸出控制位OE置為有效位。
5.如權(quán)利要求4所述的水下全偏振信息采集處理方法，其特征在于，所述全偏振參數(shù)的解算流程是:將存儲在SRAMl中的四幅原始偏振圖像讀入偏振參數(shù)解算模塊，根據(jù)斯托克斯方程解算出1、Q、U、V四個分量，解算出的四個結(jié)果有兩個數(shù)據(jù)流向，一個是經(jīng)偏振參數(shù)讀寫模塊存入SRAM2中，另一個是作為下一步計算的輸入，進(jìn)行線偏振度Dop1、全偏振度Dop2、線偏振角Θ的計算，解算出的DoPl、Dop2、Θ存儲到SRAM2中。
【文檔編號】G01J4/04GK103439000SQ201310362291
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月19日
【發(fā)明者】沈潔, 駱常見, 王慧斌, 徐淑芳, 陳哲 申請人:河海大學(xué)