一種三通道cmos同步偏振成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種三通道CMOS同步偏振成像系統(tǒng)，屬于光電成像探測【技術(shù)領(lǐng)域】。系統(tǒng)包括：偏振光學(xué)系統(tǒng)、三通道CMOS圖像采集模塊、DSP圖像處理器模塊、圖像配準(zhǔn)算法。偏振光學(xué)系統(tǒng)由線偏振片和電動三可變鏡頭及其驅(qū)動模塊構(gòu)成。三個采集通道的線偏振的安裝方向為0°、45°和90°。三通道CMOS圖像采集模塊由三路CMOS圖像傳感器構(gòu)成，完成最大分辨率下的圖像采集，可適用于靜態(tài)圖像捕捉和連續(xù)視頻采集。DSP圖像處理器模塊可同時處理多路數(shù)字視頻流。圖像配準(zhǔn)算法包括特征點檢測、特征點匹配、變換模型估計、圖像的變換和重采。本發(fā)明能較好的檢測出水面示蹤粒子，為大尺度粒子圖像測速提供有效的粒子檢測效果。
【專利說明】一種三通道CMOS同步偏振成像系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種同步偏振成像系統(tǒng)，尤其涉及一種三通道CMOS同步偏振成像系統(tǒng)，屬于光電成像探測領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著偏振成像理論的發(fā)展，偏振成像探測技術(shù)已成為現(xiàn)代測量技術(shù)的重要探測手段。與自然物體相比，人造物體的輪廓和表面有著明顯較大的偏振度，利用偏振度信息可以提高圖像中人造物體的對比度。根據(jù)偏振測量理論可知，只要測出3個不同角度的線偏振光的光強，就可以解出偏振光的偏振度和偏振角。目前的大尺度粒子圖像測速大都采用傳統(tǒng)的目標(biāo)檢測系統(tǒng)來檢測水面示蹤粒子。通過采集水面光強信息成像，利用目標(biāo)與背景的光強差異檢測目標(biāo)。然而，在實際的水面圖像獲取過程中，由于可見光在大氣或水中傳播時，將會受到介質(zhì)中粒子的散射和反射，使傳統(tǒng)的目標(biāo)檢測系統(tǒng)獲取的圖像存在圖像模糊，對比度低，信息丟失嚴重等問題，導(dǎo)致目標(biāo)檢測存在較大的難度。同時，在獲取水面圖像時，由于水面發(fā)生鏡面反射，導(dǎo)致發(fā)生鏡面反射的圖像區(qū)域出現(xiàn)高亮的現(xiàn)象，在進行示蹤粒子檢測時，無法有效將示蹤粒子檢測出來。
[0003]本發(fā)明提出的一種三通道CMOS同步偏振成像系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的光強成像相比，本方法能較好的檢測出水面示蹤粒子，為大尺度粒子圖像測速提供有效的粒子檢測效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:針對現(xiàn)有水面示蹤粒子的準(zhǔn)確檢測與識別存在的不足，提供了一種三通道CMOS同步偏振成像系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0006]一種三通道CMOS同步偏振成像系統(tǒng)，由偏振光學(xué)系統(tǒng)、三通道CMOS圖像采集模塊、DSP圖像處理器模塊、圖像配準(zhǔn)算法組成，其特征在于:偏振光學(xué)系統(tǒng)獲取三路不同方向的水面偏振圖像，即每一路CMOS前分別安裝一個0° ,45°和90°方向的線偏振片；DSP圖像處理器模塊控制三路CMOS進行同步曝光，從而獲取三路不同方向的水面偏振圖像。DSP處理器將獲取到的三個不同方向的偏振圖像通過網(wǎng)絡(luò)上傳給上位機。圖像配準(zhǔn)算法在上位機上采用Matlab軟件來完成，利用改進的SIFT特征匹配算法對三幅偏振圖像進行配準(zhǔn)，通過解Stokes參數(shù),獲得線偏振度圖像。
[0007]所述的一種三通道CMOS同步偏振成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的偏振光學(xué)系統(tǒng)在TMS320DM642的控制下，由參數(shù)配置模塊實現(xiàn)對三個CMOS進行參數(shù)同步配置。通過電動三可變鏡頭在不同采集條件下實現(xiàn)對焦距、光圈和對焦的控制。在每一路采集通道的鏡頭前安裝三個不同方向的線偏振片，每一路CMOS前分別安裝一個O° ,45°和90°方向的線偏振片，用于CMOS獲取偏振圖像。
[0008]所述的一種三通道CMOS同步偏振成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的DSP圖像處理器模塊采用TI公司生產(chǎn)的DSP芯片TMS320DM642作為本系統(tǒng)的處理器。TMS320DM642 (以下簡稱DM642)是TI公司于2003年左右推出的一款32位定點DSP芯片，主要面向數(shù)字媒體，屬于C6000系列的DSP芯片。DM642帶有三個雙通道數(shù)字視頻口 VP0、VP1、VP2，可同時處理多路數(shù)字視頻流，滿足本設(shè)計中要求的同時采集三路CMOS偏振圖像的需求。同時，DM642上帶有一個10/100M的以太網(wǎng)接口 EMAC，該接口通過與物理層設(shè)備的無縫連接即可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸。為了滿足圖像采集過程中大數(shù)據(jù)量存儲的需求，在DM642的CEO空間通過EMIFA接口外擴了 4片4MX16bits的SDRAM存儲器芯片，構(gòu)成4MX16bits的SDRAM存儲空間，使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲空間達到32MB。由于DM642片內(nèi)不帶FLASH或EEPR0M，系統(tǒng)掉電后DM642存儲器中的數(shù)據(jù)和程序?qū)⑷縼G失，所以DM642的外部通常需要擴展FLASH存儲器，用于存儲程序和重要的數(shù)據(jù)。在DM642的CEl空間外擴了一片4MX8bits的FLASH存儲芯片作為程序存儲器，構(gòu)成4MB的程序存儲空間。當(dāng)DM642上電或復(fù)位時，自動從FLASH上加載程序代碼。 [0009]所述的一種三通道CMOS同步偏振成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的圖像配準(zhǔn)算法主要計算步驟有:特征點檢測、特征點匹配、變換模型估計、圖像的變換和重采樣。將45°方向獲取的偏振圖像的圖像坐標(biāo)作為參考坐標(biāo)，圖像配準(zhǔn)的過程是指將0°方向和90°方向的偏振圖像的坐標(biāo)糾正到參考圖像坐標(biāo)上。
[0010]所述的一種三通道CMOS同步偏振成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的圖像匹配算法采用提出了一種改進的SIFT特征匹配算法對虛假的匹配特征點對進行了排除，因而能夠有效的減少錯誤的匹配特征點對。同時由于排除了不存在與之匹配的特征點，使得集合ptmp中的特征點數(shù)少于集合p中的特征點數(shù)，大大減少了對128維特征描述子求歐式距離比的工作量，有效的提高了系統(tǒng)的運行效率。設(shè)參考圖像中的所有特征點的集合為P={Pi, P2,…，pj ,特征點Pi的像素坐標(biāo)為(XiJi)15設(shè)待配準(zhǔn)圖像中所有特征點的集合為Q=Iq1, q2,…，qn},特征點(x’，y’ )的像素坐標(biāo)為(X」，y」)，計算集合p中所有特征點與集合Q中所有特征點的坐標(biāo)歐氏距離:
[0011]E =小X, — X.)~ — (y.— V.)(a)
[0012]設(shè)足一個固定的閾值disRatio,當(dāng)E滿足如下關(guān)系時
[0013]E < disRatio (b)
[0014]則認為參考圖像中的特征點Pi在待配準(zhǔn)圖像中存在與之匹配的特征點，否則認為待配準(zhǔn)圖像中不存在與P1-配的特征點。將集合P中所有滿足公式(b)的特征點保存在集合ptmp中，然后利用集合ptmp中的特征點與集合Q中的特征點，進行特征匹配。
[0015]在求得了參考圖像和待配準(zhǔn)圖像中的匹配特征點對后，根據(jù)這些特征點對來估計變換模型。變換模型實際上表示的是從參考圖像到待配準(zhǔn)圖像的一個映射關(guān)系。
[0016]常用變換模型有剛體變換、仿射變換、投影變換和非線性變換等。本文采用仿射變換模型來表示參考圖像和待配準(zhǔn)圖像之間的變換關(guān)系。仿射變換模型可用如下式來表示:
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[0018]其中，(X，y)和(x’，y’ )是一對特征點對，(x, y)是特征點在參考圖像中的坐標(biāo)，(x’，y’ )是特征點在待配準(zhǔn)圖像中的坐標(biāo)。mQ、m2、m3、m4、m5是仿射變換模型參數(shù)。變換模型的估計即是求解該6個參數(shù)的值。本發(fā)明采用的是雙線性插值法對圖像進行變換和重采樣。雙線性插值法假定內(nèi)插點P周圍四個點圍城的區(qū)域內(nèi)的灰度變化是線性的，從而可以用線性內(nèi)插方法，根據(jù)四個近鄰像素的灰度值，計算出內(nèi)插點P的灰度值即可。
[0019]本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果:
[0020]1、抗干擾能力強。利用偏振度圖像能夠較好的提高目標(biāo)與背景的對比度，從而有效抑制復(fù)雜的水面光學(xué)噪聲，從而提高水流示蹤物運動矢量估計的準(zhǔn)確性。利用配準(zhǔn)后的三個不同方向的水面偏振圖像所求得的線偏振度圖像較普通的光強度圖像能夠更好的檢測出水面示蹤粒子，為大尺度粒子圖像測速提供了良好的目標(biāo)檢測結(jié)果
[0021]2、圖像配準(zhǔn)精度高。本文提出的同步參數(shù)配置方法能夠?qū)崿F(xiàn)三路不同方向的偏振圖像的同步獲取，同時本文提出的改進的SIFT特征匹配算法能夠提供良好的圖像配準(zhǔn)效果O
[0022]3、系統(tǒng)靈活高效。本文采用同步參數(shù)配置曝光的方法來實現(xiàn)三路CMOS同步曝光，，同步脈沖發(fā)生器、參數(shù)鎖存與計數(shù)器和串行讀寫模塊均有由CPLD來實現(xiàn)，串行讀寫模塊在同步脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖控制下，通過I2C總線將配置參數(shù)寫入CMOS的內(nèi)部寄存器中，完成對CMOS采集時的分辨率、曝光時間、色彩增益等的配置。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
[0024]圖2是本發(fā)明涉及的三路CMOS圖像傳感器模塊的原理圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合具體實施例，進一步闡明本發(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。
[0026]本發(fā)明的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。光學(xué)系統(tǒng)由線偏振片和電動三可變鏡頭及其驅(qū)動模塊構(gòu)成。線偏振片安裝在電動三可變鏡頭前，以其中一個采集通道的線偏振的安裝方向為0°參考方向，另外兩個采集通道的線偏振片的安裝角度分別為45°和90°。由于每次采集的條件不盡相同，在不同的采集環(huán)境下，光線的強弱以及物體距離采集系統(tǒng)的遠近會對采集系統(tǒng)的拍攝效果造成一定的影響，為了使采集的圖像達到較好的效果，需要對采集系統(tǒng)的焦距、光圈和對焦進行調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)由三路CMOS和一個DSP處理器構(gòu)成，在每一路CMOS前分別安裝一個0° ,45°和90°方向的線偏振片，由DSP處理器來控制三路CMOS進行同步曝光，從而獲取三路不同方向的水面偏振圖像。DSP處理器將獲取到的三個不同方向的偏振圖像通過網(wǎng)絡(luò)上傳給上位機。由于從三路CMOS中獲取的三路偏振圖像存在像元不對準(zhǔn)的情況，如果直接用該三路偏振圖像來求解Stokes參數(shù)圖像，會產(chǎn)生虛假信息，從而導(dǎo)致線偏振度圖像中存在虛假目標(biāo)，不利于水面示蹤粒子的檢測，因此，需要對該三路偏振圖像進行圖像配準(zhǔn)。圖像配準(zhǔn)在上位機上采用Matlab軟件來完成，首先將獲取的彩色的偏振圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖，利用本文所改進的SIFT特征匹配算法對三幅偏振圖像進行配準(zhǔn)，利用配準(zhǔn)后的偏振圖像進行信息處理。DSP處理器采用TMS320DM642，它的VPOD[9:0]、VPlD[9:0]、VP2D[9:0]分別接圖像采集模塊的 MT9T001、MT9T001、MT9T001。TMS320DM642 的 GP10、EMIFA、EMAC 分別接 CPLD、FLASH、SDRAM、RTL8201 口。電源模塊可以選取12V，5V，3.3V，1.4V。在DM642的控制下，由參數(shù)配置模塊實現(xiàn)對三個CMOS進行參數(shù)同步配置。通過電動三可變鏡頭在不同采集條件下實現(xiàn)對焦距、光圈和對焦的控制。在每一路采集通道的鏡頭前安裝三個不同方向的線偏振片，用于CMOS獲取偏振圖像。在獲取三個不同方向的偏振圖像后，通過DM642的網(wǎng)口，將三個偏振圖像發(fā)送給上位機，通過上位機實現(xiàn)三個偏振圖像的配準(zhǔn)。然后在上位機中根據(jù)Stokes理論求解線偏振度圖像。根據(jù)的求得的線偏振度圖像可以進行后續(xù)的目標(biāo)識別。
[0027] 本發(fā)明的三路CMOS圖像傳感器模塊的原理圖如圖2所示。圖像采集模塊由三路CMOS圖像傳感器構(gòu)成。CMOS圖像傳感器采用Micron公司生產(chǎn)的300萬像素的CMOS圖像傳感器MT9T001，該CMOS芯片擁有開創(chuàng)性的Micron低噪音DigitalClarityTM技術(shù)，無需增加電源需求，即可在信噪比和弱光靈敏度的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造出與CCD畫質(zhì)相媲美的高分辨率優(yōu)質(zhì)影像，并在最大分辨率下可實現(xiàn)12fps的連續(xù)采集，既適用于靜態(tài)圖像捕捉又適用于連續(xù)視頻采集。DM642通過I2C接口對MT9T001內(nèi)部寄存器進行設(shè)置，從而實現(xiàn)對幀大小、曝光時間以及色彩增益等的控制。MT9T001的數(shù)據(jù)輸出口為lObits，通過將DM642的視頻口設(shè)置為IObits的RAW數(shù)據(jù)采集方式即可實現(xiàn)與MT9T001的無縫連接，使用方便。三路CMOS圖像傳感器MT9T001的數(shù)據(jù)口分別連接DM642的視頻輸入口 VP0、VP1、VP2的低10位，采集幀大小設(shè)置為1280X1024。圖像采集模塊的電路原理圖如圖2所示，圖中只畫出了一路CMOS與DM642的連接原理圖，其他兩路CMOS的設(shè)計與之相似。DM642首先通過GPIO 口將MT9T001的配置參數(shù)及參數(shù)的個數(shù)寫入到參數(shù)鎖存與計數(shù)器模塊中，參數(shù)鎖存與計數(shù)器模塊通過并行總線，將配置參數(shù)同時寫入到三個串行讀寫模塊中。串行讀寫模塊在同步脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖控制下，通過I2C總線將配置參數(shù)寫入CMOS的內(nèi)部寄存器中，完成對CMOS采集時的分辨率、曝光時間、色彩增益等的配置。其次，在對CMOS的采集參數(shù)配置完后，DM642通過GPIO 口將視頻口的使能信息寫入到參數(shù)鎖存與計數(shù)器模塊中，參數(shù)鎖存與計數(shù)器通過并行總線將該使能信息寫入到串行讀寫模塊中，串行讀寫模塊在同步脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖控制下，將視頻口使能信息同步寫入到三個CMOS的寄存器中，實現(xiàn)三個CMOS的同步曝光。DM642的三個視頻口在CMOS的幀、行同步信號的控制下讀取CMOS中的圖像數(shù)據(jù)。
【權(quán)利要求】
1.一種三通道CMOS同步偏振成像系統(tǒng)，由偏振光學(xué)系統(tǒng)、三通道CMOS圖像采集模塊、DSP圖像處理器模塊、圖像配準(zhǔn)算法組成，其特征在于:偏振光學(xué)系統(tǒng)獲取三路不同方向的水面偏振圖像，即每一路CMOS前分別安裝一個0°、45°和90°方向的線偏振片；DSP圖像處理器模塊控制三路CMOS進行同步曝光，從而獲取三路不同方向的水面偏振；圖像配準(zhǔn)算法在上位機上采用Matlab軟件來完成，利用改進的SIFT特征匹配算法對三幅偏振圖像進行配準(zhǔn)，通過解Stokes參數(shù)，獲得線偏振度圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三通道CMOS同步偏振成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的偏振光學(xué)系統(tǒng)在TMS320DM642的控制下，由參數(shù)配置模塊實現(xiàn)對三個CMOS進行參數(shù)同步配置；通過電動三可變鏡頭在不同采集條件下實現(xiàn)對焦距、光圈和對焦的控制；在每一路采集通道的鏡頭前安裝三個不同方向的線偏振片，每一路CMOS前分別安裝一個O。、45°和90°方向的線偏振片，用于CMOS獲取偏振圖像。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三通道CMOS同步偏振成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的DSP圖像處理器模塊采用TI公司生產(chǎn)的DSP芯片TMS320DM642作為本系統(tǒng)的處理器；TMS320DM642(以下簡稱DM642)是TI公司于2003年左右推出的一款32位定點DSP芯片，主要面向數(shù)字媒體，屬于C6000系列的DSP芯片；DM642帶有三個雙通道數(shù)字視頻口 VP0、VP1、VP2，可同時處理多路數(shù)字視頻流，滿足本設(shè)計中要求的同時采集三路CMOS偏振圖像的需求；同時，DM642上帶有一個10/100M的以太網(wǎng)接口 EMAC，該接口通過與物理層設(shè)備的無縫連接即可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸；為了滿足圖像采集過程中大數(shù)據(jù)量存儲的需求，在DM642的CEO空間通過EMIFA接口外擴了 4片4MX16bits的SDRAM存儲器芯片，構(gòu)成4MX 16bits的SDRAM存儲空間，使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲空間達到32MB ;由于DM642片內(nèi)不帶FLASH或EEPR0M，系統(tǒng)掉電后DM642存儲器中的數(shù)據(jù)和程序?qū)⑷縼G失，所以DM642的外部通常需要擴展FLASH存儲器，用于存儲程序和重要的數(shù)據(jù)；在011642的CEl空間外擴了一片4MX8bits的FLASH存儲芯片作為程序存儲器，構(gòu)成4MB的程序存儲空間；當(dāng)DM642上電或復(fù)位時，自動從FLASH上加載程序代碼。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三通道CMOS同步偏振成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的圖像配準(zhǔn)算法的主要計算步驟有:特征點檢測、特征點匹配、變換模型估計、圖像的變換和重采樣；將45°方向獲取的偏振圖像的圖像坐標(biāo)作為參考坐標(biāo)，圖像配準(zhǔn)的過程是指將0°方向和90°方向的偏振圖像的坐標(biāo)糾正到參考圖像坐標(biāo)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三通道CMOS同步偏振成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的圖像匹配算法采用提出了一種改進的SIFT特征匹配算法對虛假的匹配特征點對進行了排除，因而能夠有效的減少錯誤的匹配特征點對；同時由于排除了與之不匹配的特征點，使得集合ptmp中的特征點數(shù)少于集合p中的特征點數(shù)，大大減少了對128維特征描述子求歐式距離比的工作量，有效的提高了系統(tǒng)的運行效率。
【文檔編號】G01P5/20GK103604945SQ201310513673
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年10月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月25日
【發(fā)明者】張振, 陳婷, 顧慧, 邱軍林, 王鑫, 高建強 申請人:河海大學(xué)