一种水下全偏振信息采集处理装置和方法
【专利摘要】本发明公开一种水下全偏振信息采集处理装置和方法，由一个圆偏振相机、三个线偏振相机和FPGA板组成。三个线偏振相机并排置于圆偏振相机下方，并基于FPGA板控制目标图像的同步采集，完成全偏振信息采集；基于FPGA对采集的四幅偏振图像数据进行偏振图像参数解算，得到目标的总光强、线偏振分量和圆偏振分量，完成偏振参数计算；全偏振信息采集装置还可与上位机连接，将数据输出到上位机上并显示。该装置和方法利于提取水下目标信息和对目标进行探测。
【专利说明】一种水下全偏振信息采集处理装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及图像采集【技术领域】，具体涉及一种应用于水下环境中全偏振信息采集处理装置和方法。
【背景技术】
[0002]在水下环境中由于水体对光的吸收和散射作用较大，光能量在水中衰减迅速，使水下成像呈现雾化效果，对比度较差。偏振成像系统采集目标与背景的偏振信息，由于背景较为杂乱，造成背景反射光的偏振度均较低，而目标反射光的偏振度却比背景反射光的偏振度大很多，因此利用目标与背景反射光的偏振信息差别可以较好的区分目标与背景，因此，基于偏振成像设备对水下偏振信息采集将在未来的水下探测中具有广泛应用前景。
[0003]根据国外最新研究成果，圆偏振光被水粒子散射后，圆偏振状态就会发生改变，而圆偏振光经过目标反射后圆偏振态改变较小，因此与陆地上偏振信息采集系统绝大多数是针对线偏振不同，在水下实现对偏振信息采集时增加对光的圆偏振分量采集更有利于提取目标信息和对目标进行探测。
[0004]基于以上描述，同时完成线偏振和圆偏振信息的采集和计算，是一个全新的研究设计策略，本发明基于FPGA技术，设计一种水下全偏振信息采集处理装置和方法。
【发明内容】
[0005]发明目的:针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种水下全偏振信息采集处理装置和方法，通过设计线偏振和圆偏振信息的集成采集装置和计算方法，实现在水中对全偏振信息的采集和处理。
[0006]技术方案:一种水下全偏振信息采集处理装置，主要包括全偏振信息采集和全偏振信息控制与处理两个部分。全偏振信息采集部分是由一个圆偏振相机和三个线偏振相机组成。全偏振信息控制与处理部分是本装置的核心，主要基于FPGA设计，包括电源、SRAMl(第一静态随机存储器)、SRAM2 (第二静态随机存储器)、FLASH配置芯片、FPGA芯片、一个D/A数模转换器和串行接口。四个相机在I2C总线和触发脉冲的控制下同步采集目标图像，并存入SRAMl中，完成全偏振信息采集。FPGA读取SRAMl中四幅偏振图像数据进行偏振图像的参数解算，解算出目标的总光强、线偏振分量和圆偏振分量，从而完成偏振参数计算，结果存入SRAM2中。在SRAM2存储满后，系统通过VGA输出控制模块将SRAM2中数据输出到D/A，然后，通过串口和线缆自动输出至上位机，并显示图像。
[0007]所述全偏振信息采集部分的结构为:三个线偏振相机并排置于圆偏振相机下方，其中，三个线偏振相机中0°线偏振相机位于60°线偏振相机与120°线偏振相机中间，而圆偏振相机位于0°线偏振相机的正上方。
[0008]所述全偏振信息采集部分的同步曝光设计为:将FPGA的四路触发脉冲输出到与门，与门的输出信号连接到四个偏振相机的CMOS传感器的触发脉冲输入引脚，四个CMOS传感器在触发脉冲的控制下完成同时曝光。[0009]一种用于上述装置的水下全偏振信息采集处理方法，包括如下步骤:
[0010]步骤一:开启系统(系统即指上述装置)电源，FLASH配置芯片将配置程序下载到FPGA上，FPGA首先初始化I2C总线控制器。
[0011 ] 步骤二:通过I2C总线控制器对四个CMOS传感器、两个SRAM和D/A进行初始化配置，随后FPGA利用自带的PLL产生系统时钟；所述时钟驱动整个系统的工作，并通过I2C总线输入到CMOS传感器、SRAMl、SRAM2、D/A中。
[0012]步骤三:通过FPGA对全偏振信息采集部分输入同步曝光信号，CMOS传感器根据图像采集时序输出10位像素数据和相应的场信号、行信号、像素时钟信号，FPGA根据场信号实现四通路图像的读入，由于CMOS传感器采集图像数据速率的限制，图像数据经过内部缓存存入SRAMl中。
[0013]步骤四:当一帧图像的存储进程结束后即执行偏振参数计算进程，偏振参数计算模块读取SRAMl中的数据，根据斯托克斯方程实现对偏振参数的解算，并将解算的结果存入SRAM2中，当SRAM2存满后将SRAM2的输出控制位OE置为有效位。
[0014]所述全偏振参数的解算流程是:将存储在SRAMl中的四幅原始偏振图像读入偏振参数解算模块，根据斯托克斯方程解算出1、Q、U、V四个分量，解算出的四个结果有两个数据流向，一个是经偏振参数读写模块存入SRAM2中，另一个是作为下一步计算的输入，进行线偏振度、全偏振度、线偏振角的计算，解算出的线偏振度、全偏振度、线偏振角存储到SRAM2 中。
[0015]本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果:
[0016]本发明首次在水下环境中采用线偏振和圆偏振集成的四偏振相机，同步采集目标的全偏振信息，依靠FPGA实现对系统各部分的配置，并依次实现偏振图像采集控制、偏振图像处理、偏振参数图像存储和偏振参数图像的输出功能。系统采集的水下目标全偏振信息较普通的光强信息和线偏振信息更有利于水下目标的识别检测。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明实施例的装置结构原理图；
[0018]图2为本发明实施例的装置结构示意图；
[0019]图3为本发明实施例的FPGA芯片内部功能结构图；
[0020]图4为本发明实施例的方法流程图；
[0021 ] 图5为本发明实施例的FPGA外围连接图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0023]如图1所示，水下全偏振信息采集处理装置，主要包括全偏振信息采集部分、全偏振信息控制与处理部分。全偏振信息采集部分包括一个圆偏振相机、三个线偏振相机。全偏振信息控制与处理部分包括电源、SRAMl、SRAM2、FLASH配置芯片、FPGA芯片、一个D/A数模转换器和串行接口。[0024]现结合图2对本发明装置进行说明，具体如下:本装置包括防水罩1，串行输出口2，电源开关口 3，0°线偏振相机4，60°线偏振相机5，120°线偏振相机6，圆偏振相机7，滤光片8。其中防水罩I由金属外壳和滤光片8组成，防水罩I将整个全偏振信息采集处理装置密封以便放于水下，滤光片8与偏振片和CMOS传感器镜头相互平行，串行输出口 2用于连接上位机时提供连接通道，电源开关口 3用于进行全偏振信息采集时启动系统电源，三个线偏振相机并排置于圆偏振相机下方，三个线偏振相机中0°线偏振相机4位于60°线偏振相机5与120°线偏振相机6中间，圆偏振相机7位于0°线偏振相机O的正上方。滤光片8置于四个相机前,此滤光片8为对光的偏振态有较小改变的滤光材料,防水罩I与滤光片8 —起组成整个系统的水下屏障。
[0025]如图3所示，FPGA芯片功能模块包括信息采集控制模块、偏振参数计算模块、偏振图像读写控制模块、偏振参数读写控制模块、VGA输出控制模块。下面详细叙述每个模块的功能:
[0026]信息采集控制模块完成对全偏振信息采集部分的控制，FPGA通过触发脉冲触发四个CMOS传感器同时曝光，I2C总线对全偏振信息采集部分输入图像采集时钟和配置数据，CMOS传感器根据曝光信号和图像采集时钟产生图像的场信号、行信号、像素时钟和图像数据。
[0027]偏振图像读写控制模块完成SRAMl中图像数据的存储和读取功能，FPGA根据图像的场信号、行信号和像素时钟将图像数据存储到SRAMl中，当图像数据的存储时序结束后，偏振参数计算模块即执行图像数据的读取时序，用于偏振参数图像的解算。
[0028]
下:
偏振参数计算模块完成偏振参数的解算，根据斯托克斯方程计算1、Q、U、V，公式如
【权利要求】
1.一种水下全偏振信息采集处理装置，其特征在于:主要包括全偏振信息采集和全偏振信息控制与处理两个部分；所述全偏振信息采集部分是由一个圆偏振相机和三个线偏振相机组成；所述全偏振信息控制与处理部分主要基于FPGA设计，包括电源、SRAMU SRAM2、FLASH配置芯片、FPGA芯片、一个D/A数模转换器和串行接口 ；所述一个圆偏振相机和三个线偏振相机在I2C总线和触发脉冲的控制下同步采集目标图像，并存入SRAMl中，完成全偏振信息采集；所述FPGA芯片读取SRAMl中四幅偏振图像数据进行偏振图像的参数解算，解算出目标的总光强、线偏振分量和圆偏振分量，从而完成偏振参数计算，并将结果存入SRAM2中；所述SRAM2存储满后，系统通过VGA输出控制模块将SRAM2中数据输出到D/A数模转换器，然后，通过串口和线缆自动输出至上位机，并显示图像。
2.如权利要求1所述的水下全偏振信息采集处理装置，其特征在于:所述全偏振信息采集部分的结构为:三个线偏振相机并排置于圆偏振相机下方，其中，三个线偏振相机中0°线偏振相机位于60°线偏振相机与120°线偏振相机中间，而圆偏振相机位于0°线偏振相机的正上方。
3.如权利要求1所述的水下全偏振信息采集处理装置，其特征在于:所述全偏振信息采集部分中JfFPGA芯片的四路触发脉冲输出到与门，所述与门的输出信号连接到四个偏振相机的CMOS传感器的触发脉冲输入引脚，四个CMOS传感器在触发脉冲的控制下完成同时曝光。
4.一种用于权利要求1-3任意一项所述装置的水下全偏振信息采集处理方法，其特征在于，包括如下步骤:步骤一:开启装置电源，FLASH配置芯片将配置程序下载到FPGA芯片上，FPGA芯片首先初始化I2C总线控制器；步骤二:通过所述I2C总线控制器对四个CMOS传感器、两个SRAM和D/A数模转换器进行初始化配置，随后FPGA芯片利用自带的PLL产生系统时钟；所述时钟驱动整个系统的工作，并通过I2C总线输入到CMOS传感器、SRAMU SRAM2和D/A数模转换器中；步骤三:通过FPGA芯片对全偏振信息采集部分输入同步曝光信号，CMOS传感器根据图像采集时序输出10位像素数据和相应的场信号、行信号、像素时钟信号，FPGA芯片根据场信号实现四通路图像的读入，由于CMOS传感器采集图像数据速率的限制，图像数据经过内部缓存存入SRAMl中；步骤四:当一帧图像的存储进程结束后即执行偏振参数计算进程，偏振参数计算模块读取SRAMl中的数据，根据斯托克斯方程实现对偏振参数的解算，并将解算的结果存入SRAM2中，当SRAM2存满后将SRAM2的输出控制位OE置为有效位。
5.如权利要求4所述的水下全偏振信息采集处理方法，其特征在于，所述全偏振参数的解算流程是:将存储在SRAMl中的四幅原始偏振图像读入偏振参数解算模块，根据斯托克斯方程解算出1、Q、U、V四个分量，解算出的四个结果有两个数据流向，一个是经偏振参数读写模块存入SRAM2中，另一个是作为下一步计算的输入，进行线偏振度Dop1、全偏振度Dop2、线偏振角Θ的计算，解算出的DoPl、Dop2、Θ存储到SRAM2中。
【文档编号】G01J4/04GK103439000SQ201310362291
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月19日 优先权日:2013年8月19日
【发明者】沈洁, 骆常见, 王慧斌, 徐淑芳, 陈哲 申请人:河海大学