专利名称：基于偏振相位检测野外水体障碍物的方法
技术领域：
本发明涉及一种基于偏振相位检测野外水体障碍物的方法，适用于无人自主车移动时，对水体类型障碍物的检测。
背景技术：
车辆在复杂野外环境中运行时，要能够识别各种类型的障碍物。各种类型的水体，因出现概率高，对车体伤害大，是野外环境中无人自主车障碍物检测的重要对象。
目前对各种水体类型障碍物的检测方法，都有其自身的缺陷如彩色图像中通过亮度、饱和度分析来识别水体，但无法识别含倒影的水面；雷达图像中通过返回值的有无来识别水体，但检测的准确率不高；热传感图像中通过对比水体部分与周围环境的昼夜温差来识别水体，但检测时间过长，无法用于实时应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种检测快速、准确率高，适用性广的基于偏振相位检测野外水体障碍物的方法。
本发明的基于偏振相位检测野外水体障碍物的方法，包括以下步骤1)用安装线性偏振滤镜的相机对同一预检测区域拍摄偏振图像，获得偏振滤镜透光轴与水平面的夹角分别为0°、45°、90°的三幅图像，记0°、45°、90°这三幅图像中对应同一位置的象素点的灰度值分别为I0，I45，I90，按公式(1)逐点计算所有象素点的偏振相位θ，得到整个预检测区域的偏振相位图； 2)在整个偏振相位图中，在7×7～15×15象素格子范围内，选取任意大小的象素格子，按公式(2)依次计算每个该选定象素格子内象素点偏振相位的相关性，得到整个预检测区域偏振相位的相似性测度图，
Δ=Σi,j|θi,j-θ-|---(2)]]>式中Δ为表征偏振相位图的相似性测度，θi，j为偏振相位图中横坐标和纵坐标分别是i，j的象素点的偏振相位， 为选定大小的象素格子内所有点偏振相位的算术平均值；3)对相位相似性测度图进行归一化，在整个归一化的相似性测度图中，依次计算每个一定范围内象素格子的∑Δ的大小，以∑Δ的大小来判定水体障碍物是否存在，当存在任意一个∑Δ≤1，则判定该区域内存在水体障碍物，所说的一定范围是指3×3～7×7的象素格子；4)若之前判定存在水体障碍物，在归一化的相位相似性测度图上进行自适应的灰度阈值分割，判定归一化后的Δ小于最终阈值的部分为水体障碍物。
为了减小拍摄过程中由噪声及其他各种因素引起的误差，可以进一步对步骤4)灰度阈值分割的结果用5×5的圆盘模板进行先开后闭的形态学运算。以便去除绝大多数的误判，并保留尽可能多的分割边界信息。
本发明中，拍摄偏振图像可以采用一台相机，在相机前安装一块线性偏振滤镜，分别拍摄偏振滤镜透光轴与水平面的夹角为0°、45°、90°的三幅图像。或者也可以采用三台相机，在每台相机前各安装一块线性偏振滤镜，同时拍摄偏振滤镜透光轴与水平面的夹角为0°、45°、90°的三幅图像。
本发明的有益效果在于本发明通过检测水面反射光的偏振特性，可以检测完整的水面区域，特别是对水面存在倒影的情形具有良好的识别效果；本发明采用较简单的图像分割算法，计算量小，对水体障碍物的检测快速，准确率高，适用性广。
图1是水体障碍物预检区域示意图；图2是本发明方法检测水体障碍物的操作流程图。
具体实施例方式
以下结合实施例进一步说明本发明方法。
在如图1所示的预检区域A中，存在水体障碍物B(阴影部分所示)。以下结合图2流程图说明本发明方法，通过分析偏振相位来检测水体类型障碍物，并描绘出水体障碍物的范围。
该实施例使用一台相机来采集偏振图像。在相机前安装一块线性偏振滤镜，对准同一区域保持相机位置不动，调整偏振滤镜透光轴与水平面的夹角分别为0°、45°、90°，拍摄三幅同一区域的偏振图像。三幅图像大小相同，且视角相同，区域中的物体在各图像中的位置相同。
记0°、45°、90°这三幅图像中对应同一位置的象素点的灰度值分别为I0，I45，I90，以最左上角的象素点(1，1)为例，在三幅图像中该点的灰度值分别为I0＝31，I45＝28，I90＝43，按公式(1)计算， 可得该点的偏振相位θ为12arctan(31+43-2*2843-31)=0.4914.]]>逐点计算所有象素点的偏振相位，得到整个预检测区域的偏振相位图。该图是一幅与预检测区域大小相同的图像，里面每一个点表示预检测区域对应点的偏振相位。
接着，以偏振相位的相似性测度为准则来判定水体障碍物是否存在。该方法基于如下的物理准则通过水面反射的光的偏振相位相对周围环境有着更大的相似性。定义如公式(2)的Δ来表征偏振相位图的相似性。在本实施例中，按公式(2)Δ=Σi,j|θi,j-θ-|---(2)]]>计算偏振相位图最左上角11×11象素格子内各点偏振相位的相关性，得到Δ=Σi=1..11j=1..11|θi,j-θ-|=50.3199.]]>依次计算每个11×11象素格子内各点偏振相位的相关性，得到整个预检测区域偏振相位的相似性测度图。该图是一幅与预检测区域大小相同的图像，里面每一个点表示预检测区域对应点周围11×11象素格子的偏振相位的相似性程度。Δ越小表明该Δ所对应区域的相位相似性越高，反之亦然。因水体部分的偏振相位相似，则水体范围内各象素点的Δ及一定范围内∑Δ的大小都较小。
对相位相似性测度图进行归一化，在归一化的相似性测度图中，依次计算每个4×4象素格子的∑Δ的大小，以∑Δ的大小来判定水体障碍物是否存在，当存在任意一个∑Δ≤1，则判定该区域内存在水体障碍物。在本实施例中，计算得出，在归一化的相似性测度图中存在4×4的象素格子(如图1中交叉阴影线部分所示，其左上角坐标为(100，80)，右下角坐标为(103，83))，其∑Δ＝0.6939。故可判定该预检区域内存在水体障碍物。
然后，在归一化的相位相似性测度图上进行自适应的灰度阈值分割，迭代计算得出本例中Δ的灰度阈值为0.3732，则判定Δ小于0.3732的部分为水体障碍物。计算结果，Δ小于0.3732的部分与B区域吻合。
为减小拍摄过程中由噪声及其他各种因素引起的误差，对分割结果进行了形态学滤波。用5×5的圆盘模板对分割结果进行了先开后闭的形态学运算，去除了绝大多数误判，并保留了尽可能多的分割边界信息。
至此，在如图1所示的预检测区域里，已检测到水体障碍物，并得到了完整的水体障碍物范围。
权利要求
1.基于偏振相位检测野外水体障碍物的方法，包括以下步骤1)用安装线性偏振滤镜的相机对同一预检测区域拍摄偏振图像，获得偏振滤镜透光轴与水平面的夹角分别为0°、45°、90°的三幅图像，记0°、45°、90°这三幅图像中对应同一位置的象素点的灰度值分别为I0，I45，I90，按公式(1)逐点计算所有象素点的偏振相位θ，得到整个预检测区域的偏振相位图； 2)在整个偏振相位图中，在7×7～15×15象素格子范围内，选取任意大小的象素格子，按公式(2)依次计算每个该选定象素格子内象素点偏振相位的相关性，得到整个预检测区域偏振相位的相似性测度图，Δ=Σi,j|θi,j-θ‾|---(2)]]>式中Δ为表征偏振相位图的相似性测度，θi，j为偏振相位图中横坐标和纵坐标分别是i，j的象素点的偏振相位， 为选定大小的象素格子内所有点偏振相位的算术平均值；3)对相位相似性测度图进行归一化，在整个归一化的相似性测度图中，依次计算每个一定范围内象素格子的∑Δ的大小，以∑Δ的大小来判定水体障碍物是否存在，当存在任意一个∑Δ≤1，则判定该区域内存在水体障碍物，所说的一定范围是指3×3～7×7的象素格子；4)若之前判定存在水体障碍物，在归一化的相位相似性测度图上进行自适应的灰度阈值分割，判定归一化后的Δ小于最终阈值的部分为水体障碍物。
2.根据权利要求1所说的基于偏振相位检测野外水体障碍物的方法，其特征是对步骤4)灰度阈值分割的结果用5×5的圆盘模板进行先开后闭的形态学运算。
3.根据权利要求1所说的基于偏振相位检测野外水体障碍物的方法，其特征是采用一台相机，在相机前安装一块线性偏振滤镜，分别拍摄偏振滤镜透光轴与水平面的夹角为0°、45°、90°的三幅图像。
4.根据权利要求1所说的基于偏振相位检测野外水体障碍物的方法，其特征是采用三台相机，在每台相机前各安装一块线性偏振滤镜，同时拍摄偏振滤镜透光轴与水平面的夹角为0°、45°、90°的三幅图像。
全文摘要
本发明公开了基于偏振相位检测野外水体障碍物的方法，其步骤为在相机前安装偏振滤镜，采集三幅同一区域不同偏振相位的图像，计算该区域的偏振相位图和相位相似性测度图，在归一化的相似性测度图中判定水体障碍物是否存在，若存在则通过灰度阈值分割划出水体障碍物的范围。本发明通过检测水面反射光的偏振特性，可以检测完整的水面区域，特别是对水面存在倒影的情形具有良好的识别效果。本发明采用较简单的图像分割算法，计算量小，对水体障碍物的检测快速，准确率高，适用性广。
文档编号G06K9/20GK1963391SQ20061015489
公开日2007年5月16日 申请日期2006年11月28日 优先权日2006年11月28日
发明者项志宇, 谢斌, 刘济林 申请人:浙江大学