一种偏振视觉传感器结构设计与几何标定方法
【技术领域】
[0001] 本专利主要涉及视觉传感器的结构设计和标定，特别涉及一种偏振视觉传感器结 构设计与几何标定方法。
【背景技术】
[0002] 动物的导航方式非常奇特，其导航机理还没有被人类完全理解和掌握，仿生导航 已成为目前导航技术领域研究的新热点。基于大自然的生物系统的模拟仿生感知技术，为 导航技术的新发展提供了启示。许多生物(沙蚁、蝗虫、蜜蜂、粪金龟、部分鸟类及鱼类等）， 能够利用它们独特的眼睛结构，感知并利用光的偏振现象，生物的偏振视觉可以帮助它们 进行导航定位、目标识别、甚至通讯交流等。
[0003] 生物的偏振视觉可以帮助它们快速地发现食物和识别环境，这是由于偏振态提供 了除亮度和颜色外，光的另外一个重要的信息。水生甲虫可以感知水面反射的水平方向的 偏振光从而探测水面，而水面探测对于无人车的野外驾驶是至关重要的；另外偏振视觉可 以帮助生物寻找食物和躲避天敌。研究表明，通过分析场景中偏振光的信息，从而更好地理 解场景，进而恢复场景中的信息;偏振视觉可以应用于图像去雾、对比度增强等，甚至可以 用来估计场景的深度信息。
[0004] 目前各单位研制的偏振光传感器主要可以分为两大类：点测量式和图像测量式。 前者一次采样只能测量一个方向上的偏振信息，因此容易受到环境的干扰、鲁棒性不强;最 近的研究更侧重于图像测量式的偏振视觉传感器，因为它可以同时测量视角范围内的整个 区域的偏振信息。文献（Design of a Device for Sky Light Polarization Measurements[J].WANG Y,HU X，LIAN J，et al.Sensors,2014,14(8):14916-14931.)中设 计了基于鱼眼镜头和旋转偏振片的偏振光测量装置，它可以测量整个天空的偏振信息，然 而，由于要手动旋转偏振片，该装置不能安装在动态载体上实时测量。因此，寻找一种可实 时测量区域天空偏振模态的偏振视觉传感器具有重要的应用价值。为了提高其测量精度和 鲁棒性，还需优化其结构设计、标定并补偿安装误差。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题就在于:如何实现基于四相机的偏振视觉传感器的结构 设计、偏振片光轴方向设计、多相机间安装误差的补偿问题。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：
[0007] -种偏振视觉传感器结构设计与几何标定方法，包括以下步骤：
[0008] (1)四目偏振相机结构设计
[0009] 偏振视觉传感器主要由四个CCD(Charge_Coupled Device)相机、四个广角镜头、 四个偏振片组成，四个相机分布在正方形的顶点上，与直线排列相比，正方形的分布可以 使得四相机重叠的视场最大，减小相机间的视差（图1所示）；四个相机由同步控制器触发采 样，保证相机能够同步采集数据;相机采集的数据由千兆网经交换机传送给计算机，而后进 行偏振态解算(图3所示）；
[0010] (2)偏振片光轴方向设计
[0011] 四个偏振片固定在镜头的后面、CCD传感器前面，偏振片的通光轴方向按照0°、 45°、90°、135°的角度安装（图2所示）；偏振片的这种安装方向使得偏振态求解时的误差最 小;另外，冗余的配置保证了偏振相机的可靠性，当任一相机故障时，系统仍可正常工作；
[0012] ⑶偏振态求解
[0013] 对于一束偏振光，它的参数可以通过三次不相关的测量估计出来;本发明中的偏 振视觉传感器采用冗余配置，在进行偏振态解算时可以利用最小二乘估计获得最优的估计 值如下，
[0014]
[0015] 其中，so、S1、S2为偏振光的斯托克斯参数，Do和f分别为：
[0016]
[0017] 其中t为经过校正后的第j个相机的亮度值，Φ」是第j个偏振片的光轴方向相对于 参考方向的夹角；
[0018] (4)多相机几何标定。
[0019] 作为本发明的进一步改进，步骤(4)中所述的多相机几何标定方法为：
[0020] (a)单独标定各个相机的内参数Cam=[f;C; a;k]1Qxl，并建立各相机间的几何约束 (//)； =[0/?;/]；；
[0021 ] 其中，f 2X1为焦距，C2X1为光轴的中心，a为倾斜因子，k5Xl为镜头的畸变参数，ΟΠ 13Χ1 为罗得里格斯参数，它定义了三维空间中的一个旋转矢量，t3xl表示一个三维空间中的平移 矢量；
[0022] (b)定义全局的待估计的参数：
[0023]
[0024 ]其中Ncam为相机的个数，Nv i e w为每个相机拍摄的图片的个数；
[0025] (c)对于世界坐标系中的一个特征点X'建立其在图像中投影方程：
[0026] ? ，(r/), Λ' )
[0027] 计算雅可比矩阵J，它由投影方程对各个参数的一阶导数构成；
[0028] (d)估计参数误差δρ=α^)Λ?τβ，为了减小由线性化引入的误差，提高参数估计 精度，利用Gauss-Newton迭代求解。
【附图说明】
[0029]图1为本发明中基于四相机的偏振视觉传感器结构设计图；
[0030]图2偏振视觉传感器实物图及偏振片光轴方向示意图；
[0031] 图3四相机同步采集系统流程图；
[0032] 图4偏振视觉传感器几何标定算法流程图。
【具体实施方式】
[0033]以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0034]本发明涉及的一种偏振视觉传感器结构设计与几何标定方法，该方法首先设计了 基于四相机的偏振视觉传感器的结构以及四个偏振片的安装位置及方向（图1、图2所示）， 然后设计了基于最小二乘的偏振态求解算法，最后设计了基于平面特征的多相机几何标定 方法。
[0035]本发明的具体内容包括：
[0036] 1.偏振相机结构设计
[0037] 偏振视觉传感器主要由四个CCD(Charge_Coupled Device)相机、四个广角镜头、 四个偏振片组成，四个相机分布在正方形的顶点上，与直线排列相比，正方形的分布可以使 得四相机重叠的视场最大，减小相机间的视差（图1所示）；四个相机由同步控制器触发采 样，保证相机能够同步采集数据;相机采集的数据由千兆网经交换机传送给计算机，而后进 行偏振态解算(图3所示）。
[0038] 2.偏振片光轴方向设计
[0039]四个偏振片固定在镜头的后面、CCD传感器前面，偏振片的通光轴方向按照0°、 45°、90°、135°的角度安装（图2所示）；偏振片的这种安装方向使得偏振态求解时的误差最 小；另外，冗余的配置保证了偏振相机的可靠性，当任一相机故障时，系统仍可正常工作。 [0040] 3.偏振态求解
[0041]对于某一方向的入射光，它的三个参数（I，d，Φ )可以通过三次不相关的测量估计 出来，因此需要将偏振片的光轴方向分布在几个特定的方向。图2中的偏振视觉传感器在经 过几何标定后，可以四个相机的像素点一一对应起来，对于某一入射光P，四个相机的响应 可以用下式描述：
[0042] fj( φ )=KI[l+d cos(2<i)-2<i)j)]，j = l，2,3,4 (1)
[0043] 式中，t为经过校正后的第j个相机的亮度值，K为相机的增益系数，I为入射光的 光强，d为偏振度，Φ为入射光的偏振方向与参考轴的夹角，Φ」是第j个偏振片的光轴方向 相对于参考方向的夹角。
[0044] 本发明中的偏振视觉传感器属于冗余配置，在进行偏振态测量时可以利用最小二 乘估计获得最优的估计值。对于j 2 3的情况，将式(1)改写如下：
[0045] fj( Φ ) =KId cos2