基于可见光偏振成像的实时非接触水面波纹测量方法

摘要

一种基于可见光偏振成像的实时非接触水面波纹测量方法，首先利用偏振成像系统获取水面反射光的多偏振态图像，根据多偏振态图像计算反射光的偏振度和偏振方位角；然后利用偏振度，结合菲涅尔定律计算出入射至水面光线的入射角；最后基于偏振方位角和入射角，计算水面微面元的法向量。本发明方法为非接触成像测量，避免测量方法影响水面波纹，测量时不需要事先在水下放置靶标或模板等，适用于机载水下成像图像校正的实际需求；同时，能够实时给出水面波纹的二维空间坡度分布，便于机载水下成像的图像校正。

主权项

一种基于可见光偏振成像的实时非接触水面波纹测量方法，其特征在于，具体实施步骤如下：步骤一、利用偏振成像系统获取水面反射光的多偏振态图像，根据多偏振态图像计算反射光的偏振度DOLP和偏振方位角Ψ；步骤二、利用偏振度DOLP，结合菲涅尔定律计算出入射至水面光线的入射角θ_i；步骤三、基于偏振方位角Ψ和入射角θ_i，计算水面微面元的法向量n_W；该步骤的具体过程为：(1)以偏振成像系统的光学主点为坐标原点O，以偏振成像系统中CCD的行方向和列方向分别为X轴和Y轴，并以光轴方向为Z轴，建立偏振成像系统坐标系O‑XYZ；设定入射光线由水面微面元进行反射；定义入射光和反射光所在平面为反射面，且入射光线与反射光线在水面微面元上的交点为A；定义反射光线与偏振成像系统上像面的交点为D，定义反射面与像面的交线与像面下边界线的交点为B；(2)计算直线AO的方向向量n_AO，基于偏振方位角Ψ计算直线BD的方向向量n_BD，然后根据n_AO和n_BD计算反射面的法向量n_R；该步骤的具体过程为：根据点D(u,v,‑f)和O(0,0,0)的坐标，计算直线AO的方向向量n_AO如式(6)：$n_{\mathrm{AO}}={[x_{\mathrm{AO}},y_{\mathrm{AO}},z_{\mathrm{AO}}]}^T={[\frac{u}{\sqrt{u^2+v^2+{(-f)}^2}},\frac{v}{\sqrt{u^2+v^2+{(-f)}^2}},\frac{-f}{\sqrt{u^2+v^2+{(-f)}^2}}]}^T---\left(6\right)$根据步骤一中求得的偏振方位角Ψ求得直线BD的方向向量n_BD如式(7)：n_BD＝[x_BD,y_BD,z_BD]^T＝[cosΦ,sinΦ,0]^T＝[‑sinΨ,cosΨ,0]^T   (7)根据n_AO和n_BD计算反射面的法向量n_R，如式(8)：n_R＝n_AO×n_BD   (8)(3)根据入射角θ_i、直线AO的方向向量n_AO、反射面的法向量n_R和入射光的方向向量n_i，根据式(14)计算出水面微面元的法向量n_W；$\left\{\begin{array}{c}{n}_W·n_{\mathrm{AO}}=\left|n_W\right|\left|n_{\mathrm{AO}}\right|\cos {\theta }_i\\ n_W·n_R=0\\ \left|n_W\right|=1\\ n_{\mathrm{AO}}-n_i=\pm n_W|n_{\mathrm{AO}}-n_i|\\ z_i=z_{\mathrm{AO}}\stackrel{-}{+}{z}_W·|n_{\mathrm{AO}}-n_i|\ge 0\end{array}\right.---\left(14\right)$其中，z_i为入射光的方向向量沿光轴方向的分量，z_AO为直线AO的方向向量沿光轴方向的分量，z_W为水面微面元法向量沿光轴方向的分量；步骤四、根据步骤三计算的水面微面元的法向量n_W求解水面波纹坡度，实现水面波纹非接触实时测量。