一种基于仿生视觉机理的水下偏振图像融合系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于仿生视觉机理的水下偏振图像融合系统，其包括基于非均匀光场的集束光水下偏振成像模块、偏振参量图像计算模块、图像存储模块、图像分级融合模块、输出显示模块。首先，采用集束光源作为水下照明建立非均匀光场，仿螳螂虾视觉偏振感知机理提取水下偏振图像，抑制水中悬浮微粒导致的后向散射；然后，利用偏振参量图像间的信息相关性和互补性，基于人眼视觉特性构建图像的分级融合模型，实现偏振图像的特征与多尺度融合。本发明专利技术可以有效地改善水下偏振图像的清晰度和对比度，有利于水下目标的检测与分析，进一步提高水下目标的探测精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水下成像及图像处理
，具体而言是一种基于仿生视觉机理的水下偏振图像融合系统及其方法。
技术介绍
近年来，随着水下环境感知需求的增长，水下光学成像技术被广泛应用于水下目标探测、水利工程、海洋地理工程勘察以及海洋军事等领域中。然而，水下成像过程中水体对光的散射和吸收效应带来的非线性影响，造成水下图像质量显著下降，图像细节模糊、噪声较强、对比度低，给图像的人工判读和自动解译带来了极大的困难。因此，如何有效地抑制后向散射是提高水下成像系统性能的关键，得到了学者们的广泛关注，非均匀照明光场理论、偏振成像技术是其中具有代表性的解决方案。非均匀照明光场理论从光源和光场分析角度减少后向散射噪声的影响：在图像接收系统的近距离范围内，用低能量密度照明，尽可能减小散射噪声的影响；对于较远目标，用高能量密度照明，提高目标信号的强度，实现无盲区接收并提高图像的清晰度。由于光的偏振特性变化稳定可预测，偏振成像在避免光线散射与吸收等方面具有独特的优势，是水下光学成像新的发展方向。如何充分利用多幅偏振图像信息的互补性，研究水下偏振图像的信息融合处理方法，提高图像的质量，使之有利于后续的目标检测与分析，是当前水下偏振图像处理的重要研究方向。在水下光学环境中，光的偏振特性变化稳定可预测，目标物体后向散射光的偏振度大于悬浮微粒后向散射光的偏振度，因此，在探测器前放置线偏振器或圆偏振器，可以减小悬浮微粒后向散射光的影响，从而提高水下成像的清晰度。将偏振检测技术用于水下目标探测，为复杂水下环境的目标探测提供了一条全新的技术途径。2005年，Schechner等人提出通过偏振成像提高自然照明条件下的水下图像能见度。通过处理偏振片在水平和垂直角度下采集的两幅图像，克服了后向散射造成的帷幔效应，改善了景物对比度。2006年，Treibitz等人提出采用宽视场偏振光照明，在接收器前放置检偏器并采集两幅偏振态相互垂直的水下偏振图像，该方法可以有效地消除后向散射效应。Dubreuil等人利用偏振态相互正交的水下偏振图像及其相关性度量来提高水下目标的检测性能。图像融合，是对同一目标的多个图像进行配准、合成，充分利用多个图像间的信息互补性，来克服单一图像的局限性，增加图像的信息量，使目标图像更趋完备，从而提高图像的可靠性和清晰度，达到增强图像质量的目的。由于偏振图像处理本质上需要利用不同偏振角度图像信息的互补性，基于图像融合方法的偏振图像处理技术得到了研究者们广泛的关注。考虑在复杂的水下环境中，研究偏振图像信息融合处理方法，提高偏振图像的清晰度和对比度，对提高偏振图像质量，实现准确可靠的水下目标探测至关重要。偏振图像融合方法目前多数应用于地面和遥感偏振成像中。融合方法主要采用两种模式，一种是基于伪彩色映射的图像融合，如ZhaoY等人在地面目标分类中提出基于偏振度线性调制和RGB颜色模型的图像融合方法，计算偏振参量图像及偏振角的共有信息，将得到的图像映射到RGB颜色空间，得到初步伪彩色融合结果，再通过定义偏振度调制系数，修正得到最终偏振融合图像，从而提高图像目标分类的有效性。另一种是基于多尺度变换的图像融合，如张德祥等人针对遥感目标识别应用，利用Directionlet变换对偏振参量图像和偏振度进行分解，对得到的低频子带采用加权平均融合算法，对高频子带先进行二维Teager滤波计算，获取边缘和非边缘信息，分别采用区域边缘最大和方向对比度最大的策略得到高频融合图像，最后经过反变换获得融合结果图像。但是直接对各偏振参量图像进行融合，计算复杂度较高；仅选用偏振强度图像与偏振度融合，会造成部分偏振信息丢失而影响融合结果。作为低等动物的海洋生物螳螂虾，它的复眼拥有高超的偏振感知能力但其大脑结构简单，而作为高级动物的人类，人眼的感知能力虽远不及螳螂虾的复眼，但是由于具有复杂的大脑结构，人的视觉系统拥有强大的信息处理能力。因此，本专利技术借鉴螳螂虾的偏振视觉感知机制，模拟人眼视觉系统强大的信息处理能力，提出了一种基于仿生视觉机理的水下偏振图像融合系统及其方法。该系统采用非均匀光场的集束光源作为水下照明，完成仿螳螂虾视觉的水下偏振成像和偏振参量图像计算，再实现基于人眼视觉特性(HVS)的水下偏振图像分级融合，包括特征融合和多尺度融合两个层级，从而提高偏振图像的清晰度和对比度，改善图像的视觉效果，提供直观、清晰、适合于分析的图像，专利检索及对国内外各种科技文献的最新检索表明，尚未有相关方法见诸文献。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有技术中存在的缺陷和不足，提出一种基于仿生视觉机理的水下偏振图像融合系统及其方法，可以实现水下目标的偏振图像采集和图像融合处理，从而获得细节信息丰富且对比度高的水下偏振图像。为了解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于仿生视觉机理的水下偏振图像融合系统，包括水下偏振成像模块、偏振参量图像计算模块、图像存储模块、图像分级融合模块以及输出显示模块；所述水下偏振成像模块，采用集束光源作为水下照明建立非均匀光场，在水下摄像机前面安置线偏振片，通过偏振片旋转控制器改变偏振角度，分别采集偏振角度为0°、45°、90°、135°的四幅线偏振图像I0°,I45°,I90°,I135°；所述偏振参量图像计算模块，模拟螳螂虾的偏振感知机制，建立双通道偏振拮抗模型，将所述四幅偏振角度互相垂直的线偏振图像I0°,I90°,I45°,I135°分别输入拮抗双通道，通过优化模型参数，计算获得具有不同偏振特征信息的偏振拮抗参数，包括偏振拮抗参数Ph和Pd，其中Ph表示由I0°和I90°组成的1通道的输出偏振拮抗参数，Pd表示由I45°和I135°组成的2通道的输出偏振拮抗参数，并采用Stokes向量法计算出线偏振度DoP和合成光强I，从而得到偏振拮抗参数Ph、Pd和线偏振度DoP、合成光强I的四幅水下偏振参量图像；所述图像存储模块，对采集和计算的水下偏振参量图像数据进行存储；所述图像分级融合模块，基于人眼视觉特性构建水下偏振图像的分级融合模型，依次实现第一级特征融合和第二级的多尺度融合，得到细节信息丰富且对比度高的偏振融合图像；所述输出显示模块，将所述偏振融合结果图像输出显示。前述的一种基于仿生视觉机理的水下偏振图像融合系统，其特征在于：所述偏振参量图像计算模块，仿螳螂虾偏振视觉的偏振拮抗参数计算方法，包括以下步骤：(1)借鉴螳螂虾的偏振拮抗感知机制，建立双通道偏振拮抗模型，形成两个线偏振拮抗通道，每个通道由相互正交的一对偏振信号作为输入，即1通道由I0°和I90°作为输入，2通道由I45°和I135°作为输入；(2)设计线偏振拮抗通道的调谐参数s和t，对1通道和2通道的输入偏振信号对分别进行线性加权处理，得到双通道的输出偏振拮抗参数Ph和Pd。其中，所述步骤(2)中，1通道和2通道的输出偏振拮抗参数计算公式如下：Ph＝s×I0°+t×I90°Pd＝s×I45°+t×I135°，其中，s和t为线偏振拮抗通道的调谐参数。前述的一种基于仿生视觉机理的水下偏振图像融合系统，其特征在于：所述图像分级融合模块中，基于人眼视觉特性的水下偏振参量图像分级融合方法，分为特征融合和多尺度融合两个层级，第一级特征融合包括以下步骤：(1)将Ph、Pd和DoP三幅偏振参本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于仿生视觉机理的水下偏振图像融合系统，其特征在于：包括水下偏振成像模块、偏振参量图像计算模块、图像存储模块、图像分级融合模块以及输出显示模块；所述水下偏振成像模块，采用集束光源作为水下照明建立非均匀光场，在水下摄像机前面安置线偏振片，通过偏振片旋转控制器改变偏振角度，分别采集偏振角度为0°、45°、90°、135°的四幅线偏振图像I0°,I45°,I90°,I135°；所述偏振参量图像计算模块，模拟螳螂虾的偏振感知机制，建立双通道偏振拮抗模型，将所述四幅偏振角度互相垂直的线偏振图像I0°,I90°,I45°,I135°分别输入拮抗双通道，通过优化模型参数，计算获得具有不同偏振特征信息的偏振拮抗参数，包括偏振拮抗参数Ph和Pd，其中Ph表示由I0°和I90°组成的1通道的输出偏振拮抗参数，Pd表示由I45°和I135°组成的2通道的输出偏振拮抗参数，并采用Stokes向量法计算出线偏振度DoP和合成光强I，从而得到偏振拮抗参数Ph、Pd和线偏振度DoP、合成光强I的四幅水下偏振参量图像；所述图像存储模块，对采集和计算的水下偏振参量图像数据进行存储；所述图像分级融合模块，基于人眼视觉特性构建水下偏振图像的分级融合模型，依次实现第一级特征融合和第二级的多尺度融合，得到细节信息丰富且对比度高的偏振融合图像；所述输出显示模块，将所述偏振融合结果图像输出显示。...

【技术特征摘要】
1.一种基于仿生视觉机理的水下偏振图像融合系统，其特征在于：包括水下偏振成像模块、偏振参量图像计算模块、图像存储模块、图像分级融合模块以及输出显示模块；所述水下偏振成像模块，采用集束光源作为水下照明建立非均匀光场，在水下摄像机前面安置线偏振片，通过偏振片旋转控制器改变偏振角度，分别采集偏振角度为0°、45°、90°、135°的四幅线偏振图像I0°,I45°,I90°,I135°；所述偏振参量图像计算模块，模拟螳螂虾的偏振感知机制，建立双通道偏振拮抗模型，将所述四幅偏振角度互相垂直的线偏振图像I0°,I90°,I45°,I135°分别输入拮抗双通道，通过优化模型参数，计算获得具有不同偏振特征信息的偏振拮抗参数，包括偏振拮抗参数Ph和Pd，其中Ph表示由I0°和I90°组成的1通道的输出偏振拮抗参数，Pd表示由I45°和I135°组成的2通道的输出偏振拮抗参数，并采用Stokes向量法计算出线偏振度DoP和合成光强I，从而得到偏振拮抗参数Ph、Pd和线偏振度DoP、合成光强I的四幅水下偏振参量图像；所述图像存储模块，对采集和计算的水下偏振参量图像数据进行存储；所述图像分级融合模块，基于人眼视觉特性构建水下偏振图像的分级融合模型，依次实现第一级特征融合和第二级的多尺度融合，得到细节信息丰富且对比度高的偏振融合图像；所述输出显示模块，将所述偏振融合结果图像输出显示。2.根据权利要求1所述的一种基于仿生视觉机理的水下偏振图像融合系统，其特征在于：所述偏振参量图像计算模块，仿螳螂虾偏振视觉的偏振拮抗参数计算方法，包括以下步骤：(1)借鉴螳螂虾的偏振拮抗感知机制，建立双通道偏振拮抗模型，形成两个线偏振拮抗通道，每个通道由相互正交的一对偏振信号作为输入，即1通道由I0°和I90°作为输入，2通道由I45°和I135°作为输入；(2)设计线偏振拮抗通道的调谐参数s和t，对1通道和2通道的输入偏振信号对分别进行线性加权处理，得到双通道的输出偏振拮抗参数Ph和Pd。其中，所述步骤(2)中，1通道和2通道的输出偏振拮抗参数计算公式如下：Ph＝s×I0°+t×I90°Pd＝s×I45°+t×I135°，其中，s和t为线偏振拮抗通道的调谐参数。3.根据权利要求1所述的一种基于仿生视觉机理的水下偏振图像融合系统，其特征在于：所述图像分级融合模块中，基于人眼视觉特性的水下偏振参量图像分级融合方法，分为特征融合和多尺度融合两个层级，第一级特征融合包括以下步骤：(1)将Ph、Pd和DoP三幅偏振参量图像矩阵分别按列首尾相连存成3个列向量，再组成一个3列的矩阵作为非负矩阵分解(NMF)的输入数据矩阵Ai×3(其中，i＝nm是每幅图像的像素总数，n、m分别...

【专利技术属性】
技术研发人员：周妍，李庆武，霍冠英，朱金秀，刘艳，盛惠兴，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏;32