一种三通道CMOS同步偏振成像系统技术方案

本发明专利技术公开一种三通道CMOS同步偏振成像系统，属于光电成像探测技术领域。系统包括：偏振光学系统、三通道CMOS图像采集模块、DSP图像处理器模块、图像配准算法。偏振光学系统由线偏振片和电动三可变镜头及其驱动模块构成。三个采集通道的线偏振的安装方向为0°、45°和90°。三通道CMOS图像采集模块由三路CMOS图像传感器构成，完成最大分辨率下的图像采集，可适用于静态图像捕捉和连续视频采集。DSP图像处理器模块可同时处理多路数字视频流。图像配准算法包括特征点检测、特征点匹配、变换模型估计、图像的变换和重采。本发明专利技术能较好的检测出水面示踪粒子，为大尺度粒子图像测速提供有效的粒子检测效果。

【技术实现步骤摘要】
一种三通道CMOS同步偏振成像系统
本专利技术涉及一种同步偏振成像系统，尤其涉及一种三通道CMOS同步偏振成像系统，属于光电成像探测领域。
技术介绍
随着偏振成像理论的发展，偏振成像探测技术已成为现代测量技术的重要探测手段。与自然物体相比，人造物体的轮廓和表面有着明显较大的偏振度，利用偏振度信息可以提高图像中人造物体的对比度。根据偏振测量理论可知，只要测出3个不同角度的线偏振光的光强，就可以解出偏振光的偏振度和偏振角。目前的大尺度粒子图像测速大都采用传统的目标检测系统来检测水面示踪粒子。通过采集水面光强信息成像，利用目标与背景的光强差异检测目标。然而，在实际的水面图像获取过程中，由于可见光在大气或水中传播时，将会受到介质中粒子的散射和反射，使传统的目标检测系统获取的图像存在图像模糊，对比度低，信息丢失严重等问题，导致目标检测存在较大的难度。同时，在获取水面图像时，由于水面发生镜面反射，导致发生镜面反射的图像区域出现高亮的现象，在进行示踪粒子检测时，无法有效将示踪粒子检测出来。本专利技术提出的一种三通道CMOS同步偏振成像系统，与传统的光强成像相比，本方法能较好的检测出水面示踪粒子，为大尺度粒子图像测速提供有效的粒子检测效果。
技术实现思路
专利技术目的:针对现有水面示踪粒子的准确检测与识别存在的不足，提供了一种三通道CMOS同步偏振成像系统。本专利技术通过以下技术方案实现:一种三通道CMOS同步偏振成像系统，由偏振光学系统、三通道CMOS图像采集模块、DSP图像处理器模块、图像配准算法组成，其特征在于:偏振光学系统获取三路不同方向的水面偏振图像，即每一路CMOS前分别安装一个0° ,45°和90°方向的线偏振片；DSP图像处理器模块控制三路CMOS进行同步曝光，从而获取三路不同方向的水面偏振图像。DSP处理器将获取到的三个不同方向的偏振图像通过网络上传给上位机。图像配准算法在上位机上采用Matlab软件来完成，利用改进的SIFT特征匹配算法对三幅偏振图像进行配准，通过解Stokes参数,获得线偏振度图像。所述的一种三通道CMOS同步偏振成像系统，其特征在于:所述的偏振光学系统在TMS320DM642的控制下，由参数配置模块实现对三个CMOS进行参数同步配置。通过电动三可变镜头在不同采集条件下实现对焦距、光圈和对焦的控制。在每一路采集通道的镜头前安装三个不同方向的线偏振片，每一路CMOS前分别安装一个O° ,45°和90°方向的线偏振片，用于CMOS获取偏振图像。所述的一种三通道CMOS同步偏振成像系统，其特征在于:所述的DSP图像处理器模块采用TI公司生产的DSP芯片TMS320DM642作为本系统的处理器。TMS320DM642 (以下简称DM642)是TI公司于2003年左右推出的一款32位定点DSP芯片，主要面向数字媒体，属于C6000系列的DSP芯片。DM642带有三个双通道数字视频口 VP0、VP1、VP2，可同时处理多路数字视频流，满足本设计中要求的同时采集三路CMOS偏振图像的需求。同时，DM642上带有一个10/100M的以太网接口 EMAC，该接口通过与物理层设备的无缝连接即可实现网络传输。为了满足图像采集过程中大数据量存储的需求，在DM642的CEO空间通过EMIFA接口外扩了 4片4MX16bits的SDRAM存储器芯片，构成4MX16bits的SDRAM存储空间，使系统的数据存储空间达到32MB。由于DM642片内不带FLASH或EEPR0M，系统掉电后DM642存储器中的数据和程序将全部丢失，所以DM642的外部通常需要扩展FLASH存储器，用于存储程序和重要的数据。在DM642的CEl空间外扩了一片4MX8bits的FLASH存储芯片作为程序存储器，构成4MB的程序存储空间。当DM642上电或复位时，自动从FLASH上加载程序代码。 所述的一种三通道CMOS同步偏振成像系统，其特征在于:所述的图像配准算法主要计算步骤有:特征点检测、特征点匹配、变换模型估计、图像的变换和重采样。将45°方向获取的偏振图像的图像坐标作为参考坐标，图像配准的过程是指将0°方向和90°方向的偏振图像的坐标纠正到参考图像坐标上。所述的一种三通道CMOS同步偏振成像系统，其特征在于:所述的图像匹配算法采用提出了一种改进的SIFT特征匹配算法对虚假的匹配特征点对进行了排除，因而能够有效的减少错误的匹配特征点对。同时由于排除了不存在与之匹配的特征点，使得集合ptmp中的特征点数少于集合p中的特征点数，大大减少了对128维特征描述子求欧式距离比的工作量，有效的提高了系统的运行效率。设参考图像中的所有特征点的集合为P={Pi, P2,…，pj ,特征点Pi的像素坐标为(XiJi)15设待配准图像中所有特征点的集合为Q=Iq1, q2,…，qn},特征点(x’，y’ )的像素坐标为(X」，y」)，计算集合p中所有特征点与集合Q中所有特征点的坐标欧氏距离:E =小X, — X.)~ — (y.— V.)(a)设足一个固定的阈值disRatio,当E满足如下关系时E < disRatio (b)则认为参考图像中的特征点Pi在待配准图像中存在与之匹配的特征点，否则认为待配准图像中不存在与P1-配的特征点。将集合P中所有满足公式(b)的特征点保存在集合ptmp中，然后利用集合ptmp中的特征点与集合Q中的特征点，进行特征匹配。在求得了参考图像和待配准图像中的匹配特征点对后，根据这些特征点对来估计变换模型。变换模型实际上表示的是从参考图像到待配准图像的一个映射关系。常用变换模型有刚体变换、仿射变换、投影变换和非线性变换等。本文采用仿射变换模型来表示参考图像和待配准图像之间的变换关系。仿射变换模型可用如下式来表示:r n (x) f m卜，),、, =+(。){)) 1?% 讲4 八少'J其中，(X，y)和(x’，y’ )是一对特征点对，(x, y)是特征点在参考图像中的坐标，(x’，y’ )是特征点在待配准图像中的坐标。mQ、m2、m3、m4、m5是仿射变换模型参数。变换模型的估计即是求解该6个参数的值。本专利技术采用的是双线性插值法对图像进行变换和重采样。双线性插值法假定内插点P周围四个点围城的区域内的灰度变化是线性的，从而可以用线性内插方法，根据四个近邻像素的灰度值，计算出内插点P的灰度值即可。本专利技术采用上述技术方案，具有以下有益效果:1、抗干扰能力强。利用偏振度图像能够较好的提高目标与背景的对比度，从而有效抑制复杂的水面光学噪声，从而提高水流示踪物运动矢量估计的准确性。利用配准后的三个不同方向的水面偏振图像所求得的线偏振度图像较普通的光强度图像能够更好的检测出水面示踪粒子，为大尺度粒子图像测速提供了良好的目标检测结果2、图像配准精度高。本文提出的同步参数配置方法能够实现三路不同方向的偏振图像的同步获取，同时本文提出的改进的SIFT特征匹配算法能够提供良好的图像配准效果O3、系统灵活高效。本文采用同步参数配置曝光的方法来实现三路CMOS同步曝光，，同步脉冲发生器、参数锁存与计数器和串行读写模块均有由CPLD来实现，串行读写模块在同步脉冲发生器产生的脉冲控制下，通过I2C总线将配置参数写入CMOS的内部寄存器中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三通道CMOS同步偏振成像系统，由偏振光学系统、三通道CMOS图像采集模块、DSP图像处理器模块、图像配准算法组成，其特征在于：偏振光学系统获取三路不同方向的水面偏振图像，即每一路CMOS前分别安装一个0°、45°和90°方向的线偏振片；?DSP图像处理器模块控制三路CMOS进行同步曝光，从而获取三路不同方向的水面偏振；图像配准算法在上位机上采用Matlab软件来完成，利用改进的SIFT特征匹配算法对三幅偏振图像进行配准，通过解Stokes参数，获得线偏振度图像。

【技术特征摘要】
1.一种三通道CMOS同步偏振成像系统，由偏振光学系统、三通道CMOS图像采集模块、DSP图像处理器模块、图像配准算法组成，其特征在于:偏振光学系统获取三路不同方向的水面偏振图像，即每一路CMOS前分别安装一个0°、45°和90°方向的线偏振片；DSP图像处理器模块控制三路CMOS进行同步曝光，从而获取三路不同方向的水面偏振；图像配准算法在上位机上采用Matlab软件来完成，利用改进的SIFT特征匹配算法对三幅偏振图像进行配准，通过解Stokes参数，获得线偏振度图像。2.根据权利要求1所述的一种三通道CMOS同步偏振成像系统，其特征在于:所述的偏振光学系统在TMS320DM642的控制下，由参数配置模块实现对三个CMOS进行参数同步配置；通过电动三可变镜头在不同采集条件下实现对焦距、光圈和对焦的控制；在每一路采集通道的镜头前安装三个不同方向的线偏振片，每一路CMOS前分别安装一个O。、45°和90°方向的线偏振片，用于CMOS获取偏振图像。3.根据权利要求1所述的一种三通道CMOS同步偏振成像系统，其特征在于:所述的DSP图像处理器模块采用TI公司生产的DSP芯片TMS320DM642作为本系统的处理器；TMS320DM642(以下简称DM642)是TI公司于2003年左右推出的一款32位定点DSP芯片，主要面向数字媒体，属于C6000系列的DSP芯片；DM642带有三个双通道数字视频口 VP0、VP1、VP2，可同时处理多路数字视频流，满足本设计中要求的同时采集三路CMOS偏振图像的需求；同时，DM64...

【专利技术属性】
技术研发人员：张振，陈婷，顾慧，邱军林，王鑫，高建强，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：