[发明专利]一种偏振视觉传感器结构设计与几何标定方法

说明书

本发明公开了一种偏振视觉传感器结构设计与几何标定方法。该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。通过优化四目偏振相机结构设计以及偏振片光轴方向设计，提高了偏振态测量精度及鲁棒性；引入最小二乘算法求解冗余配置下的最优估计；利用Gauss‑Newton迭代算法解决多相机间的几何标定问题。本发明解决了基于四相机的偏振视觉传感器的结构设计、多相机间安装误差的补偿问题，能够实时测量区域天空的偏振态信息，具有测量精度高、鲁棒性好的优点。

技术领域

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

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。

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。

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 PolarizationMeasurements[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

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。

为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：

一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：

(1)四目偏振相机结构设计

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)；

(2)偏振片光轴方向设计

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；

(3)偏振态求解