[发明专利]一种面向野外水体监测的自适应多波段-偏振光学成像系统及方法

说明书

本发明公开了一种面向野外水体监测的自适应多波段‑偏振光学成像系统及方法，包括相机镜头、滤光片转轮、图像传感器、电机系统、处理器模块和电源模块；由滤光片转轮上安装的不同波段及偏振方向的滤光片构成九个成像通道，处理器模块控制图像传感器拍摄场景可见光图像，利用其中部署的目标检测模型对图像进行特征的提取和目标识别，然后辨识出场景类别，发送信号给电机系统，控制滤光片转轮调整至该场景对应的最佳拍摄通道进行后续监测任务，本发明适用于野外水体监测中水尺水位、水面流速、水面漂浮物监测等应用场景，本发明实现了高信噪比图像的实时获取，能够满足复杂光照、水流和气象条件下全天候连续监测的需求。

技术领域

本发明涉及一种面向野外水体监测的成像技术领域，特别涉及一种面向野外水体监测的自适应多波段-偏振光学成像系统及方法。

背景技术

智慧水利是智慧社会的组成部分，是推进水利现代化的重要举措，也是水利信息化的发展方向。智慧水利体系中的信息感知层依托水利感知网实现，实现了水利大脑对涉水对象及其环境信息的监测、感知，是水利大脑获得信息输入的渠道，而透彻感知不足是其主要瓶颈之一。智能水利视频监测技术是一种安全实用、先进可靠的重要感知手段，具有传统水文、水利监测仪器不可比拟的优势。

然而，现场环境下利用自然光照明相比实验室中采用人工光源的成像条件要复杂得多，水面作为空气和水介质的临界面，水流示踪物、水尺、漂浮物等水面目标的光学成像不仅易受到各种气象条件(刮风、降雨、水雾)的影响，更会受到水下出射光(河床、水生动植物)以及水面反射光(耀光、倒影)的干扰。这些光学噪声不随水流运动但却随时间动态变化，在图像中形成极明、极暗或纹理复杂的干扰模式并具有较大的空间尺度，显著降低了水面目标的可见性以及图像分析的信噪比，极易引起检测的失效。受制于野外水体监测应用场景中存在的各种复杂光学噪声，仅依靠图像处理算法的后期处理对水面图像信噪比的提升效果欠佳；现有的基于单一可见光成像光学系统的监控摄像机难以满足复杂光照、水流和气象条件下野外水体的长期自动监测。

发明内容

发明目的：为解决单一可见光成像光学系统的监控摄像机难以满足复杂光照、水流和气象条件下野外水体的长期自动监测的问题，本发明提出了一种面向野外水体监测的自适应多波段-偏振光学成像系统及方法。

技术方案：一种面向野外水体监测的自适应多波段-偏振光学成像系统，包括：用于进行通道对焦的相机镜头、安装有不同波段及偏振方向滤光片的滤光片转轮、图像传感器模块、处理器模块和电机系统；一个滤光片构成一个拍摄通道，所述滤光片转轮设置在图像传感器模块与相机镜头之间，且该滤光片转轮通过转轴连接电机系统，所述图像传感器模块受处理器模块控制进行图像拍摄并将图像输出至处理器模块，所述处理器模块根据图像传感器拍摄的图像发送相应的控制信号给电机系统，所述电机系统根据接收到的控制信号控制滤光片转轮调整拍摄通道。

进一步的，所述处理器模块内置通道选择模块，所述通道选择模块对图像传感器模块拍摄的图像进行水面目标检测和场景辨识，并基于该场景确定对应的拍摄通道；所述处理器模块根据通道选择模块输出的拍摄通道向电机系统发送控制信息。

进一步的，所述通道选择模块包括：

目标检测模型，用于对图像传感器模块拍摄的图像进行特征提取和水面目标检测，得到图像内各水面目标的类别及各水面目标的边界框；所述水面目标的类别包括耀光、波纹、绿植、秸秆、冰雪、泡沫、塑料、木板、油膜、有机质、树叶；

场景辨识模块，用于基于目标检测模型输出的各水面目标的类别及各水面目标的边界框进行场景辨识，得到场景类别；所述场景类别包括环境光照不足场景、水面耀光强烈场景、水面波纹监测场景、水面波纹监测场景、绿植漂浮物监测场景、秸秆漂浮物监测场景、冰雪漂浮物监测场景、水面泡沫监测场景、塑料漂浮物监测场景、木板漂浮物监测场景、油膜漂浮物监测场景、有机质漂浮物监测场景和树叶漂浮物监测场景；

拍摄通道选择模块，用于根据场景辨识模块输出的场景类别从内置的通道查找表中获取相应的拍摄通道；