[发明专利]一种偏振视觉传感器结构设计与几何标定方法

摘要

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。

主权项

1.一种偏振视觉传感器结构设计及其几何标定方法，其特征在于包括以下步骤：(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；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；(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，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)偏振态求解对于一束偏振光，它的参数可以通过三次不相关的测量估计出来；偏振视觉传感器采用冗余配置，在进行偏振态解算时可以利用最小二乘估计获得最优的估计值如下： s ^ 0 s ^ 1 s ^ 2 = ( D 0 T D 0 ) - 1 D 0 T F ]]>其中，s0、s1、s2为偏振光的斯托克斯参数，即待求解的偏振态参数，D0和F分别为： D 0 = c o s 2 φ 1 sin 2 φ 1 1 c o s 2 φ 2 sin 2 φ 2 1 . . . . . . . . . c o s 2 φ M sin 2 φ M 1 , F = f 1 f 2 . . . f M ]]>其中fj为经过校正后的第j个相机的亮度值，φj是第j个偏振片的光轴方向相对于参考方向的夹角；(4)多相机几何标定，通过以下步骤实现：(a)单独标定各个相机的内参数cam＝[f；c；α；k]10×1，并建立各相机间的几何约束其中，f2×1为焦距，c2×1为光轴的中心，α为倾斜因子，k5×1为镜头的畸变参数，om3×1为罗得里格斯参数，它定义了三维空间中的一个旋转矢量，t3×1表示一个三维空间中的平移矢量；(b)定义全局的待估计的参数： p a r a = [ cam 1 ; cam 2 ; cam 3 ; cam 4 ; ( r t ) 1 2 ; ( r t ) 1 3 ; ( r t ) 1 4 ; ( r t ) w 1 ( 1 ) ; ... ( r t ) w 1 ( N v i e w ) ] ]]>其中相机的个数为4，Nview为每个相机拍摄的图片的个数；(c)对于世界坐标系中的一个特征点Xw，建立其在图像中投影方程： x ^ = g ( c a m , ( r t ) , X w ) ]]>计算雅可比矩阵J，它由投影方程对各个参数的一阶导数构成；(d)估计参数误差δp＝(JTJ)-1JTe，为了减小由线性化引入的误差，提高参数估计精度，利用Gauss-Newton迭代求解。