[发明专利]模拟复眼视觉机制和偏振成像的水面目标运动检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟复眼视觉机制和偏振成像的水面目标运动检测方法，尤其涉及一种水面目标运动成像量测方法，属于计算机视觉技术领域。

背景技术

针对海洋、湖泊、河流等水面目标光学成像检测及运动参数估计在许多领域取得了广泛应用。目前用于水面目标检测的光学成像研究多集中于光强或光谱信息。但由于多变的自然、气候条件以及目标多变的光学属性，并不能认为基于该光学成像方法的水面目标检测是普适的、最优的。因而有些研究逐渐转向其他的光学特性，其中最为典型的是光学偏振性。自从1992年研究者首次将光学偏振特性引入到油面检测中并证明光学偏振性有利于提高水面目标检测准确度后，光学偏振性差异逐渐被视为一种新的水面目标检测方法。

由于极为复杂的水面光学环境，即使采用较为完善的前端水面光学信息采集单元，所获取的信息仍然极不稳定，包含有大量的噪声。因此要最终完成检测工作，系统还必须依赖于后端检测算法的支持。目前用于水面目标检测的算法主要有基于背景建模及非背景建模的方法。其中，基于背景建模的目标检测方法检测率较高，且具有较高的抗噪声能力，因此其鲁棒性较为出色。但是背景模型计算的高复杂性及自然背景的多变性严重影响该方法的推广性。

相比较，非背景建模的目标检测算法不需要繁琐的建模过程，仅仅根据水面图像本身所反映出的信息进行目标检测，有时会获得更大的成功，但由于没有背景模型的支持，因而背景信息同目标信息见的区分是该方法的关键。针对这一关键点，本发明通过对亲水昆虫-蜻蜓的最新研究成果利用仿生技术方案加以解决。

发明内容

发明目的：本发明一种模拟复眼视觉机制和偏振成像的水面目标运动检测方法，通过提出光学偏振同步成像方法，进而模拟复眼视觉机制的目标检测方法及两者结合的创新策略，保持蜻蜓复眼对观测目标偏振的光学敏感性，转化其在复杂水面光学环境下检测和追踪目标的优势。

技术方案：一种模拟复眼视觉机制和偏振成像的水面目标运动检测方法，首先通过在图像传感器前加装光谱滤光片及偏振滤波片组成特定光谱段的偏振成像系统，在水面目标检测，采集偏振度图像；

考虑到偏振度图像的融合，根据三通路偏振成像技术采用三组偏振水面成像系统，并利用偏振图像配准技术及Stokes模型进行计算，形成融合偏振度图像，增强水面目标与水面背景间的光学信息对比；

随后，采用仿生技术，以重叠捆绑的多个局部窗口(3×3或5×5)构建虚拟的小眼群(n×局部窗口尺寸，n代表局部窗口的个数)，通过小眼群滑动扫描式地模拟复眼结构中若干只小眼对融合偏振度图像进行重叠采样，读取偏振度信息；形成单一的脉冲响应，以此实现图像信息的读入。

随后，利用仿蜻蜓视觉中的大场景(LF)、小场景(SF)系统对水面场景压缩传感和表征，利用仿池细胞的优化调度LF、SF信道，将虚拟小眼群所获偏振度信息模拟转换生成脉冲序列，突显纹理和边缘等特征，形成水面运动目标的敏感性特征，作为对水面场景中不同目标运动检测的依据；仿蜻蜓视觉中的大场景、小场景系统对水面场景的压缩传感和表征，部分模拟LF系统和SF系统两个独立并行通道对偏振度信息均具有不同的时空整合特性，其中LF对大尺度的变化较为敏感，SF对小尺度的变化敏感。进而通过仿池细胞的生理机制优化调度LF及SF信道，突显纹理和边缘等特征，形成目标敏感特征，以脉冲序列的形式表征，作为对场景中不同目标运动检测的依据。

最后，基于脉冲序列特征进行仿生目标匹配以实现运动矢量估计。根据连续脉冲序列的点火及时点火序差异对水面场景中多类目标进行检测并分类；多帧视频图像目标脉冲的合并及匹配，进而生成目标运动矢量估计。

根据三通路偏振成像技术采用三组偏振水面成像系统，并利用偏振图像配准技术及Stokes模型进行计算，形成融合偏振度图像，其中，三通路偏振成像技术即三通路同时水面偏振成像，所述三组偏振水面成像系统由于受到偏振镀膜工艺水平的限制，采用三组CMOS图像传感器，CMOS图像传感器表贴0°、45°及90°方向偏振片及光谱滤光片。能够实现红外偏振成像，增强水流示踪物与水面背景间的光学对比。

利用偏振图像配准技术及Stokes模型进行计算，形成融合偏振度图像，具体是指：采用基于Harris角点的特征点匹配算法，将同一时刻所拍摄的水面三角度偏振图像进行像素级的配准。在此基础上，利用Stokes方程计算图像中每个像素点所对应的偏振度信息，得到一帧偏振度图像；能够反映场景中目标同背景间的偏振度信息差异。