[發明專利]一種面向野外水體監測的自適應多波段-偏振光學成像系統及方法

有效

• 申請號: 202010722040.2
• 申請日: 2020-07-24
• 公開（公告）號: CN111912790B
• 公開（公告）日: 2023-04-28
• 發明（設計）人: 張振;周曉波;王慧斌;沈潔;陳哲;高紅民;張麗麗
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G01N21/21
• 分類號: G01N21/21;G01N21/01;G03B17/14;G03B11/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 顏盈靜

本發明公開了一種面向野外水體監測的自適應多波段?偏振光學成像系統及方法，包括相機鏡頭、濾光片轉輪、圖像傳感器、電機系統、處理器模塊和電源模塊；由濾光片轉輪上安裝的不同波段及偏振方向的濾光片構成九個成像通道，處理器模塊控制圖像傳感器拍攝場景可見光圖像，利用其中部署的目標檢測模型對圖像進行特征的提取和目標識別，然后辨識出場景類別，發送信號給電機系統，控制濾光片轉輪調整至該場景對應的最佳拍攝通道進行后續監測任務，本發明適用于野外水體監測中水尺水位、水面流速、水面漂浮物監測等應用場景，本發明實現了高信噪比圖像的實時獲取，能夠滿足復雜光照、水流和氣象條件下全天候連續監測的需求。

技術領域

本發明涉及一種面向野外水體監測的成像技術領域，特別涉及一種面向野外水體監測的自適應多波段-偏振光學成像系統及方法。

背景技術

智慧水利是智慧社會的組成部分，是推進水利現代化的重要舉措，也是水利信息化的發展方向。智慧水利體系中的信息感知層依托水利感知網實現，實現了水利大腦對涉水對象及其環境信息的監測、感知，是水利大腦獲得信息輸入的渠道，而透徹感知不足是其主要瓶頸之一。智能水利視頻監測技術是一種安全實用、先進可靠的重要感知手段，具有傳統水文、水利監測儀器不可比擬的優勢。

然而，現場環境下利用自然光照明相比實驗室中采用人工光源的成像條件要復雜得多，水面作為空氣和水介質的臨界面，水流示蹤物、水尺、漂浮物等水面目標的光學成像不僅易受到各種氣象條件(刮風、降雨、水霧)的影響，更會受到水下出射光(河床、水生動植物)以及水面反射光(耀光、倒影)的干擾。這些光學噪聲不隨水流運動但卻隨時間動態變化，在圖像中形成極明、極暗或紋理復雜的干擾模式并具有較大的空間尺度，顯著降低了水面目標的可見性以及圖像分析的信噪比，極易引起檢測的失效。受制于野外水體監測應用場景中存在的各種復雜光學噪聲，僅依靠圖像處理算法的后期處理對水面圖像信噪比的提升效果欠佳；現有的基于單一可見光成像光學系統的監控攝像機難以滿足復雜光照、水流和氣象條件下野外水體的長期自動監測。

發明內容

發明目的：為解決單一可見光成像光學系統的監控攝像機難以滿足復雜光照、水流和氣象條件下野外水體的長期自動監測的問題，本發明提出了一種面向野外水體監測的自適應多波段-偏振光學成像系統及方法。

技術方案：一種面向野外水體監測的自適應多波段-偏振光學成像系統，包括：用于進行通道對焦的相機鏡頭、安裝有不同波段及偏振方向濾光片的濾光片轉輪、圖像傳感器模塊、處理器模塊和電機系統；一個濾光片構成一個拍攝通道，所述濾光片轉輪設置在圖像傳感器模塊與相機鏡頭之間，且該濾光片轉輪通過轉軸連接電機系統，所述圖像傳感器模塊受處理器模塊控制進行圖像拍攝并將圖像輸出至處理器模塊，所述處理器模塊根據圖像傳感器拍攝的圖像發送相應的控制信號給電機系統，所述電機系統根據接收到的控制信號控制濾光片轉輪調整拍攝通道。

進一步的，所述處理器模塊內置通道選擇模塊，所述通道選擇模塊對圖像傳感器模塊拍攝的圖像進行水面目標檢測和場景辨識，并基于該場景確定對應的拍攝通道；所述處理器模塊根據通道選擇模塊輸出的拍攝通道向電機系統發送控制信息。

進一步的，所述通道選擇模塊包括：

目標檢測模型，用于對圖像傳感器模塊拍攝的圖像進行特征提取和水面目標檢測，得到圖像內各水面目標的類別及各水面目標的邊界框；所述水面目標的類別包括耀光、波紋、綠植、秸稈、冰雪、泡沫、塑料、木板、油膜、有機質、樹葉；

場景辨識模塊，用于基于目標檢測模型輸出的各水面目標的類別及各水面目標的邊界框進行場景辨識，得到場景類別；所述場景類別包括環境光照不足場景、水面耀光強烈場景、水面波紋監測場景、水面波紋監測場景、綠植漂浮物監測場景、秸稈漂浮物監測場景、冰雪漂浮物監測場景、水面泡沫監測場景、塑料漂浮物監測場景、木板漂浮物監測場景、油膜漂浮物監測場景、有機質漂浮物監測場景和樹葉漂浮物監測場景；

拍攝通道選擇模塊，用于根據場景辨識模塊輸出的場景類別從內置的通道查找表中獲取相應的拍攝通道；