基于三象限偏振片的天空偏振模式探测方法与系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明的应用属于天文导航技术领域，涉及一种利用三象限偏振片和手持式光场 相机探测天空偏振模式的方法与系统。
【背景技术】
[0002] 利用天空光的偏振分布信息可以进行导航，它具有抗干扰能力强、成本较低等特 点。为实现精确的天空偏振光导航，需要准确探测天空在较大视场范围内的偏振度和偏振 化方向角信息。通常把偏振度和偏振化方向角信息一起称为偏振模式。目前用于大视场天 空偏振模式探测的方法主要有两种，分别是基于光电二极管的方法和相机成像的方法。基 于光电二极管的方法需要很多个光电二极管指向不同的天区测量，因而系统结构复杂，实 现也较为困难。相机成像的方法借助于广角镜头可对大视场的天空区域直接成像，但是为 了测量偏振模式需要获得多幅不同偏振方向下的天空图像，这往往需要通过一个相机多次 拍摄或者多个相机同时拍摄两种途径来实现，前一实现途径实时性不强，后一实现途径会 导致系统结构复杂。
[0003] 总之，在实现大视场天空偏振模式探测时，现有的方法要么实时性差，要么系统结 构复杂。手持式光场相机的出现为实现经过一次成像即可测量大视场天空偏振模式提供了 可能。手持式光场相机是一种在普通相机的光敏感元件前安装有微透镜阵列的新型成像器 件，它由华裔科学家Ren Ng于2005年发明。由于微透镜阵列的存在，手持式光场相机在对 天空拍摄时每个微透镜都将某个特定视点下的天区成像为弥散光斑。将该弥散光斑按照不 同区域分割利用，实现天空同一视点不同偏振方向下图像的获取，则可达到一次成像即完 成大视场天空偏振模式探测的目的。
【发明内容】
[0004] 发明要解决的技术问题是：本发明基于一种天空偏振模式探测系统，提供一种天 空偏振模式探测方法。本发明通过单个手持式光场相机对大视场天空的一次成像，即实现 了天空偏振模式的探测，用于解决现有方法在天空偏振模式探测时要么因需要多次测量而 使得系统实时性差，要么因需要多套测量单元而导致系统结构复杂的问题。
[0005] 本发明的技术方案一是：
[0006] -种天空偏振模式探测系统，包括镜头，三象限偏振片，手持式光场相机，其特征 在于，三象限偏振片位于镜头光圈所在平面，由三个材料相同的偏振片组成。其中，相邻两 个偏振片的偏振方向之间的夹角为60°。
[0007] 本发明的技术方案二是：
[0008] -种天空偏振模式探测方法，利用技术方案一提供的天空偏振模式探测系统，具 体包括下述步骤：
[0009] 第一步，利用天空偏振模式探测系统拍摄一幅天空图像，并将天空图像的灰度值 转化为目标福射的光强值。
[0010] 第二步，获得天空偏振度和偏振化方向角。
[0011] 设天空偏振模式探测系统中手持式光场相机的微透镜阵列包括M行、N列微透镜； 任意微透镜Ler vn对应的成像圆斑中心的像素在图像坐标系下的坐标为（X"in，Yniin),其中第 一个坐标元素表示像素在图像中的行序号，第二个坐标元素表示像素在图像中的列序号。 图像坐标系约定如下：图像左上角为坐标系的原点，图像中竖直向下的方向为第一个坐标 元素的正向，图像中水平向右的方向为第二个坐标元素的正向。成像圆斑半径为d个像素， 其中d彡5，I < m < M，1 < η < N。本发明中所有微透镜的焦距相同，尺寸相同，成像圆斑 半径也相同。
[0012] 利用下式计算微透镜Eniin对应的天区偏振度Pniin和偏振化方向角θ η η:
[0014] 公式一中，I。。表示天空图像中所有与像素点（Xniin-D, Yniin)的距离小于等于
个像素的像素点的光强平均值；其中，
□表示四舍五入取整。
[0015] 公式一中，I6。。表示天空图像中所有与像素点
的距 离小于等于
个像素的像素点的光强平均值。其中，□表示四舍五入取整。
[0016] 公式一中，I12。。表示天空图像中所有与像素点
的距 离小于等于
个像素的像素点的光强平均值。
[0017] 对所有的微透镜Lenlil, . . . Lenm,n. . .，LenMit^$照上述方法进行计算，从而得到 所有微透镜对应视角的天区偏振度矩阵P(PM，... Pniin,... ΡΜιΝ)和偏振化方向角矩阵 θ (θ^... θηη，... ΘΜΝ)。偏振度矩阵P和偏振化方向角矩阵Θ即为需要的天空偏振模 式测量结果。
[0018] 本发明的有益效果是：利用手持式光场相机和在光圈位置加入三象限偏振片的镜 头，通过对大视场天空的一次拍摄即得到一幅在任意视角下均包含三个偏振方向的天空图 像，进而通过对获取图像的处理计算出天空任意视角的偏振度和偏振化方向角信息。因此， 本发明通过单个相机对大视场天空的一次成像即实现了天空偏振模式的探测，解决了现 有方法应用于天空偏振模式探测时实时性差和系统结构复杂的问题。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明提供的天空偏振模式探测系统原理示意图；
[0020] 图2为具体实施流程图；
[0021] 图3为三象限偏振片实物图；
[0022] 图4为在镜头光圈处插入三象限偏振片的鱼眼镜头实物图；
[0023] 图5为天空偏振模式探测系统实物图；
[0024] 图6为室内实验场景图；
[0025] 图7为天空偏振模式探测系统在对液晶显示器一次拍摄时获取的图像；
[0026] 图8为图7局部放大的结果；
[0027] 图9为液晶显示器的偏振化方向角分布的测量结果；
[0028] 图10为液晶显示器的偏振度分布的测量结果；
[0029] 图11为天空偏振模式探测系统获得的天空图像；
[0030] 图12为晴朗天空的偏振度分布的测量结果；
[0031] 图13为晴朗天空的偏振化方向角分布的测量结果。
【具体实施方式】
[0032] 以下将结合说明书附图对本发明做进一步详细说明。
[0033] 图1为本发明提供的天空偏振模式探测系统（以下简称系统）原理示意图。如图 所示，系统包括镜头1，三象限偏振片3,手持式光场相机6。为了尽可能的获得较大的对天 空成像范围，镜头1在本实施实例中建议选用视场角达到180°的鱼眼镜头。三象限偏振片 3位于镜头1的光圈2所在位置。三象限偏振片3包括第一偏振片7,第二偏振片8和第三 偏振片9。三象限偏振片3为圆形，第一偏振片7、第二偏振片8和第三偏振片9是三个位 于同一平面的形状为扇形且尺寸相同的偏振片，每个扇形的张角均为120°，其中双向箭头 指不了它们各自的偏振方向，第一偏振片7和第二偏振片8的偏振方向之间的夹角为60°， 第二偏振片8和第三偏振片9的偏振方向之间的夹角为60°，第三偏振片9和第一偏振片 7的偏振方向之间的夹角也为60°。需要说明的是，各偏振方向并不需要像图1所示的均 指向圆心，只需要满足相互夹角为60°这一个条件即可。微透镜阵列4位于镜头1和相机 的感光面5之间，微透镜阵列4由许多焦距相同，尺寸相同的微透镜排列而成，见微透镜阵 列细节放大图13。微透镜阵列细节放大图13是微透镜按照正方形排布的结果，实际应用时 也可以设计为按照六边形蜂窝状排布以更高效的利用相机的感光面5的空间。微透镜阵列 4和相机的感光面5组合在一起构成了手持式光场相机6。关于手持式光场相机结构的详 细介绍参见Ren Ng的博士学位论文《Digital light field photography》。为了方便地使 用系统，将系统获得的天空图像进行后续处理，可以给系统再连接计算机10。