计算机10负 责相机控制、图像采集存储、图像处理和数据解算的工作。利用计算机10给手持式光场相 机6发送控制信号11，控制信号11的箭头指示信号流向，手持式光场相机6也可以打包向 计算机10发送图像数据包12,图像数据包12的箭头指示数据流向。
[0034] 图2给出了本发明方法的工作流程图，其中第一步中将天空图像的灰度值转化为 福射光强值这一过程又称为相机响应曲线标定，使用Debevec和Malik所提出的方法（1997 年 ACM SIGGRAPH97 会议论文，Recovering high dynamic range radiance maps from photographs)，可得到天空偏振模式探测系统拍摄得到的图像灰度值与拍摄目标辐射光强 之间满足的光强响应曲线。天空偏振模式探测系统搭建完毕后，只需要在第一次使用的时 候实施一次相机响应曲线标定即可，以后使用时可直接省略该步骤，无需重复标定。在本 步骤中手持式光场相机6拍摄一副天空图像时，应注意控制相机的曝光量，以尽可能缩小 图像中过曝光或欠曝光区域大小，因为曝光不良的图像会显著降低本发明获取的天空偏振 模式的精度。第二步获得天空偏振度和偏振化方向角，该步骤中图像坐标系的定义与《数 字图像处理》一书中的定义相同（作者：闪萨雷斯，电子工业出版社2005年出版，第8页）。 此外，为了第二步中描述的方便和对应公式的简洁，假定三象限偏振片3固定在相机1的光 圈2中时，其中有两个象限的连接缝与相机成像传感器5的竖直方向平行。
[0035] 图3为我们自行定制加工的三象限偏振片3的实物图，图中白色背景为液晶显示 器。由于液晶显示器可认为是完全偏振光，因此放置于液晶显示器前的具有不同偏振方向 的三象限偏振片的各个象限显示出了不同的亮度值。
[0036] 图4为在光圈2处插入三象限偏振片3的镜头1实物，图中白色背景依旧为液晶 显示器。使用了双面胶将三象限偏振片3的边缘与镜头1中光圈2的边缘相互粘结固定， 以避免实际使用中三象限偏振片3在光圈2中发生相对位置的移动。
[0037] 图5为天空偏振模式探测系统实物图。
[0038] 我们利用上述的方法和系统分别开展了室内和室外实验。
[0039] 室内实验中，我们将液晶显示器作为天空偏振模式探测系统的测量对象。由于液 晶固有的特征，液晶显示器发出的光可以认为是完全偏振光。图6为室内实验场景图，图中 液晶显示器放置于距离镜头较近的地方，目的是尽可能的将显示器充满相机的成像视场。
[0040] 图7给出了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。图8 为图7局部放大的结果，图8中可以看到，每个微透镜所成的像中有三个不同的亮度区域， 这分别对应了三象限偏振片的三个偏振方向。
[0041] 图9给出了天空偏振模式探测系统对液晶显示器的偏振化方向角分布的测量结 果。图像中的灰度值表示了偏振化方向角的数值，单位是度（° )，可见对于液晶显示器的 偏振化方向角的测量结果比较均匀，与真实情况吻合，其数值约为135°，与实际测量得到 的液晶显示器真实的偏振化方向角数值吻合。约定沿着显示器竖直边缘向下的方向为0° 参考方向，顺时针旋转为负，逆时针旋转为正。图中箭头所指示为液晶显示器的偏振化方向 角测量结果数值对应在右侧灰度指示条上的位置。
[0042] 图10给出了天空偏振模式探测系统对液晶显示器的偏振度分布的测量结果。图 像中的灰度值表示了偏振度的数值（偏振度没有单位），可见对于液晶显示器的偏振度的 测量结果同样比较均匀，其数值约为〇. 9,这与真实情况是较为吻合的。图中箭头所指示为 液晶显示器的偏振化方向角测量结果数值对应在右侧灰度指示条上的位置。
[0043] 室外实验中，我们使用天空偏振模式探测系统对真实的晴朗天空进行了偏振模式 测量。测量地点在湖南省长沙市，时间为2015年6月24日下午6点，天气晴朗。天空偏振 模式探测系统获得的天空图像如图11所示。天空偏振模式探测系统竖直向上拍摄天空图 像，由于镜头的视场角限制，太阳并没有出现在图像中，图中的箭头指示了太阳在图像中所 处的方位。
[0044] 图12给出了天空偏振模式探测系统对晴朗天空的偏振度分布的测量结果，图中 的箭头指示了太阳在图像中所处的方位。根据天空偏振模式分布的瑞利散射理论，天空在 垂直于天顶与太阳连线的方向上具有最大的偏振度。由此可见，本发明对天空的偏振度测 量结果与理论预计吻合的很好。
[0045] 图13给出了天空偏振模式探测系统对晴朗天空的偏振化方向角分布的测量结 果，图中的箭头指示了太阳在图像中所处的方位。根据天空偏振模式分布的瑞利散射理论， 天空在垂直和指向天顶与太阳连线的方向上的偏振化方向角约为90° (假设天顶与太阳 连线的方向为〇°参考方向）。由此可见，本发明对天空的偏振度测量结果与理论预计吻合 的很好。需要说明的是，对于大视场的广角镜头，其渐晕效应较为明显，图12和图13给出 的测量结果是建立在首先对拍摄得到的原始图像进行了失光校正的基础上得到的。
【主权项】
1. 一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°。2. -种天空偏振模式探测方法，利用权利要求1提供的天空偏振模式探测系统，具体 包括下述步骤： 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； 第二步，获得天空偏振度和偏振化方向角； 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Μ行、N列微透镜，所 有微透镜均相同；任意微透镜LerVn对应的成像圆斑中心的像素在图像坐标系下的坐标为 ο?η，Υπ^)，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；图像坐标系定义如下：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5，1彡m彡M，1彡η<Ν; 利用下式计算微透镜对应的天区偏振度和偏振化方向角θηη:公式一中，I。。表示天空图像中所有与像素点（Χ^-?,Υ^)的距离小于等于k个像素的 像素点的光强平均值，□表示四舍五入取整； 公式一中，16。。表示天空图像中所有与像素点的距离小 于等于k个像素的像素点的光强平均值； 公式一中，112。。表示天空图像中所有与像素点的距离小 于等于k个像素的像素点的光强平均值；对所有的微透镜Len^ . . .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=和偏振化方向角矩阵Θ= (ΘΜ，... 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。
【专利摘要】本发明提供基于一种天空偏振模式探测系统。技术方案是：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°。利用本发明提供的探测系统实现天空偏振模式的探测，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。
【IPC分类】G01C21/02
【公开号】CN105300377
【申请号】CN201510643746
【发明人】张文静, 曹毓, 张烜喆, 刘泽金, 宁禹
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年9月30日