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Hackaday.io上的树莓派项目-DOLPi-RasPi偏振相机

Hackaday.io上的树莓派项目-DOLPi-RasPi偏振相机
关于项目
项目描述:光的极化承载着关于我们视觉环境的有趣信息,而我们不知道这些信息,因为人类的视觉对极化几乎麻木不仁。一些动物已经进化出将极化视为光的一个显著特征的能力,并批判性地依靠这种意识来导航和生存。许多鱼、节肢动物和章鱼使用极化视觉作为导航、探测水面以及增强对猎物和掠食者的探测指南针。极化相机确实存在,但超过5万美元,它们大多是研究好奇心,在实验室之外几乎没有实际用途。DOLPi 项目旨在通过构建一个非常低的成本极性测量摄像机来广泛开放极化成像领域,该摄像机可用于研究和开发广泛领域的改变游戏规则的应用;从环境监测和医疗诊断,到安全和反恐应用,应有到有此影响。
项目图片
总结
本项目介绍了基于树莓派2的两种低成本极性相机类型的开发和建造。DOLPi-MECH(及其产品化的IR-VIS-UV版本D一-UI)是一种滤轮式摄像机,能够执行完整的斯托克斯分析,而基于光电的D洛尔皮-EO摄像机在更高的帧速率下执行完整的线性极性分析。介绍了用于极性成像的完整Python代码。介绍了摄像机的各种应用,特别是用于在人道主义排雷行动中定位地雷和未爆弹药。
多尔皮项目
无色污染物云、杀伤人员地雷和皮肤癌是如此难以检测,因为它们与背景自然混合,以使我们的无人帮助的眼睛看不到它们。然而,面对同样的问题,章鱼可能很容易找到这些威胁。这是因为我们的人类眼睛只能通过颜色和/或强度的对比来区分物体与背景。另一方面,章鱼能够看到这些物品与其背景之间的光极化对比。
试试这个实验 - 下次你在阳光明媚的日子去户外,一边戴两极化太阳镜一边倾斜你的头。当你侧身转过头时,你会发现天空的某些部分变成了较浅的蓝色阴影。当你看着反射表面(如静止水)或汽车的挡风玻璃时,眩光的强度也会有很大变化?醋乓桓鼍蔡某【埃拖裢3党∫谎崩椿厍阈蹦愕耐贰W诺钠档拇盎坪趸嵘了嘎?造成这种现象的原因是,光散射的天空,或反射的许多表面是"极化"的。也就是说,来自这些光源的光波主要在一个方向振动。
事实上,到达我们眼睛的每一个光子都有自己的极化,然而光的这一方面在我们的日常生活中几乎没有被使用,因为我们的辅助眼睛对极化不敏感,因此我们对它的使用没有直观的感觉(实际上,人类对偏振光的敏感度非常低,正如海丁格在1846年发现的,但极化的变化只能在非常特定的条件下才能被感知,并且不会造成视觉特征歧视)。
尽管如此,光的极化携带有趣的信息,我们的视觉环境,我们通常不知道。一些动物已经进化出将极化视为光的一个显著特征的能力,并批判性地依靠这种意识来导航和生存。例如,许多鱼类、两栖动物、节肢动物和章鱼使用极化视觉作为导航指南针,探测水面,增强对猎物和掠食者的探测,并可能还作为彼此之间交流的私人手段。
虽然我们使用技术将视觉扩展到普通波长和强度敏感性之外,但极化的不直观性质减缓了极化成像实际应用的发展。极化相机确实存在,但超过5万美元,它们大多是研究好奇心,发现在实验室外很少的实际用途。
DOLPi 项目旨在通过构建一个非常低的成本极化摄像机,广泛开放极化成像领域,该摄像机可用于研究和开发涉及广泛领域的改变游戏规则的应用,从环境监测和医疗诊断到安全和反恐应用,应有所覆盖。
DOLPi 极化相机基于标准树莓派 2 单板计算机及其专用的 500 万像素摄像头。DOLPi 的独特之处在于,摄像机位于软件控制的光电极化调制器后面,允许通过全民彩票登录网址极化分析仪捕获图像。调制器本身被黑客从低成本的自动变暗焊接面罩过滤器(9美元在eBay?)。尽管 DOLPi 简单,但它仍可生成非常高质量的极化图像。还介绍了一个较慢但更精确的基于滤轮极性测量相机(DOLPi-Mech 及其产品化版本 DOLPi-UI 的构造。
这是一个同类项目●!我不知道任何极化成像器曾经作为一个爱好者级DIY项目提出,但它拥有真正真棒颠覆性力量,为开发全新的科学和商业应用●!
DOLPi 摄像机是完全独立的,因此可以轻松地在需要的地方执行高质量的极化成像,不仅渲染与线性斯托克斯参数对应的图像,而且渲染极化强度、线性极化程度、极化角度及其 HSV 渲染的图像。
光电 DOLPi 极性相机的产品化版本是独立的,将 RPi 基金会的官方 7 英寸触摸屏显示屏集成到单个外壳中。这张照片中显示的是我女儿阿比盖尔帮我进行了一次模拟地雷探测测试。
关于名称"多尔皮"
虽然 Dolp 只指线性极化程度, 但我喜欢 Dolp 的名字作为 DOLP 和 Pi 的组合 (树莓派) 。标志是一只独眼章鱼(鱿鱼有极化敏感的眼睛),以"Pi"作为触角。
极化
极化是光的一个重要特征,它源于其作为电磁波的性质。1860年,苏格兰物理学家詹姆斯·克莱克·麦克斯韦发现,随空间变化的电场会产生一个磁场,磁场会随着时间而变化,反之亦然。因此,当振荡电场产生振荡磁场时,磁场反过来又产生振荡电场,等等。这些振荡场一起形成如下图所示的电磁波:
振荡电场产生振荡磁场,磁场反过来产生振荡电场等。这些振荡场一起形成波长 = 以光速传播的电磁波。改编自D.普鲁奇和S.R.普鲁奇的许可,通过动手项目探索量子物理,约翰·威利和儿子公司,2012年。
在偏振光波中,如图所示,电场在一个平面中振荡,而磁场在垂直平面上振荡。波以光速沿着这些平面的交点形成的线移动。图中显示的电磁波被说是"垂直偏振",因为电场在您选择的参照系中垂直振荡。
来自大多数自然来源的光包含波,电场以随机角度围绕其行驶方向定向。通过使用偏振器滤波器,可以从随机偏振光中获得特定极化的波。如下图所示,偏振器可以由彼此平行排列的一系列非常细的导线进行:
平行线偏振器吸收与导线平行的电场线。只有光的垂直电场分量允许通过,产生垂直偏振的光,垂直于电线的方向。改编自D.普鲁奇和S.R.普鲁奇的许可,通过动手项目探索量子物理,约翰·威利和儿子公司,2012年。
金属线为与电线平行的电场提供高导电性,本质上是"短路"并产生热量。由于导线之间的非导电空间,没有电流可以垂直流动。因此,垂直于电线的电场可以畅通无阻地通过。换句话说,电线网放置在随机偏振光束中时,会排出电场的一个组件的能量,并让其垂直元件完全不衰减。因此,从偏振器中产生光有一个电场,该电场以垂直于导线的方向振动。
1938年,E.H.Land发明了H-宝丽来板材,它充当电线栅的化学版本。它使用长薄的聚乙烯醇分子,它使用长薄的细线,含有许多碘原子。这些长而直的分子几乎完全平行于彼此。由于碘原子提供的电导率,与分子平行的电振动成分被吸收。垂直于分子的成分在吸收很少时通过。
通过偏振器的偏振光量取决于偏振光轴与偏振器主轴之间的角度。如下图所示,从偏振器中退出的光的强度跟随光的偏振轴和偏振器主轴之间角度的余弦正方形。两个序列偏振器将衰减非偏振光,其量取决于偏振器之间的旋转。
通过偏振器的偏振光量取决于偏振光轴与偏振器主轴之间的角度。a) 从偏振器中退出的光的强度遵循光的偏振轴和偏振器主轴之间角度的余弦正方形。当光线经过两块偏振器时,当薄膜片的极化轴对齐 (b) 时,会发生最小衰减。衰减随着轴之间的角度增加 (c) 而增加,直到薄膜交叉极化时发生最大衰减。
当偏振器对齐时,将发生最大传输,而最小传输将在交叉极化方向时发生。以 450 的旋转角度观察到最大强度的一半。
除了线性极化,光也可以是圆极化。当 450 时偏振的光穿过以不同速度传输光的材料时,会获得这种类型的极化。因此,当一个极化分量(例如 450 光的垂直分量)与其他分量(例如水平分量)的波长延迟 1/4 时,线性极化被赋予"扭曲"。退出缓速器材料时,垂直部件会减速,以便与水平部件相位。对于接收此光的观察者来说,电场将出现旋转,而不仅仅是上下摆动。因此,术语"循环"极化。圆形偏振光可以顺时针偏振(右手圆形极化或RHCP)或逆时针(左手圆极化或LHCP)。
圆形偏振光。公约是定义接收器所查看的极化感,因此(a) 表示电场矢量是右手、顺时针圆形偏振光的时间函数,而 (b) 表示左手、顺时针圆形偏振光。图片信用:通过维基共享资源匿名
圆形极化光易于产生,广泛应用于 3D 电影投影(例如,RealD 数字立体投影系统在 RHCP 中对一个图像进行编码,在 LHCP 中对另一个图像进行编码)。然而,圆极光的天然材料非常稀少,因此将场景分析限制为线性极化特性适用于大多数应用。
DOLPI-Mech:基于RasPi的经典极光相机
在分析偏振光的背后可以找到数学形式主义。现在,让我说明,通过线性偏振器在 00、450 和 900 设置的 3 个单独图像中,可以在场景中执行完整的线性极化状态分析。此外,如果通过圆形偏振器获得额外的图像,则可以获得圆极化的可手性。
获取必要图像的一个简单方法就是使用滤轮。也就是说,机械旋转的车轮,在摄像机前携带不同的滤光片。本文展示了 DOLPi-Mech 的构造 - 一种基于树莓 Pi 的简单极性成像仪,具有机械旋转的纸板滤轮,可容纳 6 个偏振器过滤器。其中四个由线性偏振器胶片组进行组合,以便当所选滤镜放置在树莓派相机前面时,以 00、900、450 和 -450 分析图像。其他两个滤波器是圆形偏振膜。过滤轮中的一个插槽留空,无法拍摄未经筛选的快照。滤芯轮由连接到树莓派 2 的 Adafruit 伺服 PWM HAT 驱动的标准伺服驱动。
DOLPi-Mech 是一种基于机械旋转纸板滤芯轮的简单极性成像仪,可容纳 6 个偏振器滤镜。其中四个由线性偏振器胶片组进行组合,以便当所选滤镜放置在树莓派相机前面时,以 00、900、450 和 -450 分析图像。其他两个滤波器是圆形偏振膜。过滤轮中的一个插槽留空,无法拍摄未经筛选的快照。滤芯轮由标准尺寸的 1800 伺服旋转,由连接到 RasPi2 的 Adafruit 伺服 PWM HAT 驱动。
此流程图解释了用于使用 DOLPi-MECH 进行映像的简单软件。加载库并初始化树莓派的端口后,允许树莓摄像机对场景进行采样几秒钟,以设置其内部自动曝光,然后锁定曝光设置以保持图像之间的一致性。成像循环包括拍摄三个灰度图像,滤镜选择线性极化滤镜设置为 00、450 和 900,然后将这些图像组合成一个对极化进行编码的彩色图像。
在下图中,样本目标由以图中所示角度设置的偏振膜进行。两个底部方块是圆形偏振器(一个是 LHCP,另一个是 RHCP,取自 RealD 3D 电影眼镜)。我们分不清偏振膜的区别,因为我们的视觉对极化不敏感,RasPi的相机传感器也不敏感。
右侧图片中的颜色与对象的实际颜色没有任何关系,而是对极化角度进行编码。极性图像中的纯灰色色调意味着光是非极化的。背景中的一些着色铅笔和其他项目以颜色显示,因为它们部分偏振反射光作为其材料、纹理和反射角度的函数。
使用 DOLPi-Mech 及其 Python 代码获得的示例图像。(a) 未过滤的图像(RasPi摄像机通过滤镜轮中的开槽查看)。(b) DOLPi-Mech 通过将 00 灰度图像分配给输出图像的红色通道、将 900 灰度分配给蓝色、将 450 灰度分配给绿色而拍摄的图片。(b) 中的颜色与对象的实际颜色没有任何关系,而是对光源的极化角度进行编码。
多尔皮的光电极化调制器
机械旋转极化分析仪(或 DOLPi-Mech 中的滤波轮)速度较慢,无法进行极性视频成像。因此,DOLPi 摄像机的核心是全民彩票登录网址光学 (EO) 极化调制器。该组件由两个液晶面板和线性偏振膜组成,在软件控制下以不同的偏振角度有选择地传递光线。
用于 DOLPi 相机的液晶面板从低成本自动变暗焊接面罩过滤器中采集。这些在结构上类似于LCD显示屏,其中整个过滤器是一个巨大的"像素"。在预定用途中,自动变暗滤光片允许用户在设置要焊接的部件时看穿过滤器,但一旦光传感器检测到焊接弧线,过滤器就变暗以保护焊工的眼睛。
DOLPi 摄像机的液晶面板 (LCP) 从低成本自动变暗焊机面罩过滤器中采集。我在eBay上以每套9美元购买了?。过滤器的包装盒表明它是由"面具"在中国制造的,他们的网站是www.auto-mask.com。 b) 滤光片外壳的正面(面对焊接件)暴露了电控光快门之前使用的紫外线/红外滤光片、两个光伏板("太阳能电池")和全民彩票登录网址用于检测焊接电弧是否存在的两个光传感器。
自动变暗滤波器中的电控光快门基于夹在两个偏振器之间的液晶面板 (LCP)。液晶面板由两个玻璃窗制成,隔开几微米。每个窗口都涂有透明导电氧化钛 (ITO),用作电极。根据使用的液晶类型,薄介电层随后可应用于 ITO 上,轻轻摩擦,以提供液晶分子对齐。腔内然后充满双参考内体液晶材料最后,电气触点被连接,面板是环境密封的。
如下图所示,在电极之间不施加偏置电压时,液晶分子由摩擦的划痕线引导,形成对齐层,从而平行于窗口。在此方向中,液晶面板将入射光的极化变化(大约)900。然而,当5V应用于面板时,液晶分子与电场和垂直于窗户的尖端对齐。在此状态下,入射光的极化基本保持不变(即极化移位约为 00)。
如果不对 LCP 施加电压,液晶分子具有有序的方向,与分子的拉伸形状一起,使光的极化移动 900 (a)。当施加电场时,分子与磁场对齐,极化移位取决于液晶分子的倾斜。除了一些电压外,LCP 引入的几乎没有极化倾斜 (b)。
下图显示了自动变暗滤镜中的电控光快门的工作原理。来自场景的光被第一个偏振膜极化。在没有 LCP 的情况下,偏振光将无法通过第二个偏振器,因为它是正交设定的第一个偏振器。但是,当无偏 LCP 放置在中间时,它会将通过第一极化器的光极化旋转 900,从而通过第二极化器。但是,要使滤波器变暗,遮罩的控制全民彩票登录网址将 >5V 应用于 LCP,这会导致光线通过它以保持第一极化器设定的极化,从而防止光线通过第二极化器并进入焊工的眼睛。
自动变暗焊接面罩过滤器的核心部件是夹在两个交叉偏振器之间的液晶面板 (LCP)。a) 在没有电场的情况下,LCP 将极化值变为 9000,因此光可以不受阻碍地通过第二极化器。b) 当 5V 应用于 LCP 时,极化是保守的,因此光不能通过第二极化器。c) 自动变暗焊接面罩过滤器的过滤、电控光衰减器的传输曲线。如果没有 UV/IR 过滤器(紫色玻璃盖),0V 的传输值约为 30%,在 5V 时降至 1% 左右。
多尔皮相机
焊接面罩的 LCP 可以在 00 和 900 之间旋转极化到两个极值。(注:此声明并非严格正确。LCP 执行的减速过程与线性极化旋转不同。实际上,LCP驱动半程充当四分之一波板,因此在此水平上对分析的严格解释是圆极化,而不是450级的线性极化。我不想对极化光学进行彻底的解释,以保持项目的可访问性,但根据我的实验,我确信,DOLPi的"450图像"在观察线性偏振光时确实包含一个占统治地位的450分量。但是,正如我们稍后将看到的,DOLPi 错误地将圆极化光理解为 450 信号。
虽然有可能找到一个电压,将 LCP 设置为将光的极化旋转到 450 左右,但液晶的变化会随时间而变化,因此偏振状态将随复杂、相互作用的时间常数而变化,这些常数取决于温度、年龄和其他因素。因此,需要定期重新校准实现伪-450极化旋转的驱动振幅。
下图显示了 DOLPi 摄像机的框图,这是我获取三幅图片(在 00、450 和 900 进行分析)以执行场景的完整线性极化成像的解决方案。成像元件是直接连接到树莓派 2 专用相机连接器的官方树莓派相机。摄像机通过从上文所述的自动变暗焊接面罩过滤器中破解的 VCPA 查看场景。在我的第一个原型中,我选择将VCPA在相机的地平线上倾斜450,因为遮罩中使用的偏振膜是面向这个角度的,因此倾斜会根据相机垂直调整它的方向。但是,通过软件定义正确的参考框架,在水平、垂直或 450 时,可以产生相同的结果。
DOLPi 摄像机的框图。VCPA 以 2kHz 的速度为交流驱动。驱动器振幅通过 D/A 转换器从软件控制。450 极化移位驱动器振幅由由 A/D 转换器组成的自动校准全民彩票登录网址确定,该转换器测量通过 VCPA 的 450 极化光的强度,该极化光作为 D/A 输出的函数。
DOLPi 的交流驱动器和自动校准全民彩票登录网址如下图所示。
我制造了一块板板上的 DOLPi 原型,该板不仅用作交流驱动器全民彩票登录网址的基板,还充当所有其他组件的支持平台。
使用树莓派基金会的新触摸屏显示屏和经过改造的商用外壳,生产光电 DOLPi 极性相机。
最简单的自动 DOLPi 软件的流程图如下图所示。在加载所需的库并初始化树莓派的端口后,器件通过扫除 0V 和 10Vp-p 之间的 LCP 驱动器振幅,同时测量通过 VCPA 的 450 极化光的强度,从而运行自动校准程序。最大传输的 DAC 设置存储起来,用于以 450 的速度拍摄帧。
此流程图解释了用于使用 DOLPi 摄像机自动校准和图像的简单软件。加载库并初始化树莓派的端口后,器件通过扫除 0V 和 10Vp-p 之间的 LCP 驱动器振幅,同时测量通过 VCPA 的 450 极化光的强度,从而运行自动校准程序。最大传输的 DAC 设置存储起来,用于以 450 的速度拍摄帧。然后允许树莓相机对场景进行采样几秒钟,以设置其内部自动曝光,然后锁定曝光设置以保持图像之间的一致性。成像循环包括拍摄三个灰度图像,VCPA 设置为 00、450 和 900,然后将这些图像组合成一个编码极化的彩色图像。
自动校准程序通过 450 时偏振的光照亮的 VCPA 搜索最大透光的驱动点。x 轴是 RMS VCPA 驱动电压(在 DAC 计数中)。
可视化极化
将使用 VCPA 设置为 00、450 和 900 拍摄的图像分配给 RGB 颜色通道是可视化极化的简单方法。呈现极化信息的另一种流行方式是认识到三个主要极化分量(极化强度、线性极化度和极化角度)类似于亮度、饱和度和色调的颜色分量。合并到 HSV(色调、饱和度、值)颜色空间的极化参数如下图所示:
此图用一些真实图像演示了极性成像。在这里,我在我的火腿电台旁边放置了一些极化目标(没有一个背光)。从 (a) 中的可见图像中可以告诉极化器任何具体内容。但是,RGB (b) 添加颜色来编码偏振光的极化角度,同时从非极化光中删除所有颜色(非极化反射以灰度显示)。HSV 图像 (c) 更进一步,仅显示偏振光。图像右侧的紫色正方形是 HF 收发器中 LCD 的反射。
此图解释了极化参数(DoLP、AoP 和极化强度)的 HSV 表示,其中右侧的图形是 HSV 图像的颜色图。
使用 DOLPi-MECH. a 进行真实世界的极性成像场景的正?杉枷.b) RGB 编码的极化图像。此图像中的颜色与光的实际颜色(波长)无关。相反,颜色与线性极化的角度相关。c) 由 DOLPi 软件计算的斯托克斯参数。d) 由 DOLPi 软件计算的极度参数。e) HSV 编码的极性图像清楚地显示反射偏振光的表面。请注意,此图像中没有圆形极化光,这是绝大多数户外场景的典型。
环境中的极光
非极化光在由非金属表面反射时变得偏振。极化程度取决于光线击中表面的角度以及反射材料的类型。如下图所示,水、雪场和沥青路以非常强的水平极化(即与反射表面平行)反射太阳的光线。
非极化光在由非金属表面反射时变得偏振。极化程度取决于光线击中表面的角度以及反射材料的类型。水、雪场和沥青路反射太阳的光线,水平极化非常强。垂直偏振太阳镜可减少水平极化反射产生的眩光
许多水生昆虫用极化敏感视觉来定位池塘。例如,在水中产卵的昆虫根据反射水面的极化强度查找并选择产卵地点。不幸的是,许多人工物体可以强烈地反射水平偏振的光,在水生昆虫看来,它们似乎是水体。有些 (如太阳能电池板) 反射水平极化程度如此之高的光线(接近 100%)它们把水生昆虫视为比池塘水更优越的繁殖地(池塘水反射光,极化程度在30到70%左右),成为这些生物体的生态死亡陷阱[Horvath等人,2010年]。因此,甚至通过基于极化的位置机制,鸟类种群可能会受到太阳能农场的影响,因为鸟类的自然行为模式的中断可能导致迷失方向和增加能源使用[BirdLife,2015]。
美国宇航局已经开始模仿昆虫的视觉,并进行极测成像实验,以定位来自卫星和高飞飞机的池塘。你可能认为这是一个微不足道的问题,但在现实中,经典的多光谱成像往往混淆浅,富氧池塘与植被领域。这是因为这样的池塘是藻类的良种,使其表面变绿。然而,如下图所示,即使存在藻类,水面也反射高度偏振的光。
喷气推进实验室的机载多光谱极光成像仪(AirMSPI)从美国宇航局的ER-2高空飞机从加州中央山谷上空飞行获得的图像。 左面板显示一个正常的可见距离图像,而右侧的面板显示470、660和865nm波长的DAL。最突出的 DoLP 特征是图像最左边的明亮白色区域。虽然这些看起来像是真彩色图像中的田地,但它们实际上是在为污水处理厂举办池塘。
偏振光的另一个自然来源是大气中阳光的散射。确切的机制超出了本文的范围,但足以说明,由大气向后(或向前)散射的太阳仍然非极化,而从太阳位置900度的光散射变得线性偏振,而中间角度散射的光只是部分偏振。如下图所示,天空中的极化向量都沿以太阳位置为中心的平行圆方向。能够看到极化角的分布可以用作方向提示。事实上,天空极化模式被许多昆虫用于导航。例如,蜜蜂使用天体极化在蜂巢和觅食地点之间移动。鲑鱼被认为具有类似的能力,根据天空的两极分化,在水下看到。
天空与以太阳为中心的圆极化。 最大极化带发生于太阳900。?在日出和日落时分,天空沿着子午线最大地两极分化,因此在地平线上垂直两极分化。另一方面,在中午时分,最大极化带沿地平线水平极化。许多昆虫使用天空极化模式进行导航。蜜蜂使用天体极化在蜂巢和觅食地点之间移动。
项目组件
1X? 物料清单
Sen
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2020-08-28