專利名稱：能見度測(cè)量方法和能見度監(jiān)測(cè)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及智能交通領(lǐng)域中視頻信息分析設(shè)備。同時(shí)涉及能見度測(cè)量方法和能見度監(jiān)測(cè)儀。
背景技術(shù)：
氣象能見度(visibility)的測(cè)量，無論是在國內(nèi)或國際上，過去主要是利用測(cè)量大氣的透射比，或散射系數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)的，其中散射系數(shù)的測(cè)量又分前向散射測(cè)量法和后向散射測(cè)量法。這類方法能較好地用因霧造成的能見度變化的測(cè)量，但在雨、雪、沙塵天氣條件下，測(cè)量準(zhǔn)確度卻大大下降，此外這類測(cè)量方法還有如下缺點(diǎn)①由于大氣散射系數(shù)還和波長有關(guān)，儀器測(cè)量的結(jié)果可能與按人眼視覺特性評(píng)價(jià)的相差較大。按國際氣象組織WMO的定義和交通運(yùn)輸中的實(shí)際情況，能見度是按人眼視覺特性(看得見和看不見)來確定的。
②再者由于大氣環(huán)境中氣流、霧濃度的不均勻性，散射測(cè)量儀器測(cè)量取樣散射光的空間體積很小，并以此作為幾十、幾百、幾千米范圍內(nèi)大氣散射系數(shù)來處理，可能就會(huì)產(chǎn)生大的誤差。
③散射及透射式測(cè)量儀器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)定標(biāo)是件很麻煩的事。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述測(cè)量大氣的透射比，或散射系數(shù)確定能見度的方法，在雨、雪、沙塵天氣條件下測(cè)量準(zhǔn)確度大大下降以及誤差大、操作麻煩的缺點(diǎn)，提供一種利用數(shù)字圖像處理技術(shù)的測(cè)量誤差小、操作方便的能見度測(cè)量方法。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種能見度監(jiān)測(cè)儀。
見圖3，能見度的測(cè)量方法，其特征在于利用數(shù)碼像機(jī)在大氣環(huán)境中檢測(cè)各種不同的空間頻率的靶標(biāo)的空間分辨率和對(duì)比度，通過靶標(biāo)檢測(cè)與能見度的相關(guān)性規(guī)律，從而由實(shí)測(cè)的靶標(biāo)參數(shù)按照各自條件下的相關(guān)性轉(zhuǎn)換為該條件下的能見度；系統(tǒng)處理流程為1)數(shù)碼攝像單元按照事先設(shè)定的時(shí)間間隔分別對(duì)準(zhǔn)各個(gè)不同距離上的靶標(biāo)拍攝照片，對(duì)每個(gè)靶標(biāo)分別進(jìn)行圖像采集；2)圖像采集完成后，系統(tǒng)對(duì)采集得到的圖像進(jìn)行特征增強(qiáng)和去除信號(hào)干擾--即去噪聲等數(shù)字圖像處理工作；3)系統(tǒng)對(duì)經(jīng)過上述處理后的圖像進(jìn)行靶標(biāo)特征邊界提取和對(duì)區(qū)域特征進(jìn)行判別，確保攝像單元沒有脫靶，并通過特征數(shù)據(jù)與系統(tǒng)存儲(chǔ)的正常對(duì)準(zhǔn)后的靶標(biāo)的特征進(jìn)行相關(guān)分析，由此判別靶標(biāo)對(duì)準(zhǔn)情況及偏差角度，系統(tǒng)根據(jù)相關(guān)分析結(jié)果計(jì)算云臺(tái)所需調(diào)整的方向、范圍等，并對(duì)云臺(tái)發(fā)出相應(yīng)控制指令微調(diào)云臺(tái)，使攝像單元處于對(duì)準(zhǔn)靶標(biāo)的最佳位置，并得到處理后的靶標(biāo)數(shù)字圖像；4)如果無法取得有特征圖像，則云臺(tái)自動(dòng)在其可能的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，同時(shí)數(shù)碼攝像單元連續(xù)以較短的時(shí)間間隔拍照，并重復(fù)上述處理步驟；若掃描周期完成后系統(tǒng)仍判別圖像無特征，則表明能見度小于攝像頭距最近靶標(biāo)距離；5)對(duì)由最佳位置拍攝的靶標(biāo)圖像提取特征(測(cè)量)區(qū)域，計(jì)算原始圖像中的靶標(biāo)特征(測(cè)量)區(qū)域的相關(guān)圖像參數(shù)包括亮度、對(duì)比度、空間分辨率；系統(tǒng)對(duì)比人眼可見參數(shù)表計(jì)算得出按標(biāo)準(zhǔn)定義的人眼能見度距離；其中，人眼可見參數(shù)表為與具有標(biāo)準(zhǔn)視力1.0的人眼所能分辨的各能見度距離相對(duì)應(yīng)的數(shù)字圖像參數(shù)表；計(jì)算方法見本發(fā)明原理部分所列的各公式；6)系統(tǒng)將通過上述步驟得到的能見度值編碼，系統(tǒng)可采用移動(dòng)短信息方式通過GSM網(wǎng)絡(luò)將測(cè)量結(jié)果發(fā)送給交通監(jiān)管中心。
見圖4，能見度監(jiān)測(cè)儀，其特征在于包括多個(gè)靶標(biāo)，每個(gè)靶標(biāo)上有白色區(qū)域和黑色區(qū)域，用于由漫射的天空光和反射的地面光照明，經(jīng)視頻相機(jī)成像后，得出黑、白靶標(biāo)區(qū)域像面的光照度，靶標(biāo)設(shè)置在不同的距離上；一個(gè)攝像頭，攝像頭與數(shù)碼攝像模塊連接，用于對(duì)靶標(biāo)攝像；一個(gè)數(shù)碼攝像模塊，用于控制攝像頭工作，數(shù)碼攝像模塊與嵌入式計(jì)算機(jī)模塊連接；一個(gè)嵌入式計(jì)算機(jī)模塊，其內(nèi)存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，使攝像頭和數(shù)碼攝像模塊以及GSM模塊按照計(jì)算機(jī)程序的指令工作；并且在計(jì)算機(jī)程序中有按照能見度的計(jì)算公式編制的計(jì)算程序，用于根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算出能見度；一個(gè)顯示屏與嵌入式計(jì)算機(jī)模塊和數(shù)碼攝像模塊連接，用于顯示嵌入式計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)和圖象；
電源與各部分均相連接用于供電；在云臺(tái)上安裝能見度監(jiān)測(cè)儀，有調(diào)整平面轉(zhuǎn)角和俯仰轉(zhuǎn)角的機(jī)構(gòu)，以使能見度監(jiān)測(cè)儀測(cè)量時(shí)對(duì)準(zhǔn)靶標(biāo)。
按世界氣象組織(WMO)，日間能見度的正式定義如下面對(duì)散射的天空背景觀察，能夠看見和辨認(rèn)接近地面的適當(dāng)大小的黑色物體的最大距離。所謂“能夠辨認(rèn)”是指人們觀察到的亮度對(duì)比度C(contrast)大于約定的閥值對(duì)比度0.02，其對(duì)比度的計(jì)算公式如下C=Lw-LbLw----(1)]]>其中，Lw，Lb分別為觀察到的白色目標(biāo)和黑色目標(biāo)的光亮度。
關(guān)于靶標(biāo)對(duì)比度C的測(cè)量公式計(jì)算，如圖一所示靶標(biāo)由漫射的天空光和反射的地面光照明，經(jīng)視頻相機(jī)成像后像面的光照度對(duì)黑、白靶標(biāo)區(qū)域分別為EB和EW，設(shè)天空的平均等效光亮度為L0，地面反射產(chǎn)生的平均等效光亮度為Lg，若靶標(biāo)面均為近似的余弦漫反射面，它們的光亮度在近處(x＝0處)分別為LB0，LW0，在靶標(biāo)與相機(jī)之間均勻地充滿了一定濃度的霧，其消光系數(shù)設(shè)為σ，則 式中ρw，ρB分別為白、黑靶面的半球光反射比，k1，k2，k為比例常數(shù)，在經(jīng)過光程為l后，一方面它的亮度被霧散射和吸收減弱為Lw0e-σl和LB0e-σl，同時(shí)另一方面因散射光的加入而增加了αL0。其中α為一比例系數(shù)和浮質(zhì)(霧)粒子濃度、波長，光程有關(guān)，即α＝α(σ，λ) (3)當(dāng)σ＝0，即無霧時(shí)，α＝0；當(dāng)σ↑，λ↑很大，即霧濃，光程長時(shí)，α(σ，λ)→定數(shù)(極大值)。故像面上的照度分別為 式中，D，f，τ分別為相機(jī)透鏡的有效孔徑，焦距和光透射比，上式成立的條件是λ＞＞f，線性系統(tǒng)，對(duì)無大氣吸收帶的波長范圍。對(duì)應(yīng)的曝光量Hw和HB為 式中消光系數(shù)σ是波長λ，浮質(zhì)濃度，氣壓，大氣溫度的函數(shù)，且σ＝σ(λ)＝bm+bp+km+kp(6)其中bm，bp分別為分子、浮質(zhì)粒子的散射系數(shù)，km，kp分別為分子、浮質(zhì)粒子的吸收系數(shù)。
通常，大氣中浮質(zhì)散射系數(shù)bp值占σ值的最大部分。通過對(duì)中緯度地區(qū)，冬季和夏季，標(biāo)準(zhǔn)氣候中的晴天和霧天，在海拔0，(0-1)，(1-2)km高度測(cè)量數(shù)據(jù)分析， 值對(duì)λ＝0.5154，0.6328，0.86μm分別為(0.95，0.94，0.91)±0.005。在x＝λ時(shí)，用相機(jī)測(cè)得的光亮度對(duì)比度C為
C=Hw-HBHw=Lwλ-LBλLwλ=(ρw-ρB)·e-σλρwe-σλ+α/k----(7)]]>式中Lwλ，LBλ分別為在x＝λ處觀察到的靶標(biāo)白/黑色表面的光亮度，由(7)可知，測(cè)得的對(duì)比度只與浮質(zhì)濃度和光程有關(guān)，而和天空平均有效光亮度無關(guān)(當(dāng)然是在一定變化范圍內(nèi)！)，這正是我們所期望的結(jié)果。
當(dāng)無霧時(shí)，即σ＝0，α＝0，大氣完全透明時(shí)，對(duì)比度達(dá)到最大值，；C=Cmax=ρw-ρBρw----(8)]]>當(dāng)霧變濃，距離加大時(shí)，即σ↑，λ↑時(shí)，e-σλ→0， 則→最大值時(shí)，對(duì)比度C→0，即再也看不清靶標(biāo)了。
當(dāng)浮質(zhì)濃度一定，即σ一定，加長光程λ，則C下降。當(dāng)滿足條件C=(ρw-ρB)·e-σλρwe-σλ+α/k=0.02----(9)]]>時(shí)的距離λ便就等于能見度Vr的值了。
發(fā)明的效果采用數(shù)學(xué)攝相機(jī)和多個(gè)靶標(biāo)，利用數(shù)字圖象處理技術(shù)，模擬人眼特性觀測(cè)得到靶標(biāo)的光亮度對(duì)比度，從而獲得能見度Vr和對(duì)比度C之間的函數(shù)曲線Vr＝f(c)，實(shí)現(xiàn)日間能見度的測(cè)量。通過對(duì)固定距離物體的上述可分辨參數(shù)的測(cè)定，可定量推算出霧濃度，及各距離上的能見度。見表1。


圖1本發(fā)明能見度測(cè)量方法示意圖。
圖2本發(fā)明能見度測(cè)量方法流程處理圖。
圖3本發(fā)明系統(tǒng)軟件部分的處理流程圖。
圖4本發(fā)明能見度監(jiān)測(cè)儀各部分結(jié)構(gòu)圖。
表1本發(fā)明的效果對(duì)比。
具體實(shí)施例方式·按照?qǐng)D4，在較直的實(shí)施地段，可以在本儀器攝像頭前15米，50米，100米，150米，500米距離上分別安裝靶標(biāo)并通過本儀器的攝像頭校準(zhǔn)即可；在不直的實(shí)施地段，可只在本攝像頭前15米安裝一個(gè)靶標(biāo)并校準(zhǔn)即可。
·系統(tǒng)供電180--240VAC 50±2HZ
表1 本發(fā)明的效果對(duì)比表
權(quán)利要求
1.能見度的測(cè)量方法，其特征在于利用數(shù)碼攝像機(jī)在大氣環(huán)境中檢測(cè)各種不同的空間頻率的靶標(biāo)的空間分辨率和對(duì)比度，通過靶標(biāo)檢測(cè)與能見度的相關(guān)性規(guī)律，從而由實(shí)測(cè)的靶標(biāo)參數(shù)按照各自條件下的相關(guān)性轉(zhuǎn)換為該條件下的能見度；系統(tǒng)處理流程為1)數(shù)碼攝像單元按照事先設(shè)定的時(shí)間間隔分別對(duì)準(zhǔn)各個(gè)不同距離上的靶標(biāo)拍攝照片，對(duì)每個(gè)靶標(biāo)分別進(jìn)行圖像采集；2)圖像采集完成后，系統(tǒng)對(duì)采集得到的圖像進(jìn)行特征增強(qiáng)和去除信號(hào)干擾--即去噪聲等數(shù)字圖像處理工作；3)系統(tǒng)對(duì)經(jīng)過上述處理后的圖像進(jìn)行靶標(biāo)特征邊界提取和對(duì)區(qū)域特征進(jìn)行判別，確保攝像單元沒有脫靶，并通過特征數(shù)據(jù)與系統(tǒng)存儲(chǔ)的正常對(duì)準(zhǔn)后的靶標(biāo)的特征進(jìn)行相關(guān)分析，由此判別靶標(biāo)對(duì)準(zhǔn)情況及偏差角度，系統(tǒng)根據(jù)相關(guān)分析結(jié)果計(jì)算云臺(tái)所需調(diào)整的方向、范圍等，并對(duì)云臺(tái)發(fā)出相應(yīng)控制指令微調(diào)云臺(tái)，使攝像單元處于對(duì)準(zhǔn)靶標(biāo)的最佳位置，并得到處理后的靶標(biāo)數(shù)字圖像；4)如果無法取得有特征圖像，則云臺(tái)自動(dòng)在其可能的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，同時(shí)數(shù)碼攝像單元連續(xù)以較短的時(shí)間間隔拍照，并重復(fù)上述處理步驟；若掃描周期完成后系統(tǒng)仍判別圖像無特征，則表明能見度小于攝像頭距最近靶標(biāo)距離；5)對(duì)由最佳位置拍攝的靶標(biāo)圖像提取特征(測(cè)量)區(qū)域，計(jì)算原始圖像中的靶標(biāo)特征(測(cè)量)區(qū)域的相關(guān)圖像參數(shù)包括亮度、對(duì)比度、空間分辨率；系統(tǒng)對(duì)比人眼可見參數(shù)表計(jì)算得出按標(biāo)準(zhǔn)定義的人眼能見度距離；其中，人眼可見參數(shù)表為與具有標(biāo)準(zhǔn)視力1.0的人眼所能分辨的各能見度距離相對(duì)應(yīng)的數(shù)字圖像參數(shù)表；計(jì)算方法見本發(fā)明原理部分所列的各公式；6)系統(tǒng)將通過上述步驟得到的能見度值編碼，系統(tǒng)可采用移動(dòng)短信息方式通過GSM網(wǎng)絡(luò)將測(cè)量結(jié)果發(fā)送給交通監(jiān)管中心。
2.能見度監(jiān)測(cè)儀，其特征在于包括多個(gè)靶標(biāo)，每個(gè)靶標(biāo)上有白色區(qū)域和黑色區(qū)域，用于由漫射的天空光和反射的地面光照明，經(jīng)視頻相機(jī)成像后，得出黑、白靶標(biāo)區(qū)域像面的光照度，靶標(biāo)設(shè)置在不同的距離上；一個(gè)攝像頭，攝像頭與數(shù)碼攝像模塊連接，用于對(duì)靶標(biāo)攝像；一個(gè)數(shù)碼攝像模塊，用于控制攝像頭工作，數(shù)碼攝像模塊與嵌入式計(jì)算機(jī)模塊連接；一個(gè)嵌入式計(jì)算機(jī)模塊，其內(nèi)存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，使攝像頭和數(shù)碼攝像模塊以及GSM模塊按照計(jì)算機(jī)程序的指令工作；并且在計(jì)算機(jī)程序中有按照能見度的計(jì)算公式編制的計(jì)算程序，用于根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算出能見度；一個(gè)顯示屏與嵌入式計(jì)算機(jī)模塊和數(shù)碼攝像模塊連接，用于顯示嵌入式計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)和圖象以及靶標(biāo)圖象；電源與各部分均相連接用于供電；在云臺(tái)上安裝能見度監(jiān)測(cè)儀，有調(diào)整平面轉(zhuǎn)角和俯仰轉(zhuǎn)角的機(jī)構(gòu)，以使能見度監(jiān)測(cè)儀測(cè)量時(shí)對(duì)準(zhǔn)靶標(biāo)。
全文摘要
采用數(shù)學(xué)攝相機(jī)和多個(gè)靶標(biāo)，利用數(shù)字圖象處理技術(shù)，模擬人眼特性觀測(cè)得到靶標(biāo)的光亮度對(duì)比度，從而獲得能見度Vr和對(duì)比度C之間的函數(shù)曲線Vr＝f(c)，實(shí)現(xiàn)日間能見度的測(cè)量。通過對(duì)固定距離物體的上述可分辨參數(shù)的測(cè)定，可定量推算出霧濃度，及各距離上的能見度。
文檔編號(hào)G06T1/00GK1580738SQ0313553
公開日2005年2月16日 申請(qǐng)日期2003年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月4日
發(fā)明者王培宇 申請(qǐng)人:成都易航信息科技有限公司