CN104010165A - 降水粒子阴影图像自动采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降水粒子阴影图像的自动采集装置，包括：光源端箱体，具有第一开口；摄像端箱体，具有第二开口，所述第二开口与所述第一开口在水平方向相对设置，所述第二开口与所述第一开口之间形成采样区域；面光源，设置在所述光源端箱体内，所述面光源所发出的光线通过所述第一开口直射入所述第二开口；拍摄焦距对准所述采样区域的摄像装置，位于所述摄像端箱体中，能够对所述面光源照射下的降水粒子的阴影进行直接成像。转向装置，位于设备支架上，根据风向和风速调整采样区域的方向。本发明的装置能够采集到自然运动状态下的降水粒子清晰的阴影图像，便于分析降水粒子的尺寸、形态等物理特征，识别多种降水类型。

Description

降水粒子阴影图像自动采集装置

技术领域

本发明涉及一种天气现象的图像采集装置，特别是涉及一种降水粒子阴影图像的自动采集装置。

背景技术

降水现象是指云中液态水或固态水向地面降落的一种天气现象，降水观测资料对于全球水汽输送、气候变化和水文等研究均有重要作用。因此，对降水现象的观测一直是气象和水文站最基础的观测项目之一。对降水现象的传统观测手段主要是利用雨量筒、翻斗雨量计等测量降水强度和降水量，降水类型的识别主要仍然依靠人工目测，自动化水平低。目前用于降水现象自动观测识别试验的仪器大体有三类：基于粒子运动的力学效应观测的感应器，包括声感应器、压电感应器和冻雨感应器等，这类感应器对于降水类型识别而言属于一种辅助设备，受探测原理的局限，只能满足特定场合降水监测识别的要求；微波粒子谱仪，一种小型化、连续波、低功率的多普勒雷达，又称之为多普勒雨滴谱仪，该系统能够一般地分辨降雨和降雪，但由于不能直接获得粒子相态、大小、形状和空间姿态等资料，难以避免识别中的不确定性；光学感应器，指基于粒子散射光和透射光测量的一类降水粒子探测技术，目前已有的此类仪器能够有效识别的固态降水类型还比较有限，对降水粒子微结构和动力学参数的测量也不全面。而要实现降水现象的自动化观测识别，其难点在于固态降水粒子复杂多样的形态判别。目前在业务应用试验中的大多数感应器难以可靠测量降水粒子的相态、尺度、形状、空间取向和下落速度等微结构和动力学参数，因此对降水类型的判别能力不足。已有的基于数字摄像的降水现象观测方案还无法避免光线在液态透明降水粒子上的非均匀反射和折射对成像的影响，已有的降水粒子二维投射阴影图像自动拍摄方案无法避免成像面板污渍对成像的影响，这都会导致后续降水粒子相态难以正确判别、特征参数不易准确提取。

发明内容

本发明的目的是要提供一种降水粒子阴影图像的自动采集装置，能够对目标物降水粒子的阴影直接成像，避免了透明降水粒子复杂的反射、折射光对成像的影响。

本发明提供了一种降水粒子阴影图像的自动采集装置，包括：

光源端箱体，具有第一开口；

摄像端箱体，具有第二开口，所述第二开口与所述第一开口在水平方向相对设置，所述第二开口与所述第一开口之间形成采样区域；

面光源，设置在所述光源端箱体内，所述面光源所发出的光线通过所述第一开口直射入所述第二开口；

拍摄焦距对准所述采样区域的摄像装置，位于所述摄像端箱体中，能够对所述面光源照射下的降水粒子的阴影进行直接成像。

优选地，上述的自动采集装置中，所述拍摄焦距对准所述采样区域中的所述第一开口与所述第二开口之间的中间位置。

优选地，上述的自动采集装置中，所述面光源为红色面光源，从而降低飞虫对拍摄的影响。

优选地，上述的自动采集装置中，还包括：

电源模块，连接所述面光源和所述摄像装置；

控制模块，连接所述面光源、所述摄像装置以及所述电源模块。

优选地，上述的自动采集装置中，还包括：

计算机，连接所述控制模块和所述摄像装置。

优选地，上述的自动采集装置中，所述光源端箱体和所述摄像端箱体设置在支架的两个支点上。

优选地，上述的自动采集装置中，所述支架的底部具有能够水平转动所述支架的旋转装置，所述旋转装置连接所述控制模块。

优选地，上述的自动采集装置中，还包括：

风向传感器，连接所述计算机；

所述计算机能够根据风向转动所述支架，使得降水粒子的移动轨迹与所述第一开口所在的平面和所述第二开口所在的平面平行。

1)本发明实施例中，摄像装置焦距对准采样区域，辅以亮度均匀的面光源，对目标物降水粒子的阴影直接成像，避免了透明降水粒子复杂的反射、折射光对成像的影响，能够拍到清晰的降水粒子阴影图像。

2)本发明实施例中，通过风向传感器获得的角度信息来控制旋转装置转动支架，使得降水粒子的移动轨迹尽量与第一开口所在的平面和第二开口所在的平面平行，改善了成像时由于风导致降水粒子处于景深之外以致于成像模糊的问题。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1为本发明提供的自动采集装置的结构图。

其中，附图标记说明如下：

摄像端箱体202、采样区域204、光源端箱体205、

面光源206、支架207、计算机208、控制模块209、电源模块210、温控装置211、摄像装置213、旋转装置300、风向传感器400

具体实施方式

图1为本发明提供的自动采集装置的结构图，如图1所示，本发明实施例提供了一种降水粒子阴影图像的自动采集装置，包括：

光源端箱体205，具有第一开口；

摄像端箱体202，具有第二开口，所述第二开口与所述第一开口在水平方向相对设置，所述第二开口与所述第一开口之间形成采样区域204；

面光源206，设置在所述光源端箱体内，所述面光源所发出的光线通过所述第一开口直射入所述第二开口；

拍摄焦距对准所述采样区域的摄像装置213，位于所述摄像端箱体中，能够对所述面光源照射下的降水粒子的阴影进行直接成像。

在本发明的一个实施例中，所述拍摄焦距对准所述采样区域中的所述第一开口与所述第二开口之间的中间位置。

在本发明的一个实施例中，还包括：

电源模块210，连接所述面光源和所述摄像装置；

控制模块209，连接所述面光源、所述摄像装置以及所述电源模块；

计算机208，连接所述控制模块和所述摄像装置；

温控装置211，设置在所述摄像端箱体中。

在本发明的一个实施例中，摄像装置213直接输出图像的数字信号，直接通过数据线与计算机208连接，用于拍摄数字图像并将所拍摄的图像传送给计算机208，从而不需要图像采集卡。当然，摄像装置213也可以包括图像采集卡，从而存储所采集的图像。优选地，摄像装置213由数字摄像机和镜头组成。数字摄像机采用具有网络、USB或1394接口的数字摄像机，直接通过数据线与计算机连接，用于拍摄成像屏上的数字图像并将所拍摄的图像传送给计算机。镜头优选采用定焦镜头，以保证图像的质量。

在本发明的一个实施例中，所述光源端箱体和所述摄像端箱体设置在支架207的两个支点上。如图1所示，支架为Y形，也可以采用其他的适合的形状，如H形等。优选地，两个箱体在支架上的安装位置可调，以实现采样区域204大小的调节。

在本发明的一个实施例中，支架的底部具有能够水平转动所述支架的旋转装置300，旋转装置300连接所述控制模块。

从而，通过旋转装置300可以在水平方向转动支架。旋转装置300可以为云台。

此外，还包括：风向传感器400，连接所述计算机。从而，计算机通过风向传感器获知风向，然后通过风向计算出角度信号给控制模块209，控制模块209控制旋转装置300转动，使得降水粒子的移动轨迹尽量与第一开口所在的平面和第二开口所在的平面平行，当降水粒子被捕获图像时基本都能在摄像装置的景深范围内，由此提高所获取图像的质量。

在本发明的一个实施例中，面光源使用红色LED面光源。光源是机器视觉系统中的重要一环，合理的光源照明能够使被测物的重要特征得以强化并抑制干扰检测的其它非重要特征。本实施例使用背光照明，是机器视觉系统检测物体轮廓和尺寸的最佳照明方式，能够增强降水粒子在图像中的对比度，同时有效避免直射光线在水滴表面多次反射折射对水滴边缘成像清晰度的影响，从而降低后续图像处理算法的复杂度并提高了整个视觉系统的检测速度和精度。

由于飞虫的趋光性，明亮的物体总是会吸引飞虫，并停驻其上。观测时若飞虫出现在观测视野内，会形成阴影，长时间的停留就会为后续的图像识别带来额外的处理负担，影响观测系统的检测速度。本实施例使用大多数飞虫都不敏感的红色光源，能够有效减少对飞虫的吸引，从而降低飞虫对拍摄的影响。

由上可知，本发明实施例具有以下优势：

1)通常对物体成像的方式是借助光源照亮物体，但对于液态水滴，由于水滴透明，表面平滑且有弧度，光在水滴表面和内部会产生多次折射和反射，导致水滴的亮度在不同角度和位置有非常大的差异，因此使用照亮方式成像往往会带来成像亮度不均匀的问题，容易导致降水粒子边缘成像不清晰，影响后续图像识别算法对降水粒子边缘的正确识别。本发明实施例中，拍摄目标是采样区域内的降水粒子由于遮挡面光源而产生的阴影，这样就避免了光的折射和反射对雨滴边缘清晰度的影响，由此能够清晰地得到降水粒子的轮廓和边缘信息。由于雪、霰、雨滴等粒子边缘轮廓有各自明显的图像特点，有了这些信息，通过图像识别就能够得到降水粒子的相态、尺度、形状、空间取向等微结构和动力学参数。

2)本发明实施例中，通过风向传感器获得的角度信息来控制旋转装置转动支架，使得降水粒子的移动轨迹尽量与第一开口所在的平面和第二开口所在的平面平行，改善了成像时由于风导致降水粒子处于景深之外导致成像模糊的问题，提高所获取图像的质量。

3)本发明实施例中，面光源的位置位于成像单元的景深之外，因此即使面光源上有一定的污渍，也无法成像，不会对降水粒子的成像造成明显的影响，降低了系统运行的维护量。

4)本发明的面光源为红色面光源。由于飞虫的趋光性，观测时发亮的面光源容易吸引飞虫停驻，这会影响图像判别的效率。由于大多数飞虫对红色不敏感，因此使用红色面光源能够有效减少飞虫的影响。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种降水粒子阴影图像的自动采集装置，其特征在于，包括：

光源端箱体，具有第一开口；

摄像端箱体，具有第二开口，所述第二开口与所述第一开口在水平方向相对设置，所述第二开口与所述第一开口之间形成采样区域；

面光源，设置在所述光源端箱体内，所述面光源所发出的光线通过所述第一开口直射入所述第二开口；

拍摄焦距对准所述采样区域的摄像装置，位于所述摄像端箱体中，能够对所述面光源照射下的降水粒子的阴影进行直接成像。

2.根据权利要求1所述的自动采集装置，其特征在于，所述拍摄焦距对准所述采样区域中的所述第一开口与所述第二开口之间的中间位置。

3.根据权利要求1所述的自动采集装置，其特征在于，所述面光源为红色面光源，从而降低飞虫对拍摄的影响。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的自动采集装置，其特征在于，还包括：

电源模块，连接所述面光源和所述摄像装置；

控制模块，连接所述面光源、所述摄像装置以及所述电源模块。

5.根据权利要求4所述的自动采集装置，其特征在于，还包括：

计算机，连接所述控制模块和所述摄像装置。

6.根据权利要求5所述的自动采集装置，其特征在于，所述光源端箱体和所述摄像端箱体设置在支架的两个支点上。

7.根据权利要求6所述的自动采集装置，其特征在于，

所述支架的底部具有能够水平转动所述支架的旋转装置，所述旋转装置连接所述控制模块。

8.根据权利要求7所述的自动采集装置，其特征在于，还包括：

风向传感器，连接所述计算机；

所述计算机能够根据风向转动所述支架，使得降水粒子的移动轨迹与所述第一开口所在的平面和所述第二开口所在的平面平行。