CN106713872A - 一种基于图像的隧道洞内外亮度检测系统及检测方法 - Google Patents

一种基于图像的隧道洞内外亮度检测系统及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及亮度检测技术领域，具体涉及一种基于图像的隧道洞内外亮度检测系统及检测方法。所述检测系统包括开关电源、摄像机、上位机、标准亮度仪、嵌入式处理器；摄像机设置焦距、光圈、曝光时间可调的镜头，用于根据需要调节焦距、光圈和曝光时间；上位机用于实时显示视频画面，根据视频画面调整安装角度、选取符合20°视场角的图像区域和发送摄像机的焦距调节指令。本发明使得洞内外亮度在测量过程中能精准确定方向和视场角、测量时间短、数据处理简单、测量精度高，具备远程监控功能，方便维护和升级更新，同时节约了成本，提高了经济效益。

Description

一种基于图像的隧道洞内外亮度检测系统及检测方法
技术领域
本发明涉及亮度检测技术领域，具体涉及一种基于图像的隧道洞内外亮度检测系统及检测方法。
背景技术
洞外亮度是指在接近段起点处距地面1.5m正对洞口方向20°视场角实测得到的平均亮度。一般传统亮度仪是瞄点式亮度仪，测量过程中待测目标的光束进入前端物镜，经过带孔反射镜和滤光片，照在光电探测器上，测量视场角由带孔反射镜上不同直径的圆孔决定，可通过转动带孔反射镜来选择不同的孔径，可见视场角的确定需要较高的测量经验和操作水平，测量的误差较大；而且传统亮度仪在工程安装时方向性和角度不能很好控制，很难达到20°视场角的标准要求，通常检测的亮度值不能真正代表洞外亮度值，存在不可预估的测量偏差；并且传统洞外亮度测定方法主要采用查表计算法、黑度测试法和环境简图法，以上方法存在测量时间长、数据处理繁琐和测量误差大等缺点；另外传统亮度仪不具备远程监控功能，故障排查必须亲临现场才能实施，升级更新必须返厂才能实现，不利于维护和升级更新；同时为了实现调光控制系统的闭环回路控制，传统实现方法需要在隧道外安装洞外亮度仪和隧道内安装照度仪来获取洞内外亮度，而传统照度仪只能测量路面点的亮度，而点极易受路面平整度和单灯明亮状态的影响，不仅导致所测的洞内亮度值误差较大，而且大大增加设备成本，施工成本，维护成本。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于图像的隧道洞内外亮度检测系统及检测方法，具体技术方案如下：
一种基于图像的隧道洞内外亮度检测系统包括开关电源、摄像机、上位机、标准亮度仪、嵌入式处理器；所述摄像机设置焦距、光圈、曝光时间可调的镜头，用于根据需要调节焦距、光圈和曝光时间；所述上位机用于实时显示视频画面，根据视频画面调整安装角度、选取符合20°视场角的图像区域和发送摄像机的焦距调节指令；所述标准亮度仪是测量值的精准度得到国际认可的亮度测量设备；所述嵌入式处理器包括BT.1120接口、RS485接口、RJ45接口；所述开关电源与嵌入式处理器和摄像机相连；所述摄像机与嵌入式处理器相连；所述标准亮度仪与上位机相连；所述上位机与嵌入式处理器相连。
进一步，所述嵌入式处理器的RS485接口与485光端机相连；所述485光端机与调光控制系统相连；所述嵌入式处理器与网络光端机相连；所述网络光端机与视频监控平台相连。
一种基于图像的隧道洞内外亮度检测系统的检测方法包括以下步骤：
(1)摄像机将隧道洞口的视频流传输至嵌入式处理器；
(2)嵌入式处理器将接收到的视频流通过网络传输至上位机，根据上位机显示的画面调整安装角度；
(3)上位机通过网络将摄像机的焦距调节指令发送至嵌入式处理器，由嵌入式处理器控制摄像机调节焦距直至画面大部分区域属于洞外为止，记录此时的焦距参数J1；
(4)上位机选取符合20°视场角要求的隧道洞外图像区域R1，并将该区域的原点坐标与半径数据回传至嵌入式处理器；
(5)上位机通过网络将摄像机的焦距调节指令发送至嵌入式处理器，由嵌入式处理器控制摄像机调节焦距直至画面大部分区域属于洞内为止，记录此时的焦距参数J2；
(6)上位机选取符合20°视场角要求的隧道洞内图像区域R2，并将该区域的位置坐标回传至嵌入式处理器；
(7)使用标准亮度仪和上位机对摄像机的参数v、m进行标定，上位机根据公式D＝vlgH+m对lgH、D的数值进行线性拟合，其中D为所选图像区域Y分量的平均亮度值，v为反差系数；m为截距，代表直线与y轴交点的纵坐标。
(8)嵌入式处理器根据公式其中，T为摄像机曝光时间，F为摄像机光圈，D为所选图像区域Y分量的平均亮度值，v、m为步骤(7)参数标定的参数，则可实时计算出亮度值B。
(9)嵌入式处理器通过RS485接口将洞外亮度值实时传输至调光控制系统，并每隔10分钟将焦距切换至J2状态，计算此时洞内亮度并通过RS485接口传输至调光控制系统，然后再将焦距切换至J1状态对洞外亮度进行监控；
(10)嵌入式处理器通过网络光端机将视频流传输至视频监控平台，方便实现远程监控、维护、程序升级更新。
进一步，所述步骤(1)中的视频流是YUV视频流；所述YUV是一种图像格式，由3个分量组成，其中Y是亮度分量，U、V为色差分量，亮度分量、色差分量都由8位二进制数表示，其取值范围为00000000～11111111，即0～255。
进一步，所述步骤(7)包括以下步骤：
1)嵌入式处理器根据设定的阈值调节摄像机的曝光时间T和光圈F；
2)上位机接收并记录标准亮度仪在不同时间段的亮度值B，同时嵌入式处理器计算所选图像区域Y分量在不同时间段的平均亮度值D并通过网络传输至上位机保存；
3)上位机根据公式求取lgH数值并做好记录，其中T为摄像机曝光时间，F为摄像机光圈，B为标准亮度仪测出的亮度值，T、F、B均为已知参数；
4)上位机根据公式D＝vlgH+m，其中，v为反差系数，lgH已由步骤(3)求取，D为所选图像区域Y分量的平均亮度值，lgH、D均为一一对应已知数值，则可以对lgH、D的数值进行线性拟合，根据拟合结果即可求出参数v和m，并通过网络将参数v、m发送至嵌入式处理器。
进一步，所述步骤1)中设定的阈值为阈值TH＝80％Ymax、TL＝20％Ymax；其中Y分量的取值范围为0～255。
本发明的有益效果为：
一种基于图像的隧道洞内外亮度检测系统，具有以下有益效果：
1、本发明采用可视化图像的方式实现亮度检测，可根据显示画面实时调整视场角，具备直观、简易、快捷、准确等优点，确定的视场角能与标准高度吻合，测量结果能准确体现洞外亮度值，测量误差小；
2、本发明采用线性拟合法实现亮度检测，所述嵌入式处理器同时获取图像区域的Y分量的平均值D和标准亮度仪的洞外亮度值B，并根据公式D＝vlgH+m进行线性拟合，标定出参数v、m，整个过程均由嵌入式处理器自动控制，无需人工参与，具备速度快、效率高、数据处理简单、误差小等特点；
3、本发明将视频流实时传输至视频监控平台进行监控，镜头角度变化、图像质量变化、设备运行状态等信息都可一目了然，并且可通过网络对嵌入式处理器的程序进行远程升级更新，具备故障排查简单快捷、便于维护和升级更新等特点；
4、本发明通过切换镜头的焦距来获取洞内圆形区域面的平均亮度代替传统照度仪点的亮度，大大提高洞内亮度准确度，一套系统就可完成传统亮度仪两套系统的任务，具备降低设备成本、施工成本、维护成本，提高经济效益等特点；
5、本发明提供了一种基于图像的隧道洞内外亮度检测系统及检测方法，使得洞内外亮度在测量过程中能精准确定方向和视场角、测量时间短、数据处理简单、测量精度高，具备远程监控功能，方便维护和升级更新，同时节约了成本，提高了经济效益。
附图说明
图1是本发明的一种基于图像的隧道洞内外亮度检测系统的结构示意图；
图2是本发明的隧道洞外图像区域示意图；
图3是本发明的隧道洞内图像区域示意图；
图4是感光材料的特性曲线；
图5是亮度回归曲线。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种基于图像的隧道洞内外亮度检测系统包括开关电源、摄像机、上位机、标准亮度仪、嵌入式处理器；所述摄像机设置焦距、光圈、曝光时间可调的镜头，用于根据需要调节焦距、光圈和曝光时间；所述上位机用于实时显示视频画面，根据视频画面调整安装角度、选取符合20°视场角的图像区域和发送摄像机的焦距调节指令；所述标准亮度仪是测量值的精准度得到国际认可的亮度测量设备；所述嵌入式处理器包括BT.1120接口、RS485接口、RJ45接口；所述开关电源与嵌入式处理器和摄像机相连；所述摄像机与嵌入式处理器相连；所述标准亮度仪与上位机相连；所述上位机与嵌入式处理器相连；所述嵌入式处理器的RS485接口与485光端机相连；所述485光端机与调光控制系统相连；所述嵌入式处理器与网络光端机相连；所述网络光端机与视频监控平台相连。
进一步，开关电源与嵌入式处理器和摄像机相连，开关电源给摄像机提供电压为12V的电源，给嵌入式处理器提供电压为5V的电源。
进一步，嵌入式处理器包括两个RJ45接口，上位机与嵌入式处理器通过其中一个RJ45接口相连，嵌入式处理器与网络光端机相连通过另一个RJ45接口相连。
一种基于图像的隧道洞内外亮度检测系统的检测方法包括以下步骤：
(1)摄像机通过BT.1120接口将隧道洞口的YUV视频流传输至嵌入式处理器；
(2)嵌入式处理器将接收到的视频流通过网络传输至上位机，根据上位机显示的画面调整安装角度；
(3)上位机通过网络将摄像机的焦距调节指令发送至嵌入式处理器，由嵌入式处理器控制摄像机调节焦距直至画面大部分区域属于洞外为止，记录此时的焦距参数J1；
(4)上位机选取符合20°视场角要求的隧道洞外图像区域R1,如图2所示，R1为包含隧道洞口、部分路面、部分植被的区域，并将该区域的原点坐标与半径数据回传至嵌入式处理器；
(5)上位机通过网络将摄像机的焦距调节指令发送至嵌入式处理器，由嵌入式处理器控制摄像机调节焦距直至画面大部分区域属于洞内为止，记录此时的焦距参数J2；
(6)上位机选取符合20°视场角要求的隧道洞内图像区域R2,如图3所示,R2为入口加强照明段路面区域，并将该区域的位置坐标回传至嵌入式处理器；
(7)使用标准亮度仪和上位机对摄像机的参数v、m进行标定，上位机根据公式D＝vlgH+m对lgH、D的数值进行线性拟合，其中D为所选图像区域Y分量的平均亮度值，v为反差系数；具体步骤如下：
1)嵌入式处理器根据设定的阈值调节摄像机的曝光时间T和光圈F；保证亮度值处于图2的BC段内；优选地，由于Y分量的取值范围为0～255，根据图4可设上限阈值TH＝80％Ymax、TL＝20％Ymax；嵌入式处理器根据设定的阈值适当调节曝光时间和光圈，即D＞TH时，适当减小曝光时间和减小光圈，当D＜TL时，适当增大曝光时间和增大光圈，直至D值处于线性范围内；
2)上位机接收并记录标准亮度仪在不同时间段的亮度值B，同时嵌入式处理器计算所选图像区域Y分量在不同时间段的平均亮度值D并通过网络传输至上位机保存；
3)上位机根据公式求取lgH数值并做好记录，其中T为摄像机曝光时间，F为摄像机光圈，B为标准亮度仪测出的亮度值，T、F、B均为已知参数；
4)上位机根据公式D＝vlgH+m，其中，v为反差系数(图4BC段的斜率)，lgH已由步骤3)求取，D为所选图像区域Y分量的平均亮度值，lgH、D均为一一对应已知数值，则可以对lgH、D的数值进行线性拟合，根据拟合结果即可求出参数v和m，并通过网络将参数v、m发送至嵌入式处理器；拟合结果如图5所示；
(8)嵌入式处理器根据公式其中，T为摄像机曝光时间，F为摄像机光圈，D为所选图像区域Y分量的平均亮度值(可实时获取)，v、m为步骤(7)参数标定的参数，则可实时计算出亮度值B；
(9)嵌入式处理器通过RS485接口将洞外亮度值实时传输至调光控制系统，并每隔10分钟将焦距切换至J2状态，计算此时洞内亮度并通过RS485接口传输至调光控制系统，然后再将焦距切换至J1状态对洞外亮度进行监控；
(10)嵌入式处理器通过网络光端机将视频流传输至视频监控平台，方便实现远程监控、维护、程序升级更新。
本发明不局限于以上所述的具体实施方式，以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于图像的隧道洞内外亮度检测系统，其特征在于：包括开关电源、摄像机、上位机、标准亮度仪、嵌入式处理器；所述摄像机设置焦距、光圈、曝光时间可调的镜头，用于根据需要调节焦距、光圈和曝光时间；所述上位机用于实时显示视频画面，根据视频画面调整安装角度、选取符合20°视场角的图像区域和发送摄像机的焦距调节指令；所述标准亮度仪是测量值的精准度得到国际认可的亮度测量设备；所述嵌入式处理器包括BT.1120接口、RS485接口、RJ45接口；所述开关电源与嵌入式处理器和摄像机相连；所述摄像机与嵌入式处理器相连；所述标准亮度仪与上位机相连；所述上位机与嵌入式处理器相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于图像的隧道洞内外亮度检测系统，其特征在于：所述嵌入式处理器的RS485接口与485光端机相连；所述485光端机与调光控制系统相连；所述嵌入式处理器与网络光端机相连；所述网络光端机与视频监控平台相连。
3.权1所述的一种基于图像的隧道洞内外亮度检测系统的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)摄像机将隧道洞口的视频流传输至嵌入式处理器；
(2)嵌入式处理器将接收到的视频流通过网络传输至上位机，根据上位机显示的画面调整安装角度；
(3)上位机通过网络将摄像机的焦距调节指令发送至嵌入式处理器，由嵌入式处理器控制摄像机调节焦距直至画面大部分区域属于洞外为止，记录此时的焦距参数J1；
(4)上位机选取符合20°视场角要求的隧道洞外图像区域R1，并将该区域的原点坐标与半径数据回传至嵌入式处理器；
(5)上位机通过网络将摄像机的焦距调节指令发送至嵌入式处理器，由嵌入式处理器控制摄像机调节焦距直至画面大部分区域属于洞内为止，记录此时的焦距参数J2；
(6)上位机选取符合20°视场角要求的隧道洞内图像区域R2，并将该区域的位置坐标回传至嵌入式处理器；
(7)使用标准亮度仪和上位机对摄像机的参数v、m进行标定，上位机根据公式D＝vlg H+m对lg H、D的数值进行线性拟合，其中D为所选图像区域Y分量的平均亮度值，v为反差系数；m为截距，代表直线与y轴交点的纵坐标；
(8)嵌入式处理器根据公式其中，T为摄像机曝光时间，F为摄像机光圈，D为所选图像区域Y分量的平均亮度值，v、m为步骤(7)参数标定的参数，则可实时计算出亮度值B；
(9)嵌入式处理器通过RS485接口将洞外亮度值实时传输至调光控制系统，并每隔10分钟将焦距切换至J2状态，计算此时洞内亮度并通过RS485接口传输至调光控制系统，然后再将焦距切换至J1状态对洞外亮度进行监控；
(10)嵌入式处理器通过网络光端机将视频流传输至视频监控平台，方便实现远程监控、维护、程序升级更新。
4.根据权利要求3所述的一种基于图像的隧道洞内外亮度检测系统的检测方法，其特征在于：所述步骤(1)中的视频流是YUV视频流；所述YUV是一种图像格式，由3个分量组成，其中Y是亮度分量，U、V为色差分量，亮度分量、色差分量都由8位二进制数表示，其取值范围为00000000～11111111，即0～255。
5.根据权利要求3所述的一种基于图像的隧道洞内外亮度检测系统的检测方法，其特征在于：所述步骤(7)包括以下步骤：
1)嵌入式处理器根据设定的阈值调节摄像机的曝光时间T和光圈F；
2)上位机接收并记录标准亮度仪在不同时间段的亮度值B，同时嵌入式处理器计算所选图像区域Y分量在不同时间段的平均亮度值D并通过网络传输至上位机保存；
3)上位机根据公式求取lg H数值并做好记录，其中T为摄像机曝光时间，F为摄像机光圈，B为标准亮度仪测出的亮度值，T、F、B均为已知参数；
4)上位机根据公式D＝vlg H+m，其中，v为反差系数，lg H已由步骤(3)求取，D为所选图像区域Y分量的平均亮度值，lg H、D均为一一对应已知数值，则可以对lg H、D的数值进行线性拟合，根据拟合结果即可求出参数v和m，并通过网络将参数v、m发送至嵌入式处理器。
6.根据权利要求5所述的一种基于图像的隧道洞内外亮度检测系统的检测方法，其特征在于：所述步骤1)中设定的阈值为阈值TH＝80％Ymax、TL＝20％Ymax；其中Y分量的取值范围为0～255。
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