CN109900358A - 一种基于图像亮度信息的天空类型识别系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像亮度信息的天空类型识别系统及方法。该系统由参数可自由调节的CCD相机模块、确定拍摄方位信息的电子罗盘模组以及数据处理的上位机组成。相机拍摄天空中任意方位的图像，上位机根据接收的图像信息及方位信息计算出世界坐标系与相机坐标系映射关系，并根据CCD成像原理计算出图像中指定点的灰度值与该点对应到世界坐标系中位置处的亮度值的关系，求出图像中任意点对应到实际拍摄场景中的亮度值，再将该亮度值与根据15种CIE标准天空模型计算的亮度信息进行最小方差法拟合，得出最接近的天空类型，即是识别出的天空类型。本系统及方法大大降低了天空类型识别操作的复杂度，易用性和可操作性大大提升。

Description

一种基于图像亮度信息的天空类型识别系统及方法

技术领域

本发明涉及建筑光环境领域，具体涉及一种基于图像亮度信息的天空类型识别系统及方法。

背景技术

随着建筑光环境测量事业的发展，国际照明委员会颁布了15种CIE标准天空模型，而国内也颁布GB/T 50033-2013建筑采光设计标准，对建筑采光进行了详细的规定。而这些采光计算均以确定的天空模型为基础，那么快速准确地进行实际天空模型的判断显得尤为重要。

目前已有的天空类型的识别方法主要有两种，一种是通过图像亮度计进行天空亮度测量，然后利用均方根值最小法则与15种CIE天空模型进行比较确定实际天空类型。另一种是通过计算天空指数的值来确定天空类型，天空指数在每一个数值区间内对应一种天空模型。但这两种方法都存在明显的缺陷，第一种方法所使用的图像亮度计的价格昂贵，使用受众很小，第二种方法计算天空指数时所需的水平漫射辐照度和水平辐照度测量复杂，且受周围环境因素影响较大。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明提出了一种利用图像亮度信息进行实际天空类型识别的系统及方法，不仅成本更低，而且简单易操作。

技术方案：根据本发明的第一方面，提供一种基于图像亮度信息的天空类型识别系统，包括：

CCD相机模块，用于拍摄天空任意方向图像；

电子罗盘，和所述相机模块处于同一水平面上，用于记录拍摄位置的方位信息；

单片机，与所述相机模块和所述电子罗盘都相连，用于控制相机模块和电子罗盘完成指定动作，并接收所述图像和方位信息并上传至上位机；

上位机，与所述单片机相连，用于向单片机发送控制指令并接收单片机上传的信息，对信息进行如下处理：利用图像灰度与亮度间的关系提取图像对应的实际场景的亮度信息；根据拍摄时间及拍摄位置的方位信息，采用国际照明委员会给定的15种CIE标准天空的参数及亮度公式计算亮度；将提取出的亮度与计算出的亮度进行对比，最终确定天空类型。

优选地，所述系统还包括用于放置相机模块和电子罗盘的三脚架，所述三脚架具有可调节水平方向角和竖直方向仰角的云台。所述三脚架的云台水平方向可调节角度范围为0-360°，竖直方向可调节角度范围为0-90°，使相机可拍摄半球空间内任意方向的图像。

优选地，所述电子罗盘为三维电子罗盘，利用内部的三维磁阻传感器测量相机模块方位角，双轴倾角传感器测量仰角。

优选地，所述系统还包括色度仪，由于图像显示中的RGB系统与相机的RGB系统存在差异，所述色度仪用于对上位机图像显示中的RGB系统进行标定。

根据本发明的第二方面，提供一种基于图像亮度信息的天空类型识别方法，包括以下步骤：

(1)CCD相机拍摄天空任意方向图像；

(2)与相机处于同一水平面的电子罗盘记录拍摄位置的方位信息，包括方位角和仰角信息；

(3)所述图像和方位信息通过与相机和电子罗盘都相连的单片机传送至上位机；

(3)上位机利用方位角及仰角信息进行相机坐标系与世界坐标系之间的转换，将图像中的每一点坐标映射到实际天空中的坐标；

(4)完成每一次拍摄后，上位机根据图像灰度与亮度间的关系提取图像中任意点对应到实际拍摄场景中的亮度信息，并根据拍摄时间及拍摄位置的方位信息，采用国际照明委员会给定的15种CIE标准天空的参数及亮度公式计算指定像素对应的实际天空位置处的亮度，再将提取出的亮度与计算出的亮度进行对比，从而确定天空类型。

优选地，所述步骤(4)中在进行亮度信息提取时，无需提取图像中每一个像素的亮度，在上位机中让程序提取指定点对应到实际场景中的亮度即可，以降低计算量，提高计算速度。数量可定为10*10，提取像素数量越多，识别的准确度越高，但计算所需时间越长。

优选地，所述步骤(4)中采用最小方差拟合的方法对15种天空亮度的计算结果与图像中提取出的亮度进行比较，得到最接近的天空类型，即是识别出的天空类型。

有益效果：本发明通过CCD(charge coupled device)相机模块拍摄天空照片，再通过CCD成像原理进行图像像素的RGB值与成像场景中的亮度值进行转换，降低了传统方法中使用成像亮度计进行亮度测量的成本。在后期使用CIE天空模型计算相同场景下的亮度时，使用电子罗盘来检测相机拍摄时的方位信息，避免了复杂的测量操作，且上位机中的计算过程在拍摄完成后自动进行，不需要添加人为操作，整个识别过程只需用户搭建相机并使用软件进行拍摄，简单易操作。本系统及方法大大降低了天空类型识别操作的复杂度，易用性和可操作性大大提升。

附图说明

图1为根据本发明实施例的天空类型识别系统整体结构示意图；

图2为根据本发明实施例的天空类型识别方法流程示意图；

图3为根据本发明实施例的CCD成像原理示意图；

图4为根据本发明实施例的坐标转换示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，在一个实施例中，天空类型识别系统由参数可自由调节的CCD相机模块1、确定拍摄方位信息的电子罗盘模组2以及数据处理的上位机5组成，CCD相机模块1和电子罗盘模组2放置于三脚架4上。罗盘模块与相机模块都通过杜邦线与单片机3连接，这两个模块需要处于同一水平面上，以确保罗盘记录的位置(仰角和方位角)信息是相机的位置信息。单片机相当于一个小型计算机，与其连接的各个模块相当于外设(用于采集信息)，单片机通过接收上位机传来的控制指令，从而控制与其连接的模块完成指定动作。完成相应动作后，单片机可从外设获取相应的信息，再将这些信息传输至上位机。单片机通过专用数据线与上位机连接进行通讯。但由于单片机传输至上位机的信息都是数字电平信号(即0与1的形式)，上位机再通过各模块的用户手册将接收到的数字电平信号转换为所需要的信息。电子罗盘用于拍摄方位信息，拍摄地的经纬度直接在上位机上输入，用于后续的计算。

在实际操作时，上位机发送控制指令给单片机，单片机接收到指令后再控制相机完成拍摄，然后单片机读取图像数据后将图像传输给上位机进行下一步处理。在拍摄时读取上位机(如PC机)的系统时间，读取的时间用于后面的计算。可通过调节三脚架位置和转轴的角度拍摄天空中任意方位的图像，三脚架的水平台需要用水平仪进行矫正，保证测量前完全水平没有侧倾角。拍摄后通过单片机与上位机通讯，上位机获取实时图像信息及方位信息，上位机据此计算出世界坐标系与相机坐标系映射关系，可确定图像中任意点在世界坐标系中的位置。通过图像灰度值与RGB值的转换关系，再通过色度仪进行色彩标定后得出图像灰度值。然后根据CCD相机的成像原理，利用图像中指定点的灰度值与该点对应到世界坐标系中位置处的亮度值的关系，可求出图像中任意点对应到实际拍摄场景中的亮度值。再将任意点的方位及时间信息带入15种CIE天空模型进行亮度计算，同样可以得出该时间下任意点的亮度信息，与图像对应点的亮度信息进行最小方差法拟合，得出最接近的天空类型，即是识别出的天空类型。

具体处理流程如图2所示，包括以下步骤：

①CCD相机拍摄目标天空图像，由上位机完成图像中指定点亮度到实际场景亮度的转换并存储为矩阵；

②上位机读取电子罗盘记录的方位角和仰角θ以及相机的焦距f，据此计算出相机坐标系到世界坐标系的映射关系；

③根据相机坐标系到世界坐标系的映射关系计算出图像中指定点对应到实际天空中的位置，再使用15种CIE天空亮度计算公式计算出这些点的在15种CIE天空中的亮度，存储为15个亮度矩阵；

④将指定点提取出的图像亮度与15种计算出的亮度采用最小方差拟合，方差最小的值所对应的天空类型即为判断出的天空类型。

如图3所示，为CCD相机光学成像的原理，目标图像经过透镜和光阑后在感光元件上成像。目标投射到感光元件上的照度E与目标自身的亮度L₀的关系如下：

式中E为感光元件表面接收到的照度，τ为光学系统的透射率，F_m为相对孔径数，f为透镜的焦距，n为目标到透镜的距离，L₀为目标的亮度。因目标到透镜的距离一般远大于透镜的焦距，所以该式可以简化为：

而CCD相机在曝光过程中图像中的每一点的灰度值D与该点的曝光量H存在如下关系：

D＝vlgH+m (3)

而曝光量又与感光元件表面照度E和曝光时间T有如下关系：

H＝E*T (4)

上两式中，v为反差系数，m为一常数。然后将上面的公式整理可以得出图像灰度值D与拍摄目标的亮度值L₀之间的关系：

而CCD相机的反差系数υ和透射率τ是定值，所以式5的后两项可以用一个常数w替代，改写为：

则公式关系转换为：

式中的(u_x,v_x)是像素的坐标，用于区分不同的像素。而相机的相对孔径数和曝光时间都可以在曝光过后通过单片机读入上位机。像素的灰度值则可以通过像素的三刺激值计算出来，1931CIE-XYZ系统规定的灰度值D与三刺激R、G、B值的关系如下：

D＝0.3R+0.59G+0.11B (8)

但是相机的RGB系统与1931CIE-XYZ系统并不一致，必须要通过色彩标定转换。设定图像的像素的三刺激值分别为R₁、G₁、B₁，使用标准色卡进行标定可以得到相机的RGB系统与1931CIE-XYZ系统的转换关系：

标定时使用标准色卡提供标定时的拍摄目标，色度仪是用来测量色卡的RGB值，然后使用本系统拍摄色卡，用图像处理算法提取R₁G₁B₁值，然后拟合出两者的关系即可完成标定。上式中，l、m、n、o、p和q为色彩标定后拟合出的常数。图像像素的三刺激值R₁、G₁、B₁可以通过图像处理算法读出。

再利用公式7和8即可完成亮度的计算：

公式7中的两个常数w和υ可以通过亮度标定实验确定，亮度标定实验借助液晶显示屏，使用本识别系统和亮度计对同一液晶显示屏(使用不同灰度级)进行拍摄，对于指定点的亮度使用亮度计测量的数据作为L₀(u,v)进行SPSS拟合，可拟合出w和υ。

如图4所示，指定像素点在图像平面上的坐标为(u_p,v_p)，则其在相机坐标系uvw中的坐标可表示为(f，-u_p,v_p)，并设其在世界坐标系中的坐标为(x,y,z)。由图3可知，要使相机坐标系与世界坐标系重合，则需将相机坐标系先绕z轴旋转坐标转换矩阵为：

在将坐标系绕y轴旋转坐标转换矩阵为：

那么相机坐标系下的坐标到世界坐标系的坐标转换关系为：

带入后可得：

而利用CIE天空亮度计算公式计算天空亮度时，需要用到目标点的方位角和仰角θ_p，有以上坐标可以进行转化计算得到指定像素对应的实际天空中的目标点的方位角和仰角。如下：

得到图像中指定位置的像素(u_p,v_p)所对应的在实际天空中的位置后，就可以利用CIE天空亮度计算公式计算出在15种CIE标准天空下的亮度：

式中L为计算点的亮度，χ为计算点与太阳之间的最短角距离，Z_s为太阳高度角的余角，Z为计算点的高度角的余角(即)，L_z为天顶亮度，a、b、c、d和e为15种CIE标准天空类型中的参数。而太阳高度角和天顶亮度都可以由拍摄时记录下的拍摄时间和拍摄位置的经纬度计算得出。由此便可以计算出图像中所有指定的点在15种CIE天空中的亮度，存储为15个亮度矩阵。再将第一步中由图像亮度信息提取得出的亮度矩阵与这15个亮度矩阵做最小方差拟合：

其中n为矩阵元素个数，即为图像中选取的像素点的个数。计算出得出方差最小的亮度矩阵所对应的CIE天空类型即为判断出的天空类型。

Claims (8)

1.一种基于图像亮度信息的天空类型识别系统，其特征在于，所述系统包括：

CCD相机模块，用于拍摄天空任意方向图像；

电子罗盘，和所述相机模块处于同一水平面上，用于记录拍摄位置的方位信息；

单片机，与所述相机模块和所述电子罗盘都相连，用于控制相机模块和电子罗盘完成指定动作，并接收所述图像和方位信息并上传至上位机；

上位机，与所述单片机相连，用于向单片机发送控制指令并接收单片机上传的信息，对信息进行如下处理：利用图像灰度与亮度间的关系提取图像对应的实际场景的亮度信息；根据拍摄时间及拍摄位置的方位信息，采用国际照明委员会给定的15种CIE标准天空的参数及亮度公式计算亮度；将提取出的亮度与计算出的亮度进行对比，最终确定天空类型。

2.根据权利要求1所述的天空类型识别系统，其特征在于，还包括用于放置相机模块和电子罗盘的三脚架，所述三脚架具有可调节水平方向角和竖直方向仰角的云台。

3.根据权利要求2所述的天空类型识别系统，其特征在于，所述三脚架的云台水平方向可调节角度范围为0-360°，竖直方向可调节角度范围为0-90°。

4.根据权利要求1所述的天空类型识别系统，其特征在于，所述电子罗盘为三维电子罗盘，利用内部的三维磁阻传感器测量相机模块方位角，双轴倾角传感器测量仰角。

5.根据权利要求1所述的天空类型识别系统，其特征在于，还包括色度仪，所述色度仪用于对上位机图像显示中的RGB系统进行标定。

6.一种基于图像亮度信息的天空类型识别方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)CCD相机拍摄天空任意方向图像；

(2)与相机处于同一水平面的电子罗盘记录拍摄位置的方位信息，包括方位角和仰角信息；

(3)所述图像和方位信息通过与相机和电子罗盘都相连的单片机传送至上位机；

(3)上位机利用方位角及仰角信息进行相机坐标系与世界坐标系之间的转换，将图像中的每一点坐标映射到实际天空中的坐标；

(4)完成每一次拍摄后，上位机利用图像灰度与亮度间的关系提取图像对应的实际场景的亮度信息，并根据拍摄时间及拍摄位置的方位信息，采用国际照明委员会给定的15种CIE标准天空的参数及亮度公式计算指定像素对应的实际天空位置处的亮度，再将提取出的亮度与计算出的亮度进行对比，从而确定天空类型。

7.根据权利要求6所述的天空类型识别方法，其特征在于，所述步骤(4)中在进行亮度信息提取时，通过在上位机中让程序提取指定点对应到实际场景中的亮度。

8.根据权利要求6所述的天空类型识别方法，其特征在于，所述步骤(4)中采用最小方差拟合的方法对15种天空亮度的计算结果与图像中提取出的亮度进行比较，得到最接近的天空类型，即是识别出的天空类型。