CN110530512A - 一种天空亮度分布测量装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种天空亮度分布测量装置，包括第一相机，用于采集第一天空全景图像；第二相机，用于采集第二天空全景图像；校正参考装置，用于提供第一校正参考值和第二校正参考值；图像处理装置，分别与第一相机、第二相机和校正参考装置信号连接；图像处理装置以第一校正参考值校正第一天空全景图像得到第一校正图像，以第二校正参考值校正第二天空全景图像得到第二校正图像，合成第一校正图像和第二校正图像得到天空亮度分布图像。本发明对采集到的图像的亮度值进行校正，校正后的图像可以进行交互优化，测量得到的天空亮度分布更加精确。本发明还涉及一种天空亮度分布测量方法。

Description

一种天空亮度分布测量装置和方法
技术领域
本发明涉及天空图像测量领域，特别是涉及一种天空亮度分布测量装置和方法。
背景技术
天空亮度分布是影响建筑天然采光的重要因素，也是天空分类的主要依据。由于天空亮度及其分布是随时变化的，所以,快速、精确地测量天空上各处亮度值一直是重要的研究热点。
图像测量法是一种研究天空亮度分布的重要方式。目前，天空亮度分布测量装置是通过相机对天空进行拍照，将照片中各点亮度分布的信息记录下来，从而确定整个天空的亮度值。
现有技术的天空亮度分布测量装置存在以下问题：
(1)拍照得到的图像亮度值没有经过校正，导致由此测量得到的天空亮度不够精确；
(2)只有一个相机进行拍照，拍照得到的图像无法进行交互优化，导致测量得到的天空亮度不够精确。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之一是：提供一种天空亮度分布测量装置，通过多个相机采集天空全景图像，能够对采集到的图像的亮度值进行校正，校正后的图像可以进行交互优化，测量得到的天空亮度分布更加精确。
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之二是：提供一种天空亮度分布测量方法，通过多个相机采集天空全景图像，对采集到的图像的亮度值进行校正，并对校正后的图像进行交互优化，测量得到的天空亮度分布更加精确。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种天空亮度分布测量装置，包括
平台，
第一相机，设于平台上，朝向天空，用于采集第一天空全景图像；
第二相机，设于平台上，朝向天空，用于采集第二天空全景图像；
校正参考装置，设于平台上，用于提供第一校正参考值和第二校正参考值；
图像处理装置，分别与第一相机、第二相机和校正参考装置信号连接；
其中，图像处理装置分别接收第一相机传送来的第一天空全景图像、第二相机传送来的第二天空全景图像、校正参考装置传送来的第一校正参考值和第二校正参考值，以第一校正参考值校正第一天空全景图像得到第一校正图像，以第二校正参考值校正第二天空全景图像得到第二校正图像，合成第一校正图像和第二校正图像得到天空亮度分布图像。
进一步，校正参考装置包括，
第一太阳辐射测量仪，设于平台上，朝向天空，用于测量第一位置的太阳总辐射量，与图像处理装置信号连接；
第二太阳辐射测量仪，设于平台上，朝向天空，用于测量第一位置的太阳散射辐射量，与图像处理装置信号连接。
或者，校正参考装置包括，
太阳总辐射散射辐射测量仪，设于平台上，朝向天空，用于测量第一位置的太阳直射辐射量作为第一校正参考值，与图像处理装置信号连接；
进一步，校正参考装置还包括，
照度计，设于平台上，用于测量第二位置的照度信息作为第二校正参考值，与图像处理装置信号连接。
进一步，第一相机为小光圈相机，第二相机为大光圈相机。
进一步，第一相机和第二相机均为高动态范围图像相机。
一种天空亮度分布测量方法，包括以下步骤，
S1、第一相机采集并传送第一天空全景图像至图像处理装置，第二相机采集并传送第二天空全景图像至图像处理装置，校正参考装置测量得到第一校正参考值和第二校正参考值并传送第一校正参考值和第二校正参考值至图像处理装置第一校正参考值和第二校正参考值；
S2、图像处理装置以第一校正参考值对第一天空全景图像进行校正得到第一校正图像，以第二校正参考值对第二天空全景图像进行校正得到第二校正图像；
S3、图像处理装置合成第一校正图像和第二校正图像得到天空亮度分布图像。
进一步，S1包括以下步骤，
第一相机以天空为成像中心点坐标采集第一天空全景图像，第二相机以天空为成像中心点坐标采集第二天空全景图像，第一相机和第二相机拍摄范围相同。
进一步，S1包括以下步骤，
太阳总辐射散射辐射测量仪测量第一位置的太阳直射辐射量得到第一校正参考值；照度计测量第二位置的照度信息得到第二校正参考值。
进一步，S2包括以下步骤，
图像处理装置以第一位置的太阳直射辐射量对第一天空全景图像中太阳区块像素点的亮度值进行校正得到第一校正图像，以第二位置的照度信息对第二天空全景图像中天空区块像素点的亮度值进行校正得到第二校正图像。
相比现有技术，本发明具有如下优点：
本发明的一种天空亮度分布测量装置，采用第一相机和第二相机两个相机分别采集天空全景图像，采集到的天空全景图像可以通过图像处理装置以校正参考装置提供的校正参考值进行校正，校正后的图像可以进行交互优化，因此，采用本发明的一种天空亮度分布测量装置测量天空亮度分布，测量结果更加精确。
本发明的一种天空亮度分布测量方法，通过第一相机和第二相机两个相机分别采集天空全景图像，通过校正参考装置提供校正参考值，通过图像处理装置对采集到的天空全景图像进行校正，通过图像处理装置对校正后的图像进行交互优化，因此，采用本发明的一种天空亮度分布测量方法测量天空亮度分布，测量结果更加精确。
附图说明
图1为本发明实施例的俯视图。
图2为本发明实施例的前视图。
图3为太阳总辐射散射辐射测量仪的立体结构示意图。
图4为太阳总辐射散射辐射测量仪的平面结构示意图。
图5为本发明实施例的模块框图。
附图标记说明：
11——小光圈相机、12——大光圈相机；
2——半球形玻璃罩体；
3——太阳总辐射散射辐射测量仪、31——基座、32——遮阳环带、33——辐照度探头、34——圆孔；
4——照度计；
5——圆底盘；
6——光隔离外壳；
7——输出接口。
具体实施方式
下面来对本发明做进一步详细的说明。
如图1～图2所示，一种天空亮度分布测量装置，包括
平台，
第一相机，设于平台上，朝向天空，用于采集第一天空全景图像；
第二相机，设于平台上，朝向天空，用于采集第二天空全景图像；
校正参考装置，设于平台上，用于提供第一校正参考值和第二校正参考值；
图像处理装置，分别与第一相机、第二相机和校正参考装置信号连接；
其中，图像处理装置分别接收第一相机传送来的第一天空全景图像、第二相机传送来的第二天空全景图像、校正参考装置传送来的第一校正参考值和第二校正参考值，以第一校正参考值校正第一天空全景图像得到第一校正图像，以第二校正参考值校正第二天空全景图像得到第二校正图像，合成第一校正图像和第二校正图像得到天空亮度分布图像。
由于采用第一相机和第二相机两个相机分别采集天空全景图像，采集到的天空全景图像可以通过图像处理装置以校正参考装置提供的校正参考值进行校正，校正后的图像可以进行交互优化、合成得到天空亮度分布图像。相比于现有技术只采用一个相机采集天空全景图像，图像没有经过校正且无法进行交互优化合成，采用本发明的一种天空亮度分布测量装置测量天空亮度分布，测量结果更加精确。
具体地，平台为一圆底盘5，图像处理装置为PC端。第一相机、第二相机和校正参考装置均设于圆底盘5上且均和PC端无线连接。
校正参考装置包括，
第一太阳辐射测量仪，设于平台上，朝向天空，用于测量第一位置的太阳总辐射量，与图像处理装置信号连接；
第二太阳辐射测量仪，设于平台上，朝向天空，用于测量第一位置的太阳散射辐射量，与图像处理装置信号连接。第一位置即第一太阳辐射测量仪和第二太阳辐射测量仪所处的位置。
由于太阳直射辐射量等于太阳总辐射量减去太阳散射辐射量，因此图像处理装置接收到第一太阳辐射测量仪传送来的太阳总辐射量，以及第二太阳辐射测量仪传送来的太阳散射辐射量后，通过运算即可得到太阳直射辐射量，将太阳直射辐射量转换为第一照度信息，并以此作为第一校正参考值。
或者，校正参考装置包括，
太阳总辐射散射辐射测量仪3，设于平台上，朝向天空，用于测量第一位置的太阳直射辐射量作为第一校正参考值，与图像处理装置信号连接；第一位置即太阳总辐射散射辐射测量仪3所处的位置。
具体地，太阳总辐射散射辐射测量仪3内嵌在圆底盘5下半部分。太阳总辐射散射辐射测量仪3是一种可同时测量太阳总辐射和散射辐射的仪器(在申请公布号CN109682466A的专利文献中有详细描述)。如图3、图4所示，太阳总辐射散射辐射测量仪3主要包括基座31、半圆形遮阳环带32、起保护作用的小型玻璃罩和7个小型圆孔34、对应7个小型圆孔34设置的7个辐照度探头33以及控制器。半圆形遮阳环带32的中部沿弧线方向V型岔开，分成两条间隔对称的支环带；这两条支环带的顶部呈对称的矩形波状对耳。太阳光通过半圆形遮阳环带32的两条支环带及矩形波状对耳，投射到基座31表面，使基座31表面至少有一个圆孔34有太阳光照射到，该圆孔34内的辐照度探头33测量得到太阳总辐射量，取其中最大值为太阳总辐射量参考值；其他未受到太阳直射的圆孔34中的辐照度探头33则分别测量得到若干太阳散射辐射量，取其中最大值为太阳散射辐射量参考值。
7个光辐照度探头33将各自采集的照度数据传递给控制器后，控制器通过运算，用太阳总辐射量参考值减去太阳散射辐射量参考值，便可得到太阳直射辐射量。该装置简化了太阳直射辐射量的测量过程。
通过太阳总辐射散射辐射测量仪3实时得到第一位置的太阳直射辐射量，将太阳直射辐射量转换为第一照度信息，作为第一天空全景图像像素点的亮度校正参考值。
校正参考装置还包括，
照度计4，设于平台上，用于测量第二位置的照度信息作为第二校正参考值，与图像处理装置信号连接。第二位置即照度计4所处的位置。
具体地，照度计4固定在圆底盘5右边缘，收集到的第二位置的照度信息(第二照度信息)作为第二天空全景图像像素点的亮度校正参考值。
通过太阳总辐射散射辐射测量仪3和照度计4的设置，使得第一天空全景图像和第二天空全景图像像素点的亮度能够通过校正减少测量误差。
平台上设有半球形透明罩体，第一相机、第二相机和校正参考装置均设于半球形透明罩体内。
具体地，半球形透明罩体为半球形玻璃罩体12，用于保护圆底盘5上半球形玻璃罩体12内部的固定结构。圆底盘5下部设有光隔离外壳6，用于保护内部电路系统以及隔离外部光环境，能够减少外部光的影响，减少测量误差，使测量更准确。内部电路系统包括电源模块和主控制电路，主控制电路用于控制整个测量系统，包括采集全景镜头的图像信息、太阳总辐射散射量和亮度色度值，并通过输出接口7输出到PC端。
第一相机为小光圈相机11，第二相机为大光圈相机12。
第一相机和第二相机均为高动态范围图像相机(HDR相机)。
具体地，小光圈可以让太阳范围更加明确，提取的太阳区块的亮度色度信息更为准确；而大光圈可以让更大范围的光线进入镜头，能提取更多天空区块的亮度色度信息。通过小光圈相机11和大光圈相机12采集第一天空全景HDR图像和第二天空全景HDR图像，两个HDR图像的结合可精确地测量整个天空亮度分布。
如图5所示，为本发明实施例的模块框图。由图中可见，小光圈相机11和大光圈相机12分别采集第一天空全景图像和第二天空全景图像，并分别传送到PC端(图像处理装置)；太阳总辐射散射辐射测量仪3的7个辐照度探头33测量第一位置的太阳直射辐射量得到第一校正参考值并传送到PC端；照度计4测量第二位置的照度信息得到第二校正参考值并传送到PC端。PC端以第一校正参考值对第一天空全景图像进行校正得到第一校正图像，以第二校正参考值对第二天空全景图像进行校正得到第二校正图像，最后合成第一校正图像和第二校正图像得到天空亮度分布图像。同时，PC端可以发送相机控制信号到小光圈相机11和大光圈相机12，调整小光圈相机11和大光圈相机12的姿态和角度，以获得更好的天空全景图像。PC端可以发送第一控制信号到太阳总辐射散射辐射测量仪3和发送第二控制信号到照度计4，调整太阳总辐射散射辐射测量仪3和照度计4的姿态和角度，以获得更好的测量结果，提供更准确的校正参考值。
利用上述装置不仅可以测量天空亮度分布，同时也可以测量天空的光谱特征。
一种天空亮度分布测量方法，包括以下步骤，
S1、第一相机采集并传送第一天空全景图像至图像处理装置，第二相机采集并传送第二天空全景图像至图像处理装置，能够由图像处理装置对第一天空全景图像和第二天空全景图像进行交互优化，测量结果更加精确；校正参考装置测量得到并传送第一校正参考值和第二校正参考值至图像处理装置第一校正参考值和第二校正参考值，能够为第一天空全景图像和第二天空全景图像提供校正参考值；
S2、图像处理装置以第一校正参考值对第一天空全景图像进行校正得到第一校正图像，以第二校正参考值对第二天空全景图像进行校正得到第二校正图像，经过校正得到的第一校正图像和第二校正图像减少了测量误差，测量结果更加精确；
S3、图像处理装置合成第一校正图像和第二校正图像得到天空亮度分布图像。相比于现有技术只有一个天空全景图像，本发明通过对第一校正图像和第二校正图像两个天空全景图像交互优化，合成得到天空亮度分布图像，测量结果更加精确。
进一步，S1包括以下步骤，
第一相机以天空为成像中心点坐标采集第一天空全景图像，第二相机以天空为成像中心点坐标采集第二天空全景图像，第一相机和第二相机拍摄范围相同。第一天空全景图像和第二天空全景图像具有相同的图像范围和相同的成像焦点，能够在交互优化时减少误差。
进一步，S2包括以下步骤，
太阳总辐射散射辐射测量仪3测量第一位置的太阳直射辐射量得到第一校正参考值，能够为下述的第一天空全景图像中太阳区块像素点的亮度值提供适当的校正参数；照度计4测量第二位置的照度信息得到第二校正参考值，能够为下述的第二天空全景图像中天空区块像素点的亮度值提供适当的校正参数。
进一步，S4包括以下步骤，
图像处理装置以第一位置的太阳直射辐射量对第一天空全景图像中太阳区块像素点的亮度值进行校正得到第一校正图像，以第二位置的照度信息对第二天空全景图像中天空区块像素点的亮度值进行校正得到第二校正图像。
图像处理装置能够根据第一位置的太阳直射辐射量推导出太阳理论亮度值，并以此太阳理论亮度值对第一天空全景图像中太阳区块像素点的亮度值进行校正，得到的第一校正图像更可靠；图像处理装置能够根据第二位置的照度信息推导出天空区块理论亮度值，并以此天空区块理论亮度值对第二天空全景图像中天空区块像素点的亮度值进行校正，得到的第二校正图像更可靠。通过校正得到的图像，大大减少了测量误差。
利用上述方法不仅可以测量天空亮度分布，同时也可以测量天空的光谱特征。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种天空亮度分布测量装置，其特征在于：包括
平台，
第一相机，设于平台上，朝向天空，用于采集第一天空全景图像；
第二相机，设于平台上，朝向天空，用于采集第二天空全景图像；
校正参考装置，设于平台上，用于提供第一校正参考值和第二校正参考值；
图像处理装置，分别与第一相机、第二相机和校正参考装置信号连接；
其中，图像处理装置分别接收第一相机传送来的第一天空全景图像、第二相机传送来的第二天空全景图像、校正参考装置传送来的第一校正参考值和第二校正参考值，以第一校正参考值校正第一天空全景图像得到第一校正图像，以第二校正参考值校正第二天空全景图像得到第二校正图像，合成第一校正图像和第二校正图像得到天空亮度分布图像。
2.按照权利要求1所述的一种天空亮度分布测量装置，其特征在于：校正参考装置包括，
第一太阳辐射测量仪，设于平台上，朝向天空，用于测量第一位置的太阳总辐射量，与图像处理装置信号连接；
第二太阳辐射测量仪，设于平台上，朝向天空，用于测量第一位置的太阳散射辐射量，与图像处理装置信号连接。
3.按照权利要求1所述的一种天空亮度分布测量装置，其特征在于：校正参考装置包括，
太阳总辐射散射辐射测量仪，设于平台上，朝向天空，用于测量第一位置的太阳直射辐射量作为第一校正参考值，与图像处理装置信号连接。
4.按照权利要求2或3所述的一种天空亮度分布测量装置，其特征在于：校正参考装置还包括，
照度计，设于平台上，用于测量第二位置的照度信息作为第二校正参考值，与图像处理装置信号连接。
5.按照权利要求1所述的一种天空亮度分布测量装置，其特征在于：第一相机为小光圈相机，第二相机为大光圈相机。
6.按照权利要求5所述的一种天空亮度分布测量装置，其特征在于：第一相机和第二相机均为高动态范围图像相机。
7.一种天空亮度分布测量方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1、第一相机采集并传送第一天空全景图像至图像处理装置，第二相机采集并传送第二天空全景图像至图像处理装置，校正参考装置测量得到第一校正参考值和第二校正参考值并传送第一校正参考值和第二校正参考值至图像处理装置；
S2、图像处理装置以第一校正参考值对第一天空全景图像进行校正得到第一校正图像，以第二校正参考值对第二天空全景图像进行校正得到第二校正图像；
S3、图像处理装置合成第一校正图像和第二校正图像得到天空亮度分布图像。
8.按照权利要求7述的一种天空亮度分布测量方法，其特征在于：S1包括以下步骤，
第一相机以天空为成像中心点坐标采集第一天空全景图像，第二相机以天空为成像中心点坐标采集第二天空全景图像，第一相机和第二相机拍摄范围相同。
9.按照权利要求7所述的一种天空亮度分布测量方法，其特征在于：S1包括以下步骤，
太阳总辐射散射辐射测量仪测量第一位置的太阳直射辐射量得到第一校正参考值；照度计测量第二位置的照度信息得到第二校正参考值。
10.按照权利要求9所述的一种天空亮度分布测量方法，其特征在于：S2包括以下步骤，
图像处理装置以第一位置的太阳直射辐射量对第一天空全景图像中太阳区块像素点的亮度值进行校正得到第一校正图像，以第二位置的照度信息对第二天空全景图像中天空区块像素点的亮度值进行校正得到第二校正图像。
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