CN112261310A - 一种数字能见度仪观测亮度自动调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种数字能见度仪观测亮度自动调节方法，包括以下步骤：设定系统需要的画面亮度范围；根据视频图像，获取画面亮度值；判断画面亮度是否在设定的范围内，过亮则进行暗度调节，过暗则进行亮度调节，直到亮度在设定的范围内；整个画面亮度调节过程结束。本发明所述的方法本质上是模拟人眼的观察原理，可以实现指数级降低数据的计算量，大大提高了视频画面调节亮度的速度，为密集型观测提供了有利的保障，并有效提升了能见度观测的准确率。

Description

一种数字能见度仪观测亮度自动调节方法

技术领域

本发明属于数字能见度仪技术领域，尤其是涉及一种数字能见度仪观测亮度自动调节方法。

背景技术

目前曝光的方法一般有直方图曝光方法、均值曝光方法，以及两者相结合的算法。而均值曝光算法，根据图像传感器差异又可以分为：线性传感器的迭代方法和线性传感器的非迭代方法。而以上两种方法均以场景不变为假设前提，也就是说图像亮度均值和曝光时间之间存在线性关系。后续则会根据上一帧亮度均值、目标亮度值与曝光时间去解算下一帧的图像曝光时间，而两种方法的区别也仅是：一个是非迭代过程，另一个则是迭代过程。

而根据数值分析二分法进行曝光调节的主要有：变权值分区法和固定权值分区法。这类二分法进行曝光调节所针对的对象主要是非线性图像传感器。而二分法调节的本质均是透过曝光时间等于零时，将会导致图像全黑这一特点，采用递归逐步去逼近所求。本质上说，这两种分区法均为利用相异区域权值去获得最优的灰度均值方法，而不同的仅仅只是所针对图像区域的划分是否相同而已。

但以上这些传统方法对曝光时间的调节速度比较慢，而且会存在较为严重的震荡现象。在进行能见度高密集观测的时候(每分钟观测1次)，传统方法无法满足实际中的观测要求，极易造成因为画面亮度调节不及时或者异常而导致能见度的观测错误。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种数字能见度仪观测亮度自动调节方法，以解决曝光时间的调节速度比较慢，而且会存在较为严重的震荡现象、以及传统方法无法满足实际中的观测要求，极易造成因为画面亮度调节不及时或者异常而导致能见度的观测错误问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种数字能见度仪观测亮度自动调节方法，包括以下步骤：

S1、设定线性图像传感器或非线性图像传感器所需要的画面亮度范围；

S2、根据线性图像传感器或非线性图像传感器的视频图像，获取线性图像传感器或非线性图像传感器的画面亮度值；

S3、判断线性图像传感器或非线性图像传感器的画面亮度是否在设定的范围内，过亮则进行暗度调节，过暗则进行亮度调节，直到画面亮度在设定的范围内；

S4、整个画面亮度调节过程结束。

进一步的，所述步骤S3中线性图像传感器画面亮度调节过程如下步骤：

设曝光时间为T₁，画面亮度为B₁，曝光时间范围为：[T₀，T_n]，透过调整曝光时间T₁，使所需控制的画面亮度B_k范围落在：[B_min，B_max]，即当B_k∈[B_min，B_max]时，画面亮度为所求的合宜亮度，B₁∈[0，255]；

①当画面亮度B₁偏低，即B₁＜B_min时，则增加曝光时间为原来的2倍，即令T₁＝2T₁，若T₁＞T_n，则T₁＝T_n；

②重复步骤①，直到画面亮度B₁不再偏低；

③当画面亮度B₁偏高，即对应曝光时间B₁＞B_max时，则缩减曝光时间为原来的2倍，即令T₁＝T₁/2，若T₁＜T₀，则T₁＝T₀；

④重复步骤③，直到画面亮度B₁不再偏高为止，即B₁≤B_max；

⑤在步骤④中，若当前亮度B₁为B₁＞B_min，说明B₁不再偏高，而是落在所求的数值范围之内，即B₁∈[B_min，B_max]，画面亮度B₁调整过程结束；

⑥在步骤④中，若当前亮度B₁为B＜B_min，则令

调节完成。

进一步的，所述

的计算过程如下：

由于图像传感器为线性图像传感器，因此画面亮度B₁和曝光时间T₁呈线性关系，设有多条线段分别为[T₀，T]、[T，T_min]、[T_min，T_max]、[T_max，T_n]，设T₁位于，[T_min，T_max]中间位置，则曝光时间公式如下：

整理可得：

由于画面亮度B₁和曝光时间T₁呈线性关系，根据两端点计算斜率

通常T₀＝0，则有k＝255/T_n，由此可得：

设曝光时间为T_max时，所对应的画面亮度为B_max，曝光时间为T_min时，画面亮度为B_min，将(2)式代入(1)整理，则有

上式中，T_n以及画面亮度B_max和B_min均为已知，T₁取整数。

进一步的，所述步骤S3中非线性图像传感器画面亮度调节过程如下步骤：

设曝光时间为T₂，画面亮度为B₂，曝光时间范围为：[T₀，T_n]，透过调整曝光时间T₂，使所需控制的画面亮度B_k范围落在：[B_min，B_max]，即当B_k∈[B_min，B_max]时，画面亮度为所求的合宜亮度，B₂∈[0，255]；

①当画面亮度B₂偏低，即B₂＜B_min时，则增加曝光时间为原来的2倍，即令T₂＝2T₂，若T₂＞T_n，则T₂＝T_n；

②重复步骤①，直到画面亮度B₂不再偏低；

③当画面亮度B₂偏高，即对应曝光时间B₂＞B_max时，则缩减曝光时间为原来的2倍，即令T₂＝T₂/2，若T₂＜T₀，则T₂＝T₀；

④重复步骤③，直到画面亮度B₂不再偏高为止，即B₂≤B_max；

⑤在步骤④中，若当前亮度B₂为B₂＞B_min，说明B₂不再偏高，而是落在所求的数值范围之内，即B₂∈[B_min，B_max]，画面亮度B₂调整过程结束；

⑥在步骤④中，若当前亮度B₂为B₂＜B_min，则令

调节完成；

其中N为最佳值。

相对于现有技术，本发明所述的一种数字能见度仪观测亮度自动调节方法具有以下优势：

(1)本发明所述的方法本质上是模拟人眼的观察原理，可以实现指数级降低数据的计算量，大大提高了视频画面调节亮度的速度；因为观测时间的急剧缩减，使观测周期时间大大减少，为密集型观测提供了有利的保障；

(2)本发明所述的方法能够实现观测画面亮度的自适应调节，能保证能见度观测画面亮度在最适宜的观测范围内，为后续能见度观测正确与否，提供了根本性的保障，有效提升了能见度观测的准确率。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的曝光时间调节位置示意图；

图2为本发明实施例所述的N值与匹配时间的关系示意图；

图3为本发明实施例所述的N值大小与调节成功率的关系示意图；

图4为本发明实施例所述的一种数字能见度仪观测亮度自动调节方法流程图；

图5为本发明实施例所述的应用本算法之前的系统示意图；

图6为本发明实施例所述的应用本算法之后的系统示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1至图6所示，能见度观测系统透过远近两个定标物进行观测，实际进行能见度观测的相机，为使远处的目标物可以更清晰，减少杂散光的干扰(本系统中相机焦距为50mm，相机型号：M5028-MPW2)，本系统将焦距定到第二个远处的目标物，而后透过调整相机的曝光时间和光圈来适应不同时段下所拍摄到的场景，使画面在不同光照下，始终保持便于观测的高质量画面。

原始系统的亮度调节采用固定步长递增方法，但这种方法效率太低，一次亮度调节通常在几分钟、十几分钟，甚至卡死。针对这种情况，基于曝光时间，本质上可以理解为一组升序数据的特征，本文提出了一种基于二分法+二增法(二分法的逆向算法)+可变步长法，相结合的快速亮度调节算法：

如图4所示，一种数字能见度仪观测亮度自动调节方法，包括以下步骤：

S1、设定线性图像传感器或非线性图像传感器所需要的画面亮度范围；

S2、根据线性图像传感器或非线性图像传感器的视频图像，获取线性图像传感器或非线性图像传感器的画面亮度值；

S3、判断线性图像传感器或非线性图像传感器的画面亮度是否在设定的范围内，过亮则进行暗度调节，过暗则进行亮度调节，直到画面亮度在设定的范围内；

S4、整个画面亮度调节过程结束。

若图像传感器采用线性图像传感器画面亮度调节过程如下步骤：

设曝光时间为T₁，画面亮度为B₁，曝光时间范围为：[T₀，T_n]，透过调整曝光时间T₁，使所需控制的画面亮度B_k范围落在：[B_min，B_max]，即当B_k∈[B_min，B_max]时，画面亮度为所求的合宜亮度，B∈[0，255]。

①当画面亮度B偏低，即B₁＜B_min时，则增加曝光时间为原来的2倍，即令T₁＝2T₁，若T₁＞T_n，则T₁＝T_n；

②重复步骤①，直到画面亮度B₁不再偏低；

③当画面亮度B₁偏高，即对应曝光时间B₁＞B_max时，则缩减曝光时间为原来的2倍，即令T₁＝T₁/2，若T₁＜T₀，则T₁＝T₀；

④重复步骤③，直到画面亮度B₁不再偏高为止，即B₁≤B_max；

⑤在步骤④中，若当前亮度B₁为B₁＞B_min，说明B₁不再偏高，而是落在所求的数值范围之内，即B₁∈[B_min，B_max]，画面亮度B₁调整过程结束；

⑥在步骤④中，若当前亮度B₁为B＜B_min，则令

调节完成。

所述

的计算过程如下：

如图1所示，由于图像传感器为线性图像传感器，因此画面亮度B₁和曝光时间T₁呈线性关系，设有多条线段分别为[T₀，T]、[T，T_min]、[T_min，T_max]、[T_max，T_n]，设T₁位于，[T_min，T_max]中间位置，则曝光时间公式如下：

整理可得：

由于画面亮度B₁和曝光时间T₁呈线性关系，根据两端点计算斜率

通常T₀＝0，则有k＝255/T_n，由此可得：

设曝光时间为T_max时，所对应的画面亮度为B_max，曝光时间为T_min时，画面亮度为B_min，将(2)式代入(1)整理，则有

上式中，T_n以及画面亮度B_max和B_min均为已知，T₁取整数。

若图像传感器为非线性图像传感器画面亮度调节过程如下步骤：

设曝光时间为T₂，画面亮度为B₂，曝光时间范围为：[T₀，T_n]，透过调整曝光时间T₂，使所需控制的画面亮度B_k范围落在：[B_min，B_max]，即当B_k∈[B_min，B_max]时，画面亮度为所求的合宜亮度，B₂∈[0，255]。

①当画面亮度B₂偏低，即B₂＜B_min时，则增加曝光时间为原来的2倍，即令T₂＝2T₂，若T₂＞T_n，则T₂＝T_n；

②重复步骤①，直到画面亮度B₂不再偏低；

③当画面亮度B₂偏高，即对应曝光时间B₂＞B_max时，则缩减曝光时间为原来的2倍，即令T₂＝T₂/2，若T₂＜T₀，则T₂＝T₀；

④重复步骤③，直到画面亮度B₂不再偏高为止，即B₂≤B_max；

⑤在步骤④中，若当前亮度B₂为B₂＞B_min，说明B₂不再偏高，而是落在所求的数值范围之内，即B₂∈[B_min，B_max]，画面亮度B₂调整过程结束；

⑥在步骤④中，若当前亮度B₂为B₂＜B_min，则令

调节完成；其中N为最佳值；

当曝光时间T₂落在T_min的左侧，即T₂＜T_min的情况时，则曝光时间的计算可以透过如下公式进行调节：

为了获取最佳N值，针对整个曝光时间区间进行测试，在不同的N值时，针对曝光时间左右端点和中间点，三个位置进行亮度调节，只要有一个亮度调节没有达到规定范围，则认为该次亮度调节失败，共获取如下数据：

N值大小	调节成功率(％)	消耗时间(ms)
			2	50	745.31
3	30	772.13
			4	50	758.72
5	20	752.38
			6	80	814.88
7	90	927.94
			8	100	1089.88
9	100	1257.94
			10	100	1886.13
11	100	2121.0
			12	100	2085.13

将以上数据以图形进行展示，即可获得如图2所示的匹配规律。

可以清楚的看到，随着N值的不断增大，系统的匹配时间也不断增加，N值大小与匹配时间成正比。这是正常的，因为N值越大，则意味着单次调节的步长越小，系统所消耗的时间自然就会越长。反之，步长越大，则调节速度越快。但相应的，系统出现调节失败的概率也会不断增加。因此，针对N值与调节成功率，同样针对曝光时间左右端点和中间点，三个位置进行亮度调节，任意一个位置亮度调节没有达到规定范围，则认为该次亮度调节失败，则有如图3所示的数据结果；

当N≥8时，系统就可以达到一个较为理想的匹配效果。在公式(4)中，若令

则有：

T₂＝T₂+Δ (5)

Δ是一个可变步长，在N值确定的情况下，Δ会随着T₂值的改变而变化，且T₂值越大，Δ值也会越大，调节能力也越强。而当N变化时，N越大，系统快速调节的能力同样越强。但相应的，也会导致亮度调节失败的概率增大，因为每次的跨度越大，则跳出设定亮度区域的概率就会越高。因此，考虑到通用性和系统的稳健性，以及图2中N值与匹配时间的关系，一般N值大小，推荐取值范围为：[10,15]。

实验数据如下：

系统在Intel(R)Core(TM)i3-2120 CPU@3.30GHz 3.29GHz PC上运行，采用C#语言编制系统程序。系统自动测量间隔为1分钟，而根据世界气象组织对能见度仪研制标准的要求，透射式能见度仪(Vaisala LT31，简称LT31)在全程范围内相对标准差都在20％以内(量程2KM以内)，我们以LT31为标准正确数据，当系统观测数据与LT31相差20％以内时，记该观测为正确观测。否则，记为观测结果不正确。有如下实验结果：

表1实验结果

整个系统观测共包括五个部分：亮度调节、定标、图像采样(13次，每次间隔50毫秒，次数可调)、观测算法、数据制作和显示，采用本系统的算法平均耗时为1.26秒，计算速度在1秒左右，比固定步长递增法(步长为1)，快了522.08倍。

固定步长递增法(步长为1)因为调节速度过慢，有时甚至会出现系统卡死，根本无法正常观测的情形，这类情形并没有统计在内。另一方面，当系统亮度调节时间超出1分钟的测量间隔时间时，仍未调节好亮度，就会因为定标不准确而严重影响观测效果，甚至会出现将白天误判为黑夜的误判。因而观测正确率较低。

固定步长递增法(步长为10)，步长不能无限增加，否则会造成跳跃过大，以至于无法使系统亮度落在正确设定范围内的情形，从而出现死循环导致系统崩溃。

理论上，这三者的观测正确率应该是相同的，但是因为采用固定步长递增法，在某些时候，因为需要递增的增量很大，因而导致系统花费的时间超过设定间隔，而导致观测正确率降低。此外，这种固定步长循环递增的方法，因为反应相对较慢，因此导致下一次匹配的时候，由于大风、汽车导致的震动，给摄像头带来的偏差也更大(时间越长，偏差越大)。这种情况下，对正确定标的算法也提出了更高要求，也因此导致一部分观测正确率的降低。

如图4、图6对比，应用本专利中的算法后的系统在最高能见度时，因为DPVS与LT31的最高量程设定不同(DPVS最高量程设定为14000，LT31设定为15000)，因而看似差异大，实则相同。

数字能见度仪作为一种新型的唯一符合能见度定义的能见度观测仪，具有很高的实用价值和广阔的应用前景。它是采用先进的数字摄像技术，实现大气能见度的探测，其技术方法在国内外尚属首创。随着CCD-CAMERA技术的飞速发展，其分辨率早已达到人眼分辨率(千万像素)，成本却在直线下降。这种当今唯一符合能见度定义的能见度自动观测仪，由于其成本低、安装便捷等特点、必定会有很高的实用价值和广阔的应用前景。同时由于它是根据人工观测方法设计，必然是取代人工观测能见度的最佳仪器。

而本文提出了一种基于二分法的改进型算法，该方法本质上是模拟人眼的观察原理，可以实现指数级降低数据的计算量，大大提高了视频画面调节亮度的速度，为密集型观测提供了有利的保障。

目前，数字能见度仪已经实现分钟级观测，系统经过几年的运转，实践有效地验证了该方法的有效性和可靠性

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种数字能见度仪观测亮度自动调节方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、设定线性图像传感器或非线性图像传感器所需要的画面亮度范围；

S2、根据线性图像传感器或非线性图像传感器的视频图像，获取线性图像传感器或非线性图像传感器的画面亮度值；

S3、判断线性图像传感器或非线性图像传感器的画面亮度是否在设定的范围内，过亮则进行暗度调节，过暗则进行亮度调节，直到画面亮度在设定的范围内；

S4、整个画面亮度调节过程结束。

2.根据权利要求1所述的一种数字能见度仪观测亮度自动调节方法，其特征在于：所述步骤S3中线性图像传感器画面亮度调节过程如下步骤：

设曝光时间为T₁，画面亮度为B₁，曝光时间范围为：[T₀，T_n]，透过调整曝光时间T₁，使所需控制的画面亮度B_k范围落在：[B_min，B_max]，即当B_k∈[B_min，B_max]时，画面亮度为所求的合宜亮度，B₁∈[0，255]；

①当画面亮度B₁偏低，即B₁＜B_min时，则增加曝光时间为原来的2倍，即令T₁＝2T₁，若T₁＞T_n，则T₁＝T_n；

②重复步骤①，直到画面亮度B₁不再偏低；

③当画面亮度B₁偏高，即对应曝光时间B₁＞B_max时，则缩减曝光时间为原来的2倍，即令T₁＝T₁/2，若T₁＜T₀，则T₁＝T₀；

④重复步骤③，直到画面亮度B₁不再偏高为止，即B₁≤B_max；

⑤在步骤④中，若当前亮度B₁为B₁＞B_min，说明B₁不再偏高，而是落在所求的数值范围之内，即B₁∈[B_min，B_max]，画面亮度B₁调整过程结束；

⑥在步骤④中，若当前亮度B₁为B＜B_min，则令

调节完成。

3.根据权利要求2所述的一种数字能见度仪观测亮度自动调节方法，其特征在于：所述

的计算过程如下：

由于图像传感器为线性图像传感器，因此画面亮度B₁和曝光时间T₁呈线性关系，设有多条线段分别为[T₀，T]、[T，T_min]、[T_min，T_max]、[T_max，T_n]，设T₁位于，[T_min，T_max]中间位置，则曝光时间公式如下：

整理可得：

由于画面亮度B₁和曝光时间T₁呈线性关系，根据两端点计算斜率

通常T₀＝0，则有k＝255/T_n，由此可得：

设曝光时间为T_max时，所对应的画面亮度为B_max，曝光时间为T_min时，画面亮度为B_min，将(2)式代入(1)整理，则有

上式中，T_n以及画面亮度B_max和B_min均为已知，T₁取整数。

4.根据权利要求1所述的一种数字能见度仪观测亮度自动调节方法，其特征在于：所述步骤S3中非线性图像传感器画面亮度调节过程如下步骤：

设曝光时间为T₂，画面亮度为B₂，曝光时间范围为：[T₀，T_n]，透过调整曝光时间T₂，使所需控制的画面亮度B_k范围落在：[B_min，B_max]，即当B_k∈[B_min，B_max]时，画面亮度为所求的合宜亮度，B₂∈[0，255]；

①当画面亮度B₂偏低，即B₂＜B_min时，则增加曝光时间为原来的2倍，即令T₂＝2T₂，若T₂＞T_n，则T₂＝T_n；

②重复步骤①，直到画面亮度B₂不再偏低；

③当画面亮度B₂偏高，即对应曝光时间B₂＞B_max时，则缩减曝光时间为原来的2倍，即令T₂＝T₂/2，若T₂＜T₀，则T₂＝T₀；

④重复步骤③，直到画面亮度B₂不再偏高为止，即B₂≤B_max；

⑤在步骤④中，若当前亮度B₂为B₂＞B_min，说明B₂不再偏高，而是落在所求的数值范围之内，即B₂∈[B_min，B_max]，画面亮度B₂调整过程结束；

⑥在步骤④中，若当前亮度B₂为B₂＜B_min，则令

调节完成；

其中N为最佳值。

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