CN113514228A

CN113514228A - 一种模拟雾环境下的图像采集装置清晰度的评价方法

Info

Publication number: CN113514228A
Application number: CN202110278446.0A
Authority: CN
Inventors: 周小丽; 崔刚刚
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2021-03-16
Filing date: 2021-03-16
Publication date: 2021-10-19

Abstract

本发明涉及一种模拟雾环境下的图像采集装置图像清晰度的评价方法。图像采集装置由暗箱、观片灯箱、LED亚膜灯片、雾浓度测量仪、加湿器、通雾导管、测雾导管、带有观察窗的木板和数码相机组成，评价方法由图像预处理和数据分析组成，将采集到的图像进行预处理得到图像的灰度直方图，根据灰度直方图，采用双峰距离来评价图像清晰度；分别对雾浓度时间曲线和图像清晰度时间曲线进行拟合，得到雾浓度随时间变化关系和图像清晰度随时间变化关系；消去中间变量（时间），从而可以得到雾浓度与对应的图像清晰度的量化关系。本发明在实验室可以模拟均匀的雾环境，并且能够实时测量雾浓度和采集图像。

Description

一种模拟雾环境下的图像采集装置清晰度的评价方法

技术领域

本发明属于图像分析和评价领域，具体涉及一种模拟雾环境下的图像采集装置清晰度的评价方法。

背景技术

随着工业化进程，雾霾等恶劣天气频发。雾、霾等天气的存在，常常给人们的出行带来困扰，使得驾驶员和乘客很难清楚的辨别交通标示中的指示信息，为交通安全埋下隐患。大雾天气一直是交通运输系统面临的巨大问题之一，不论是港口、公路还是航空系统都需要对大雾天气进行应对。除了自然界自然形成的雾，还有在空气不流通无风的情况和气压较低的情况下，形成的影响交通的烟雾或者雾霾现象。雾是一种液态分散质的气溶胶，它会对空气中的光波产生散射和吸收作用。在大气中，氮气和氧气虽然含量最多，但在可见光和近红外区不表现吸收作用。水分子是可见光和近红外区最重要的吸收分子，是雾天光学衰减的主要因素。光波在空气中传播时，水分子的吸收和散射会引起光束能量的衰减，影响光束性质，最终，影响光学信息的传递。因此，研究雾环境下水雾特性与主观识别之间的关系具有实际的应用意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟雾环境下的图像采集装置清晰度的评价方法。

本发明提出的模拟雾环境下的图像采集装置清晰度的评价方法，所述图像采集装置由暗箱、观片灯箱、灯片、雾浓度测量仪、加湿器、通雾导管、测雾导管、带有观察窗的木板和数码相机组成，其中：暗箱由木板和木架组成的立方体结构，立方体结构的内壁上粘贴有黑色防反射塑料板，木板裸露处涂有黑漆；暗箱内末端安装有观片灯箱，所述观片灯箱用来给灯片进行背景照明，暗箱两侧开孔，所述开孔部位接入通雾导管出雾口和测雾导管入雾口，所述通雾导管连接加湿器，所述测雾导管连接雾浓度测量仪；所述暗箱前端设有带有观察窗的木板，带有观察窗的木板外侧安装有数码相机，所述数码相机用于采集图像；所述雾浓度测量仪用于实时测量雾浓度和输出雾浓度数据。清晰度评价方法由图像预处理和数据分析组成，所述图像预处理是给图像进行裁剪、灰度化、得到灰度直方图；所述数据分析是得到预处理后的图像标准偏差，所述标准偏差用来表征灰度直方图的双峰距离，以灰度直方图的双峰距离评价图像的清晰度。具体步骤如下：

（1）将暗箱两侧各开两孔并通过通雾导管连接加湿器出雾口。在暗箱侧面与数码相机同一水平线的位置开孔，使测雾导管连接雾浓度测量仪；

（2）在暗箱后端安装上观片灯箱并在观片灯箱上安装灯片，点亮一段时间使得观片灯光源输出稳定；在暗箱前端观察窗外侧放置相机支架并安装数码相机，调整数码相机高度使得镜头与灯片中的目标位置处于同一水平；

（3）先用数码相机拍摄无雾环境下的目标图像，并测量环境温度和湿度；

（4）打开超声波加湿器加雾，使其充满暗箱；读取雾浓度测量仪的实时雾浓度数值，当浓度达到200mg/m³时，关闭加湿器；

（5）设置雾浓度测量仪采样周期与自动采样时长，使用蓝牙手机与数码相机实现无线连接，同时启动雾浓度测量仪和数码相机，分别进行雾浓度测量和图像采集；

（6）将采集到的图像进行预处理得到图像的灰度直方图，根据灰度直方图，采用双峰距离来评价图像清晰度；分别对雾浓度时间曲线和图像清晰度时间曲线进行拟合，得到雾浓度随时间变化关系和图像清晰度随时间变化关系；消去中间变量（时间），从而可以得到雾浓度与对应的图像清晰度的量化关系。

本发明中，所述观察窗玻璃贴有防雾化膜，所述观片灯箱备有防水防潮措施。

本发明中，所述加湿器采用超声波加湿器，所述加湿器喷头喷射的是雾状水气。

本发明中，所述灯片为LED亚膜灯片，使用数码相机拍摄灯片目标，从而得到图像。

本发明中，所述数码相机为索尼Alpha 6000型号微单数码相机。

本发明中，所述观片灯箱为X光胶片观片灯箱。

本发明中，所述雾浓度测量仪为TSI8530EP粉尘仪，其测量粒径范围为0.1-10μm，并且能实现实时测量和自动采样保存。

本发明中，所述图像清晰度由图像灰度直方图的双峰距离评价，结合交通标志的颜色的两色特点，所述双峰距离由图像标准偏差表征。

本发明所采用的雾浓度测量装置是TSI8530EP粉尘仪，粉尘仪可以实时测量环境雾浓度；图像采集装置是数码相机，数码相机可以将目标信息全部呈现在一幅数字图像里面；结合交通标志的两色特点，即背景和目标各一色。采用的图像清晰度评价方法是用图像的标准偏差表征清晰度。，将采集到的图像经过预处理后，得到图像的灰度直方图，灰度直方图的双峰距离反应了目标和背景的对比程度，以双峰距离评价图像的清晰度，以图像的标准偏差表征灰度直方图的双峰距离。发明在实验室模拟雾环境，测量不同雾环境下的图像信息，通过图像处理技术得出图像清晰度与雾浓度的量化响应关系。

本发明的有益效果在于：本发明在实验室可以模拟均匀的雾环境，并且能够实时测量雾浓度和采集图像；本发明提出了一种用图像标准偏差评价图像清晰度的方法，所述图像清晰度，由图像灰度直方图的双峰距离评价，结合交通标志的两色特点，所述双峰距离由图像标准偏差表征，从而可以测量在背景照明的条件下模拟雾环境中不同雾浓度对图像清晰度的量化关系影响。

附图说明

图1为本发明所述的雾环境下图像采集装置的结构俯视图。

图２为实施例２雾浓度的变化情况。

图3为实施例2图像的灰度直方图的双峰距离说明。

图4为实施例２图像标准偏差的变化情况。

图5为实施例2图像标准偏差与雾浓度的量化关系。

图中标号：1为暗箱，2为观片灯箱，3为加湿器，4为雾浓度测量仪，5为数码相机，6为LED亚膜灯片，7为通雾导管，8为测雾导管。

具体实施方式

在以下给出的详细说明和较佳实施例中，可以对本发明更全面了解，这些说明和附图并不仅限于特定实施例，而只是起到解释和理解的作用。

实施例１：本发明属于模拟雾环境下的图像采集装置，具体涉及一种雾的模拟装置，雾的浓度测量装置，图像采集装置和清晰度评价方法。雾模拟装置由木板、黑色塑料板等拼接而成一个实验暗箱。暗箱１大小为2m*0.7m*1.2m。暗箱１底板由木板拼接而成，支架为木结构，侧面、端面和顶面的表面采用黑色塑料板贴合，木板裸露处涂有黑漆。暗箱１末端观片灯箱2和灯片6，并且观片灯箱2和灯片6都备有防水防潮措施，侧面开孔接入通雾导管7和测雾导管8，所述通雾导管7连接加湿器3，所述测雾导管8连接雾浓度测量仪4。暗箱１前端开有带有观察窗的木板9，用于数码相机5和实验操作者观察。带有观察窗的木板9为可移动木板，用于进入实验箱内调整待测目标。雾的模拟方法采用加湿器3实现，所述加湿器3采用超声波加湿器，即在暗箱１中使用超声波加湿器3喷出的雾状水气来模拟自然环境中的雾，可以实现雾的均匀性，稳定性和可控性，超声波加湿器3使用超声波（1.7Mhz）使雾化片发生高频谐振，将水抛离水面，产生直径5μm的细小水滴。自然界中存在的雾，粒子直径在4-10μm之间，两者吻合。使用数码相机5对灯片6上的内容进行图像采集，可以得到不同雾环境下的目标图像。

从数据分析方面，本发明采用标准偏差对图像清晰度进行表征。目标清晰度由背景与目标的对比度确定。本发明结合交通标志的两色性质，即背景与目标各一色，将采集到的图像灰度化后，其灰度直方图的双峰距离描述了目标与背景的对比度。本发明结合图像统计特性，利用图像的标准偏差表征了交通标志的图像清晰度。在图像采集实验中，本发明采用背光照明的方式，减少灯片表面的镜面发射这样可以获得有关图像清晰度的信息。

本发明提出的模拟雾环境下的图像采集装置清晰度的评价方法，具体实施步骤如下：

（1）将暗箱１两侧各开两孔并通过通雾导管7连接加湿器出雾口。在暗箱１侧面与数码相机5同一水平线的位置开孔，使测雾导管8连接雾浓度测量仪4；

（2）在暗箱１后端安装上观片灯箱2并在观片灯箱2上安装LED亚膜灯片6，点亮一段时间使得观片灯光源输出稳定。在暗箱1前段观察窗外侧放置相机支架并安装数码相机5，调整数码相机高度使得镜头与灯片中的目标位置处于同一水平；

（3）先用数码相机5拍摄无雾环境下的目标图像，并测量环境温度和湿度；

（4）打开超声波加湿器3加雾，使雾充满暗箱1。读取雾浓度测量仪4的实时雾浓度数值，当浓度达到200mg/m^3时，关闭加湿器3；

（5）设置雾浓度测量仪4采样周期与自动采样时长，使用蓝牙手机与数码相机5实现无线连接，同时启动雾浓度测量仪4和数码相机5，分别进行雾浓度测量和图像采集；

（6）将采集到的图像灰度化，选取关键部分，以统一标准用Photoshop批量截取，用Matlab处理每一幅图像，得到图像的灰度直方图；

（7）结合观测目标的两色性特点，以灰度直方图的双峰距离评价图像的清晰度，以图像标准偏差表征灰度直方图的双峰距离。用prism对雾浓度时间曲线和图像清晰度时间曲线进行拟合，分别得到雾浓度随时间变化关系和图像清晰度随时间变化关系；

（8）因为上述实验共用一个时间轴，所以消去中间变量（时间），从而可以得到雾浓度与对应的图像清晰度的量化关系。

实施例２：选用E字内容灯片进行雾环境下图像采集实验，将灯片6安装在灯箱2表面，启动雾浓度测量仪4并调试好各项参数并开始实施测量暗箱1内雾浓度，打开超声波加湿器3加雾，使其充满暗箱1。当雾浓度测量仪4数值达到200mg/m^3的时候，关闭加湿器3。启动雾浓度测量仪4的自动采样记录模式，以采样间隔为1s的方式实施7分钟采样，同时，每隔10s利用数码相机5采集一次图像。

雾浓度的变化如图2所示，图像的灰度直方图的双峰距离如图3所示，图像标准偏差的变化如图4所示，图像的清晰度与雾浓度的量化关系如图5所示。由图可知，在雾浓度最浓的时候，图像标准偏差最小。随着雾浓度的逐渐降低，图像标准偏差逐渐增大。

Claims

1.一种模拟雾环境下的图像采集装置清晰度的评价方法，其特征在于，所述模拟雾环境下的图像采集装置，由暗箱、观片灯箱、灯片、雾浓度测量仪、加湿器、通雾导管、测雾导管、带有观察窗的木板和数码相机组成，其特征在于：暗箱由木板和木架组成的立方体结构，立方体结构的内壁上粘贴有黑色防反射塑料板，木板裸露处涂有黑漆；暗箱内末端安装有观片灯箱，所述观片灯箱用来给灯片进行背景照明，暗箱两侧开孔，所述开孔部位分别设有通雾导管出雾口和测雾导管入雾口，所述通雾导管出雾口通过通雾导管连接加湿器，所述测雾导管入雾口通过测雾导管连接雾浓度测量仪；所述暗箱前端设有带有观察窗的木板，带有观察窗的木板外侧安装有数码相机，所述数码相机用于采集图像；所述雾浓度测量仪用于实时测量雾浓度和输出雾浓度数据；所述评价方法具体步骤如下：

（1）将暗箱两侧各开两孔并通过通雾导管连接加湿器出雾口；

在暗箱侧面与数码相机同一水平线的位置开孔，使测雾导管连接雾浓度测量仪；

2.根据权利要求1所述的模拟雾环境下的图像采集装置清晰度的评价方法，其特征在于步骤（6）中图像预处理是给图像进行裁剪、灰度化、得到灰度直方图。

3.根据权利要求1所述的模拟雾环境下的图像采集装置清晰度的评价方法，其特征在于，所述观察窗玻璃内侧面贴有防雾化膜，观片灯箱备有防水防潮措施。

4.根据权利要求1所述的模拟雾环境下的图像采集装置清晰度的评价方法，其特征在于，所述加湿器采用超声波加湿器，所述加湿器喷头喷射的是雾状水气。

5.根据权利要求1所述的模拟雾环境下的图像采集装置清晰度的评价方法，其特征在于，所述灯片为LED亚膜灯片，使用数码相机拍摄灯片目标，从而得到图像。

6.根据权利要求1所述的模拟雾环境下的图像采集装置清晰度的评价方法，其特征在于，所述雾浓度测量仪为TSI8530EP粉尘仪，其测量粒径范围为0.1-10μm，并且能实现实时测量和自动采样保存。

7.根据权利要求1所述的模拟雾环境下的图像采集装置清晰度的评价方法，其特征在于，所述数码相机为微单数码相机，所述观片灯箱为X光胶片观片灯箱。

8.根据权利要求1所述的模拟雾环境下的图像采集装置清晰度的评价方法，其特征在于，步骤（6）中预处理得到图像的灰度直方图，具体为：结合交通标志的两色特点，即背景和目标各一色，将采集到的图像进行灰度化，选取关键部分，以统一标准用Photoshop批量截取，用Matlab处理每一幅图像，得到图像的灰度直方图；根据灰度直方图求出每一组图像的标准偏差。

9.根据权利要求1所述的模拟雾环境下的图像采集装置清晰度的评价方法，其特征在于所述双峰距离由图像标准偏差表征。

10.根据权利要求1所述的模拟雾环境下的图像采集装置清晰度的评价方法，其特征在于图像清晰度和雾浓度的变化采用同一时间轴，消去中间变量（时间），得到图像清晰度与雾浓度的量化关系。