CN118230173A - 一种星空观赏适宜度实时判定方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星空观赏适宜度实时判定方法和系统。方法包括：在观赏地点拍摄采集夜天星空图像，基于夜天星空图像获得夜天背景亮度等级和可见星星数量；在观赏地点针对目标亮星在不同时刻拍摄采集夜天亮星瞬时图像，基于各夜天亮星瞬时图像获得大气视宁度等级；基于获得的夜天背景亮度等级、可见星星数量和大气视宁度等级，确定出星空观赏适宜度。本发明实现了对星空观赏适宜度的实时自动判定，判定准确可靠，提升了星空观赏体验感。

Description

一种星空观赏适宜度实时判定方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于判定星空观赏条件的方法和系统，具体来说，是涉及一种基于图像采集和识别的星空观赏适宜度实时判定方法和系统。

背景技术

近年来，随着生活水平的提高，人们对星空旅游越来越关注，在户外欣赏灿烂星河已成为一种潮流。仰望星空离不开适宜的环境条件，云量、大气稳定度、大气透明度等气象条件和光污染都会影响星空观赏的体验感受。可见，星空观赏适宜度的评测，是星空旅游资源开发的基础，对游客出行具有参考意义。

星空观赏主要与云量、大气稳定度、大气透明度和光污染等因素关系密切。但目前人们在观赏星空时多是依据天气预报播报的气象条件来自行判定是否适宜出行观赏星空。对于一些专业人员和部门而言，也大多仅是通过测量影响星空观赏的某一因素的观测设备来评定出星空观赏适宜程度。比如：云量使用地基的全天空成像仪或云量监测仪获取，也可利用气象卫星云图获得；光污染对星空观赏影响很大，可利用夜天光监测仪实时测定或利用夜光遥感数据计算获得；大气透明度影响星空的可见程度，且与水平能见度正相关，可利用能见度观测仪获得；大气视宁度（代表大气稳定度）影响着星空观赏效果和图像拍摄质量，可在拍摄时利用专业相机测得，也可使用专业的视宁度观测仪获得。从实际实施发现，上述仅通过某一因素来评定出的结果不能真正反映出星空观赏适宜度，往往是评定为适宜观赏但却根本无法观赏，因此不能满足人们的星空观赏需求。仔细探究可以发现，导致星空观赏适宜度判定不准确的原因除仅依据单一因素来判定之外，还存在所用观测设备的不妥，比如：因夜光遥感数据是由多景卫星数据反演计算获得，故其不能用来反映实时的夜天背景光情况；利用能见度观测仪获得的水平能见度不能完全代表垂直方向的大气透明度，具有局限性。另外，上述观测设备还存在成本高的问题，比如，专业的夜天光监测仪和视宁度观测仪价格昂贵，难以针对星空旅游资源的开发开展大规模的观测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种星空观赏适宜度实时判定方法和系统，其实现了对星空观赏适宜度的实时判定，判定准确可靠，提升了星空观赏体验感。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种星空观赏适宜度实时判定方法，包括步骤：

1）在观赏地点拍摄采集夜天星空图像，基于所述夜天星空图像获得夜天背景亮度等级和可见星星数量；

2）在观赏地点针对目标亮星在不同时刻拍摄采集夜天亮星瞬时图像，基于各所述夜天亮星瞬时图像获得大气视宁度等级；

3）基于获得的所述夜天背景亮度等级、所述可见星星数量和所述大气视宁度等级，确定出星空观赏适宜度。

一种星空观赏适宜度实时判定系统，包括夜天星空图像采集装置和夜天亮星瞬时图像采集装置，所述夜天星空图像采集装置和所述夜天亮星瞬时图像采集装置与控制装置连接，其中：所述夜天星空图像采集装置包括鱼眼镜头和星空图像采集用CMOS图像传感器，所述星空图像采集用CMOS图像传感器设置在CMOS芯片盒内，所述CMOS芯片盒顶部安装有所述鱼眼镜头；所述夜天亮星瞬时图像采集装置包括长焦镜头和亮星瞬时图像采集用CMOS图像传感器，所述亮星瞬时图像采集用CMOS图像传感器设置在CMOS感光芯片盒内，所述CMOS感光芯片盒固定在所述长焦镜头一端，其中，连为一体的所述长焦镜头和所述CMOS感光芯片盒在所述镜头方位控制组件的控制下能够使所述长焦镜头朝向预拍摄的目标亮星。

本发明的优点是：

本发明基于拍摄采集的夜天星空图像和夜天亮星瞬时图像，获得夜天背景亮度等级、可见星星数量和大气视宁度等级，继而实现了对星空观赏适宜度的实时自动判定，给出的星空观赏适宜度结果与人眼及望远镜实际所见等同，判定结果接近真实情况，为人们星空观赏出行计划提供参考，从而提升人们在观赏星空时的体验感，且本发明易实施，成本低，适于为星空旅游资源的开发利用开展大规模的判定。

附图说明

图1是本发明星空观赏适宜度实时判定方法的流程示意图。

图2是本发明星空观赏适宜度实时判定系统的组成示意图。

图3是夜天星空图像采集装置的结构示意图。

图4是夜天亮星瞬时图像采集装置第一实施例的结构示意图。

图5是夜天亮星瞬时图像采集装置第二实施例的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提出了一种星空观赏适宜度实时判定方法，包括步骤：

1）在观赏地点拍摄采集夜天星空图像，基于夜天星空图像获得夜天背景亮度等级和可见星星数量；

2）在观赏地点针对目标亮星在不同时刻拍摄采集夜天亮星瞬时图像，基于各夜天亮星瞬时图像获得大气视宁度等级；

3）基于获得的夜天背景亮度等级、可见星星数量和大气视宁度等级，确定出星空观赏适宜度，结束。

在本发明中，夜天星空图像为全景图像，全景图像是指符合人的双眼正常有效视角（大约水平90度，垂直70度）或包括双眼余光视角（大约水平180度，垂直90度）以上，乃至360度完整场景范围拍摄的图像。

在本发明中，目标亮星是指预拍摄的亮星，通常针对一颗亮星来拍摄。进一步来说，本发明中的亮星是指视星等数值小于2.0且大于-1.5的星体。亮星参照天文学给出的亮星列表来设定。

星空观赏通常是在远离城区的偏远地区或景区，选择晴朗无月的夜间开展。受夜间城市光污染、月光等影响，夜天背景亮度会存在不同的等级。

在实际设计中，获得夜天背景亮度等级包括如下步骤：

A11）计算夜天星空图像的背景光灰度值；

A12）基于事先确定好的图像背景光灰度值与夜天背景亮度等级对照表，根据夜天星空图像的背景光灰度值，获得夜天背景亮度等级；

其中，步骤A11）具体包括：将夜天星空图像以九宫格形式裁切成9等分；获得每等分图像的背景光灰度值；取9个等分图像的背景光灰度值的平均值作为夜天星空图像的背景光灰度值。

在实际实施时，获得每等分图像的背景光灰度值具体包括：

每等分图像中的各像素点暗度从大到小排列，提取排列在前的多个像素点（通常像素点个数大于50，较佳提取200个像素点）；

若提取的所有像素点的灰度标准差≤预设标准差阈值，则将提取的所有像素点的灰度平均值作为该等分图像的背景光灰度值，否则进入下一步；

减少像素点，判断当前涉及的像素点的灰度标准差是否小于等于预设标准差阈值：若否，则重新执行此步，直到像素点个数小于等于50时将此50个像素点的灰度平均值作为该等分图像的背景光灰度值；若是，即搜索到上述提取的所有像素点中灰度最密集区域或称标准差最小区域，即找到了提取的所有像素点中哪些像素点构成的区域的灰度是最密集的，则将当前涉及的各像素点的灰度平均值作为该等分图像的背景光灰度值。

在这里，提取200个像素点的原因在于，因采用的CMOS图像传感器为1k分辨率（即200万像素），除去周边无效区域，以单个星星平均像素数约为10计算，加之月相影响，那么裁切九宫格后得到的每等分图像中背景区域大约有20万像素，故此处提取千分之一个像素（即200个像素点）来计算是能够反映图像效果的，另外还能够保证计算效率。

因不同型号的CMOS图像传感器对亮度的反馈是具有差异的，故，为了消除硬件差异带来的影响，需要对图像背景光灰度值与夜天背景亮度等级之间的对应关系进行测定，从而形成图像背景光灰度值与夜天背景亮度等级对照表。

具体来说，确定图像背景光灰度值与夜天背景亮度等级对照表包括步骤：

按照波特尔暗空分类法（Bortle scale），针对各夜天背景亮度等级准备出若干张晴朗无月夜空图像；

获得每个夜天背景亮度等级对应的背景光灰度值区间：在暗室中利用高保真显示器依次显示具有此夜天背景亮度等级的各张晴朗无月夜空图像，并在显示每张晴朗无月夜空图像时采用与步骤1）相同的方式进行拍摄采集，以采用与步骤A11）相同的方式获得此晴朗无月夜空图像（图像有效区域）的背景光灰度值；基于对各张晴朗无月夜空图像获得的背景光灰度值，得到此夜天背景亮度等级对应的背景光灰度值区间；

确定出各夜天背景亮度等级与背景光灰度值区间的对应关系，得到图像背景光灰度值与夜天背景亮度等级对照表，即，此对照表给出了各夜天背景亮度等级与相应背景光灰度值区间的对应关系。

为了提高图像背景光灰度值与夜天背景亮度等级对照表的准确性，本发明中采用了高保真显示器。此高保真显示器是指具有高保真度的显示器。较佳地，高保真显示器采用尺寸≥40寸、分辨率≥4K、刷新频率≥120帧、色域范围覆盖100%sRGB以上的显示器，例如飞利浦27E1N8900型显示器。另外，可利用最终确定的夜天背景亮度等级所对应的夜天星空图像对高保真显示器的亮度参数进行调校。

星空观赏是观赏星空的活动，根据统计，人眼可见的星星总数约7000颗，由于约一半的星星在地平线之上，地平线附近的星星很难看到，故而在特定时刻，可见的星星总数大约有3000颗。灯光、月光、云、大气透明度等都会影响可见的星星数量，试验表明，通过分析可见的星星数量，可以对星空观赏条件的优劣给出合理评估。

在实际设计中，获得可见星星数量包括如下步骤：

A21）对夜天星空图像进行亮度增强：

A22）对亮度增强的夜天星空图像进行二值化处理；

A23）在二值化处理后的图像中通过轮廓检测方法（熟知算法）寻找符合星星轮廓的轮廓数量，此处，图像中星星的成像呈现不规则圆形、椭圆形、星形的发光点，其轮廓则视为符合星星轮廓；

A24）找到的轮廓数量记为所述可见星星数量；

其中，步骤A21）包括：将夜天星空图像以九宫格形式裁切成9等分；获得每等分图像的灰度值g_i（此采用与上述获得每等分图像的背景光灰度值的方式来获得），将该等分图像中灰度值大于g_i的像素点的灰度值置为255，将重置灰度值的各等分图像合成新的夜天星空图像；将多张新的夜天星空图像叠加在一起得到亮度增强的夜天星空图像。

受大气层湍流扰动等因素的影响，人眼和相机、望远镜等设备可见的星星图像会出现闪烁、模糊等情况，这些都影响着星空观赏的效果。因此，测定观赏地点的大气视宁度等级，是对星空观赏适宜度进行合理评估的重要指标。

在实际设计中，获得大气视宁度等级包括如下步骤：

B1）采用与步骤A21）相同的方式对各夜天亮星瞬时图像进行亮度增强；

B2）从各亮度增强的夜天亮星瞬时图像中提取出亮星并确定亮星光斑的中心点位置和亮星光斑的直径，在此处，亮星光斑的直径视为亮星光斑的尺寸；

B3）确定亮星光斑的尺寸变化率和位置变化率，包括：基于获得的各亮度增强的夜天亮星瞬时图像中亮星光斑的中心点位置、亮星光斑的直径，通过下式1）、2）分别计算出亮星光斑的位置变化率d、尺寸变化率v：

1）

2）

式1）、2）中：（x _i ，y _i ）为第i个夜天亮星瞬时图像中亮星光斑的中心点位置，（x ₀ ，y ₀ ）为第一个夜天亮星瞬时图像中亮星光斑的中心点位置，n为夜天亮星瞬时图像的个数，i为介于(0,n]的自然数，r _i 为第i个夜天亮星瞬时图像中亮星光斑的直径，r ₀ 为第一个夜天亮星瞬时图像中亮星光斑的直径；

B4）基于事先确定好的大气视宁度等级与亮星光斑尺寸/位置变化率对照表，根据计算出的尺寸变化率、位置变化率分别获得一大气视宁度等级，在获得的两个大气视宁度等级中取最小者作为最终的大气视宁度等级。

进一步来说，步骤B1）具体包括：

将夜天亮星瞬时图像以九宫格形式裁切成9等分；

获得每等分图像的灰度值g_i（此采用与上述获得每等分图像的背景光灰度值的方式来获得），将该等分图像中灰度值大于g_i的像素点的灰度值置为255，将重置灰度值的各等分图像合成新的夜天亮星瞬时图像；

将多张新的夜天亮星瞬时图像叠加在一起得到亮度增强的夜天亮星瞬时图像。

进一步来说，步骤B2）具体包括：

对亮度增强的夜天亮星瞬时图像进行二值化处理，采用轮廓检测方法寻找到符合星星轮廓的最大轮廓作为目标亮星轮廓；

采用高斯拟合方法提取目标亮星轮廓的光斑中心坐标记为亮星光斑的中心点位置；

获取目标亮星轮廓面积（即具有的像素点个数），将目标亮星轮廓面积通过等面积圆方式计算出直径并记为亮星光斑的直径（即亮星光斑的等效内径）。

在实际设计中，确定大气视宁度等级与亮星光斑尺寸/位置变化率对照表具体包括步骤：

按照威廉·皮克林给出的大气视宁度等级标准，针对各大气视宁度等级，通过高速摄像机（>500fps）拍摄准备出若干亮星视频；

获得每个大气视宁度等级对应的尺寸变化率区间和位置变化率区间：在暗室中利用高保真显示器依次显示具有此大气视宁度等级的各亮星视频，其中，在显示亮星视频时，采用与步骤2）相同的方式对此亮星视频进行拍摄采集，并采用与步骤B1）-B3）相同的方式获得此亮星视频中亮星光斑的尺寸变化率和位置变化率；基于对各亮星视频获得的尺寸变化率和位置变化率，得到此大气视宁度等级对应的尺寸变化率区间和位置变化率区间；

确定出各大气视宁度等级分别与尺寸变化率区间、位置变化率区间的对应关系，得到大气视宁度等级与亮星光斑尺寸/位置变化率对照表，即，此对照表给出了各大气视宁度等级分别与相应尺寸变化率区间、相应位置变化率区间的对应关系。

为了提高大气视宁度等级与亮星光斑尺寸/位置变化率对照表的准确性，本发明中采用了高保真显示器。此高保真显示器在上述已做说明，在此不再赘述。另外，可利用最终确定的大气视宁度等级与亮星光斑尺寸/位置变化率对照表对高保真显示器的亮度参数进行调校。

在实际实施时，对上述各类图像进行九宫格裁切之前，通常先从CMOS图像传感器获取的图像（呈矩形）中提取出圆盘图像，然后再对圆盘图像进行九宫格裁切。

进一步来说，确定星空观赏适宜度包括如下步骤：

基于获得的夜天背景亮度等级B、可见星星数量C和大气视宁度等级S，通过下式3）确定出星空观赏适宜度D：

3）

式3）中：m为判定因子个数，判定因子为夜天背景亮度等级B、可见星星数量C和大气视宁度等级S，j为介于(0,m]的自然数，为第j个判定因子的权重系数。

在这里，权重系数越大，表示判定因子对星空观赏适宜程度的影响越重要。在实际实施时，各判定因子的权重系数大小可基于大量实际观测数据以及对游客、专业人士征集的调查问卷统计分析得出。

如图2至图5所示，本发明还提出了一种星空观赏适宜度实时判定系统，包括夜天星空图像采集装置10和夜天亮星瞬时图像采集装置20，夜天星空图像采集装置10和夜天亮星瞬时图像采集装置20与控制装置30连接，其中：

夜天星空图像采集装置10用于拍摄获取夜天星空图像，包括鱼眼镜头11和星空图像采集用CMOS图像传感器，星空图像采集用CMOS图像传感器设置在CMOS芯片盒12内，CMOS芯片盒12顶部安装有鱼眼镜头11，鱼眼镜头11的弧形顶部朝上，如图3所示，CMOS芯片盒12内的星空图像采集用CMOS图像传感器与鱼眼镜头11同轴设置；

夜天亮星瞬时图像采集装置20用于拍摄获取夜天亮星瞬时图像，包括长焦镜头21和亮星瞬时图像采集用CMOS图像传感器，亮星瞬时图像采集用CMOS图像传感器设置在CMOS感光芯片盒22内，CMOS感光芯片盒22固定在长焦镜头21一端，CMOS感光芯片盒22内的亮星瞬时图像采集用CMOS图像传感器与长焦镜头21同轴设置，其中，连为一体的长焦镜头21和CMOS感光芯片盒22受镜头方位控制组件的控制，并在镜头方位控制组件的控制下使得长焦镜头21能够朝向预拍摄的目标亮星。

在实际应用时，优选地，鱼眼镜头11选用大口径鱼眼镜头，当然不受局限。在这里，为了拍摄到更加清晰的星空，鱼眼镜头应具有较大的有效孔径，如采用前镜片直径≥16mm，相对孔径大于2.0（F数≤2.0），视场角≥170°，焦距≥3mm的大口径鱼眼镜头。

在本发明中，CMOS图像传感器又称CMOS感光芯片。为便于图像判识和参数提取的精准性，星空图像采集用CMOS图像传感器和亮星瞬时图像采集用CMOS图像传感器选用低照度黑白高清CMOS图像传感器，当然不受局限。低照度黑白高清CMOS图像传感器是指最低照度<0.0001lux、有效像素≥1920×1080approx的CMOS感光芯片，例如IMX385型芯片。

在实际应用时，镜头应与CMOS图像传感器始终保持同轴。

在实际设计中，本发明星空观赏适宜度实时判定系统还包括供电电源。

在实际设计中，根据观赏地点所在地区的不同，本发明中的镜头方位控制组件具有两种方案，下面进行详述。

当观赏地点处于夜天北极星可见地区时，如图4所示，镜头方位控制组件包括镜头固定板52和镜头固定套51，镜头固定板52竖向设置在基板50一侧，镜头固定套51套接在长焦镜头21一端上，镜头固定套51经由定位件（图中未示出）能够沿镜头固定板52上开设的弧形方位调节槽53移动，长焦镜头21另一端的CMOS感光芯片盒22经由转轴（图中未示出）可转动地安装于镜头固定板52上，方位调节槽53的槽边设有仰角刻度线，长焦镜头21在定位件的带动下能够转动朝向北极星。

在实际设计时，定位件可使用螺栓来实现，另外，较佳地，CMOS感光芯片盒22连接的转轴经由轴承（图中未示出）设于镜头固定板52上，通常转轴与轴承内圈固定，轴承外圈固定在镜头固定板52上。

当观赏地点处于夜天北极星不可见地区时，如图5所示，镜头方位控制组件包括扁平圆柱状的底座60和镜头固定套件61，底座60内设有水平方位驱动电机（图中未示出），底座60顶口设置水平方位板68，水平方位板68在水平方位驱动电机的驱动下能够在水平面内转动，水平方位板68上固定有一对L型支撑板63，镜头固定套件61套接在长焦镜头21一端上，镜头固定套件61和固定在长焦镜头21另一端的CMOS感光芯片盒22作为整体，此整体的两侧分别固定有一转动板62，每个转动板62经由转动轴67可转动地安装在相应L型支撑板63上，安装在其中一个L型支撑板63上的转动板62与仰角驱动电机65连接，安装有镜头固定套件61和CMOS感光芯片盒22的长焦镜头21处于两个L型支撑板63之间并在仰角驱动电机65的驱动下能够在竖直面内转动，长焦镜头21在水平方位驱动电机和仰角驱动电机65的带动下能够朝向预拍摄的目标亮星。

在实际设计中，水平方位板68通过第一齿轮组件与水平方位驱动电机连接，具体来说，第一齿轮组件包括动力齿轮和被动齿轮，动力齿轮连接在水平方位驱动电机的出力轴上，被动齿轮固定在水平方位板68的底面上，通常被动齿轮为圆环状，在实际运行时，水平方位驱动电机带动动力齿轮转动，从而动力齿轮带动被动齿轮转动，继而被动齿轮带动水平方位板68转动，最终完成对长焦镜头21的水平方位调节。较佳地，如图5，底座60顶部的圆周边沿上设有水平方位刻度线602，在水平方位板68上相应地设有一基准线601，从而在水平方位板68转动时，通过查看基准线601所对水平方位刻度线602的位置，即可确定水平方位板68在水平面上所转角度，或说长焦镜头21此时所在水平方位。

类似地，在实际设计中，其中一个转动板62通过第二齿轮组件与仰角驱动电机65连接，具体来说，第二齿轮组件包括主齿轮和副齿轮，主齿轮连接在仰角驱动电机65的出力轴上，副齿轮固定在转动板62上并与固定在转动板62上的转动轴67共轴设置，在实际运行时，仰角驱动电机65带动主齿轮转动，从而主齿轮带动副齿轮转动，继而副齿轮带动转动板62转动，最终完成对长焦镜头21的仰角调节。较佳地，如图5，转动板62连接的转动轴67伸出L型支撑板63的部分上设有一仰角指针64，并且L型支撑板63外侧设有仰角刻度线66，从而在转动板62转动时，通过查看仰角指针64所对仰角刻度线66的位置，即可确定转动板62或说长焦镜头21此时所在仰角角度。

在实际设计中，较佳地，转动轴67经由轴承（图中未示出）设于L型支撑板63上，通常转动轴67与轴承内圈固定，轴承外圈固定在L型支撑板63上。

当然，除上述第一齿轮组件、第二齿轮组件之外，还可使用其它形式的传动组件来实现驱动，不受局限。

当观赏地点处于夜天北极星可见地区时，在实际使用时，为使长焦镜头21朝向北极星，首先令基板50朝向正北方位摆放，即令长焦镜头21朝向正北方位，然后测定观赏地点所在地理纬度，于是通过定位件（螺栓）沿方位调节槽53调节长焦镜头21及CMOS感光芯片盒22的仰角角度，令它们定位在与测定地理纬度对应的仰角刻度线处，此时长焦镜头21与水平面的夹角即为观赏地点所在地理纬度，于是长焦镜头21便会朝向北极星。在实际拍摄过程中，长焦镜头21的方位和仰角不用再进行调整。

当观赏地点处于夜天北极星不可见地区时，在实际使用时，为准确控制长焦镜头21方位，首先令镜头方位控制组件朝向正北方向设置，即，令水平方位板68上的基准线601朝向正北方向。长焦镜头21的初始化水平方位为正北，仰角为90°。然后控制装置30根据目标亮星指令，基于通过当前实际星图计算获得的目标亮星所在方位，控制水平方位驱动电机和仰角驱动电机65，以使长焦镜头21朝向目标亮星。

在实际拍摄时，当控制装置30接收到下达的拍摄指令时，控制装置30控制供电电源向亮星瞬时图像采集用CMOS图像传感器供电，从而在短时间内拍摄好多张夜天亮星瞬时图像，并且将拍摄的夜天亮星瞬时图像发送给控制装置30，由控制装置30进行相关图像处理分析获得大气视宁度等级。

在实际设计中，如图3，夜天星空图像采集装置10还包括遮阳罩组件，遮阳罩组件用于遮挡住鱼眼镜头11，以在白天保护星空图像采集用CMOS图像传感器免受鱼眼镜头11聚焦阳光带来的损坏。

具体来说，如图3所示，遮阳罩组件包括底板18，底板18上固定有一对L型固定板13，安装有鱼眼镜头11的CMOS芯片盒12固定在底板18上且介于两个L型固定板13之间，两个L型固定板13之间还设置有遮阳罩19，半圆形的遮阳罩19的两端分别经由翻转转动轴17可转动地设于两个L型固定板13上，安装在其中一个L型固定板13上的翻转转动轴17与遮阳驱动电机14连接，遮阳驱动电机14安装在此L型固定板13上，遮阳罩19借由翻转转动轴17在遮阳驱动电机14的驱动下能够翻转，从而实现对鱼眼镜头11的遮挡。

在实际设计中，翻转转动轴17通过第三齿轮组件与遮阳驱动电机14连接，具体来说，第三齿轮组件包括主动齿轮15和从动齿轮16，主动齿轮15连接在遮阳驱动电机14的出力轴上，从动齿轮16与翻转转动轴17共轴连接，在实际运行时，遮阳驱动电机14带动主动齿轮15转动，从而主动齿轮15带动从动齿轮16转动，继而从动齿轮16带动翻转转动轴17转动，从而完成对遮阳罩19的翻转控制。

在实际设计中，较佳地，翻转转动轴17经由轴承（图中未示出）设于L型固定板13上，通常翻转转动轴17与轴承内圈固定，轴承外圈固定在L型固定板13上。

在这里，上述描述涉及的驱动电机例如选用步进电机实现。

在实际使用时，因白天时段聚焦后的阳光极易损坏高精度的CMOS图像传感器，故本发明采用遮挡方式来避免阳光直射CMOS图像传感器。

具体地，基于日落时间算法，当判定到达当天日落时间时，控制装置30控制遮阳驱动电机14转动，从而遮阳罩19翻转设定角度离开鱼眼镜头11，不再遮挡鱼眼镜头11，于是便可进行天空观测了。

同理，基于日出时间算法，当判定到达（次日）日出时间时，控制装置30控制遮阳驱动电机14反向转动，从而遮阳罩19反向翻转设定角度至鱼眼镜头11上方，于是鱼眼镜头11被遮挡，避免CMOS图像传感器受阳光照射损坏。

在实际拍摄时，当控制装置30接收到下达的拍摄指令时，控制装置30控制供电电源向星空图像采集用CMOS图像传感器供电，从而在短时间内拍摄好多张夜天星空图像，并且将拍摄的夜天星空图像发送给控制装置30，由控制装置30进行相关图像处理分析获得夜天背景亮度等级和可见星星数量。

最终，基于获得的夜天背景亮度等级、可见星星数量和大气视宁度等级，控制装置30便可计算获得星空观赏适宜度，完成观赏地点是否适宜星空观赏的判定。

在本发明中，控制装置30还用于与中心站服务器40进行信息交互。

在本发明中，控制装置30采用具有信息收发、信息处理功能的电子控制器件实现，例如微处理、单片机等，不受局限。控制装置30主要用于向中心站服务器40反馈相关信息、控制相关装置的运行（如控制驱动电机运行）、进行相关图像处理分析等。在实际中，中心站服务器40也可向控制装置30发出上述拍摄指令以及用于控制遮阳罩组件的开启和关闭指令等。

本发明具有如下有益效果：

本发明基于拍摄采集的夜天星空图像和夜天亮星瞬时图像，获得夜天背景亮度等级、可见星星数量和大气视宁度等级，继而实现了对星空观赏适宜度的实时自动判定，给出的星空观赏适宜度结果与人眼及望远镜实际所见等同，判定结果接近真实情况，为人们星空观赏出行计划提供参考，从而提升人们在观赏星空时的体验感，且本发明易实施，成本低，适于为星空旅游资源的开发利用开展大规模的判定。

以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种星空观赏适宜度实时判定方法，其特征在于，包括步骤：

1）在观赏地点拍摄采集夜天星空图像，基于所述夜天星空图像获得夜天背景亮度等级和可见星星数量；

2）在观赏地点针对目标亮星在不同时刻拍摄采集夜天亮星瞬时图像，基于各所述夜天亮星瞬时图像获得大气视宁度等级；

3）基于获得的所述夜天背景亮度等级、所述可见星星数量和所述大气视宁度等级，确定出星空观赏适宜度。

2.如权利要求1所述的星空观赏适宜度实时判定方法，其特征在于，获得所述夜天背景亮度等级包括如下步骤：

A11）计算所述夜天星空图像的背景光灰度值；

A12）基于事先确定好的图像背景光灰度值与夜天背景亮度等级对照表，根据所述夜天星空图像的背景光灰度值，获得所述夜天背景亮度等级；

其中，所述步骤A11）具体包括：将所述夜天星空图像以九宫格形式裁切成9等分；获得每等分图像的背景光灰度值；取9个等分图像的背景光灰度值的平均值作为所述夜天星空图像的背景光灰度值。

3.如权利要求2所述的星空观赏适宜度实时判定方法，其特征在于，确定所述图像背景光灰度值与夜天背景亮度等级对照表具体包括：

按照波特尔暗空分类法，针对各夜天背景亮度等级准备出若干张晴朗无月夜空图像；

获得每个夜天背景亮度等级对应的背景光灰度值区间：在暗室中利用高保真显示器依次显示具有此夜天背景亮度等级的各张晴朗无月夜空图像，并在显示每张晴朗无月夜空图像时进行拍摄采集来获得晴朗无月夜空图像的背景光灰度值；基于对各张晴朗无月夜空图像获得的背景光灰度值，得到此夜天背景亮度等级对应的背景光灰度值区间；

确定出各夜天背景亮度等级与背景光灰度值区间的对应关系，得到所述图像背景光灰度值与夜天背景亮度等级对照表。

4.如权利要求1所述的星空观赏适宜度实时判定方法，其特征在于，获得所述可见星星数量包括如下步骤：

A21）对所述夜天星空图像进行亮度增强：

A22）对亮度增强的夜天星空图像进行二值化处理；

A23）在二值化处理后的图像中通过轮廓检测方法寻找符合星星轮廓的轮廓数量；

A24）找到的轮廓数量记为所述可见星星数量；

其中，所述步骤A21）包括：将所述夜天星空图像以九宫格形式裁切成9等分；获得每等分图像的灰度值g_i，将该等分图像中灰度值大于g_i的像素点的灰度值置为255，将重置灰度值的各等分图像合成新的夜天星空图像；将多张新的夜天星空图像叠加在一起得到亮度增强的夜天星空图像。

5.如权利要求1所述的星空观赏适宜度实时判定方法，其特征在于，获得所述大气视宁度等级包括如下步骤：

B1）对各所述夜天亮星瞬时图像进行亮度增强；

B2）从各亮度增强的夜天亮星瞬时图像中提取出亮星并确定亮星光斑的中心点位置和亮星光斑的直径；

B3）确定亮星光斑的尺寸变化率和位置变化率，包括：基于获得的各亮度增强的夜天亮星瞬时图像中亮星光斑的中心点位置、亮星光斑的直径，通过下式1）、2）分别计算出亮星光斑的位置变化率d、尺寸变化率v：

1）

2）

式1）、2）中：（x _i ，y _i ）为第i个所述夜天亮星瞬时图像中亮星光斑的中心点位置，（x ₀ ，y ₀ ）为第一个所述夜天亮星瞬时图像中亮星光斑的中心点位置，n为所述夜天亮星瞬时图像的个数，i为介于(0,n]的自然数，r _i 为第i个所述夜天亮星瞬时图像中亮星光斑的直径，r ₀ 为第一个所述夜天亮星瞬时图像中亮星光斑的直径；

B4）基于事先确定好的大气视宁度等级与亮星光斑尺寸/位置变化率对照表，根据计算出的尺寸变化率、位置变化率分别获得大气视宁度等级，在获得的两个大气视宁度等级中取最小者作为最终的大气视宁度等级。

6.如权利要求5所述的星空观赏适宜度实时判定方法，其特征在于，确定所述大气视宁度等级与亮星光斑尺寸/位置变化率对照表具体包括：

按照威廉·皮克林给出的大气视宁度等级标准，针对各大气视宁度等级，通过高速摄像机拍摄准备出若干亮星视频；

获得每个大气视宁度等级对应的尺寸变化率区间和位置变化率区间：在暗室中利用高保真显示器依次显示具有此大气视宁度等级的各亮星视频，其中，在显示亮星视频时，对此亮星视频进行拍摄采集，并获得此亮星视频中亮星光斑的尺寸变化率和位置变化率；基于对各亮星视频获得的尺寸变化率和位置变化率，得到此大气视宁度等级对应的尺寸变化率区间和位置变化率区间；

确定出各大气视宁度等级分别与尺寸变化率区间、位置变化率区间的对应关系，得到所述大气视宁度等级与亮星光斑尺寸/位置变化率对照表。

7.如权利要求1所述的星空观赏适宜度实时判定方法，其特征在于，确定所述星空观赏适宜度包括如下步骤：

基于获得的所述夜天背景亮度等级B、所述可见星星数量C和所述大气视宁度等级S，通过下式3）确定出所述星空观赏适宜度D：

3）

式3）中：m为判定因子个数，所述判定因子为所述夜天背景亮度等级B、所述可见星星数量C和所述大气视宁度等级S，j为介于(0,m]的自然数，为第j个所述判定因子的权重系数。

8.一种星空观赏适宜度实时判定系统，其特征在于，包括夜天星空图像采集装置和夜天亮星瞬时图像采集装置，所述夜天星空图像采集装置和所述夜天亮星瞬时图像采集装置与控制装置连接，其中：

所述夜天星空图像采集装置包括鱼眼镜头和星空图像采集用CMOS图像传感器，所述星空图像采集用CMOS图像传感器设置在CMOS芯片盒内，所述CMOS芯片盒顶部安装有所述鱼眼镜头；

所述夜天亮星瞬时图像采集装置包括长焦镜头和亮星瞬时图像采集用CMOS图像传感器，所述亮星瞬时图像采集用CMOS图像传感器设置在CMOS感光芯片盒内，所述CMOS感光芯片盒固定在所述长焦镜头一端，其中，连为一体的所述长焦镜头和所述CMOS感光芯片盒在所述镜头方位控制组件的控制下能够使所述长焦镜头朝向预拍摄的目标亮星。

9.如权利要求8所述的星空观赏适宜度实时判定系统，其特征在于，当观赏地点处于夜天北极星可见地区时，所述镜头方位控制组件包括镜头固定板和镜头固定套，所述镜头固定板竖向设置在基板一侧，所述镜头固定套套接在所述长焦镜头一端上，所述镜头固定套经由定位件能够沿所述镜头固定板上开设的弧形所述方位调节槽移动，所述长焦镜头另一端的所述CMOS感光芯片盒经由转轴可转动地安装于所述镜头固定板上，所述方位调节槽的槽边设有仰角刻度线，所述长焦镜头在所述定位件的带动下能够转动朝向北极星；

当观赏地点处于夜天北极星不可见地区时，所述镜头方位控制组件包括圆柱状底座和镜头固定套件，所述底座内设有水平方位驱动电机，所述底座顶口设置水平方位板，所述水平方位板在所述水平方位驱动电机的驱动下能够在水平面内转动，所述水平方位板上固定有一对L型支撑板，所述镜头固定套件套接在所述长焦镜头一端上，所述镜头固定套件和固定在所述长焦镜头另一端的所述CMOS感光芯片盒的两侧分别固定有转动板，每个所述转动板经由转动轴可转动地安装在相应所述L型支撑板上，安装在其中一个所述L型支撑板上的所述转动板与仰角驱动电机连接，安装有所述镜头固定套件和所述CMOS感光芯片盒的所述长焦镜头处于两个所述L型支撑板之间并在所述仰角驱动电机的驱动下能够在竖直面内转动，所述长焦镜头在所述水平方位驱动电机和所述仰角驱动电机的带动下能够朝向预拍摄的目标亮星。

10.如权利要求8所述的星空观赏适宜度实时判定系统，其特征在于，所述夜天星空图像采集装置还包括遮阳罩组件，所述遮阳罩组件用于遮挡住所述鱼眼镜头，以在白天保护所述星空图像采集用CMOS图像传感器免受所述鱼眼镜头聚焦阳光带来的损坏。