CN1580738A - 能见度测量方法和能见度监测仪 - Google Patents

Abstract

采用数学摄相机和多个靶标，利用数字图象处理技术，模拟人眼特性观测得到靶标的光亮度对比度，从而获得能见度Vr和对比度C之间的函数曲线Vr＝f(c)，实现日间能见度的测量。通过对固定距离物体的上述可分辨参数的测定，可定量推算出雾浓度，及各距离上的能见度。

Description

能见度测量方法和能见度监测仪

技术领域：本发明涉及智能交通领域中视频信息分析设备。同时涉及能见度测量方法和能见度监测仪。

背景技术：气象能见度(visibility)的测量，无论是在国内或国际上，过去主要是利用测量大气的透射比，或散射系数的方法来实现的，其中散射系数的测量又分前向散射测量法和后向散射测量法。这类方法能较好地用因雾造成的能见度变化的测量，但在雨、雪、沙尘天气条件下，测量准确度却大大下降，此外这类测量方法还有如下缺点：

①由于大气散射系数还和波长有关，仪器测量的结果可能与按人眼视觉特性评价的相差较大。按国际气象组织WMO的定义和交通运输中的实际情况，能见度是按人眼视觉特性(看得见和看不见)来确定的。

②再者由于大气环境中气流、雾浓度的不均匀性，散射测量仪器测量取样散射光的空间体积很小，并以此作为几十、几百、几千米范围内大气散射系数来处理，可能就会产生大的误差。

③散射及透射式测量仪器的现场校准定标是件很麻烦的事。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述测量大气的透射比，或散射系数确定能见度的方法，在雨、雪、沙尘天气条件下测量准确度大大下降以及误差大、操作麻烦的缺点，提供一种利用数字图像处理技术的测量误差小、操作方便的能见度测量方法。

本发明的另一目的在于提供一种能见度监测仪。

见图3，能见度的测量方法，其特征在于：利用数码像机在大气环境中检测各种不同的空间频率的靶标的空间分辨率和对比度，通过靶标检测与能见度的相关性规律，从而由实测的靶标参数按照各自条件下的相关性转换为该条件下的能见度；

系统处理流程为：

1)数码摄像单元按照事先设定的时间间隔分别对准各个不同距离上的靶标拍摄照片，对每个靶标分别进行图像采集；

2)图像采集完成后，系统对采集得到的图像进行特征增强和去除信号干扰--即去噪声等数字图像处理工作；

3)系统对经过上述处理后的图像进行靶标特征边界提取和对区域特征进行判别，确保摄像单元没有脱靶，并通过特征数据与系统存储的正常对准后的靶标的特征进行相关分析，由此判别靶标对准情况及偏差角度，系统根据相关分析结果计算云台所需调整的方向、范围等，并对云台发出相应控制指令微调云台，使摄像单元处于对准靶标的最佳位置，并得到处理后的靶标数字图像；

4)如果无法取得有特征图像，则云台自动在其可能的运动范围内进行扫描，同时数码摄像单元连续以较短的时间间隔拍照，并重复上述处理步骤；若扫描周期完成后系统仍判别图像无特征，则表明能见度小于摄像头距最近靶标距离；

5)对由最佳位置拍摄的靶标图像提取特征(测量)区域，计算原始图像中的靶标特征(测量)区域的相关图像参数包括亮度、对比度、空间分辨率；系统对比人眼可见参数表计算得出按标准定义的人眼能见度距离；其中，人眼可见参数表为与具有标准视力1.0的人眼所能分辨的各能见度距离相对应的数字图像参数表；计算方法见本发明原理部分所列的各公式；

6)系统将通过上述步骤得到的能见度值编码，系统可采用移动短信息方式通过GSM网络将测量结果发送给交通监管中心。

见图4，能见度监测仪，其特征在于包括：

多个靶标，每个靶标上有白色区域和黑色区域，用于由漫射的天空光和反射的地面光照明，经视频相机成像后，得出黑、白靶标区域像面的光照度，靶标设置在不同的距离上；

一个摄像头，摄像头与数码摄像模块连接，用于对靶标摄像；

一个数码摄像模块，用于控制摄像头工作，数码摄像模块与嵌入式计算机模块连接；

一个嵌入式计算机模块，其内存储有计算机程序，使摄像头和数码摄像模块以及GSM模块按照计算机程序的指令工作；并且在计算机程序中有按照能见度的计算公式编制的计算程序，用于根据测量结果计算出能见度；

一个显示屏与嵌入式计算机模块和数码摄像模块连接，用于显示嵌入式计算机中数据和图象；

电源与各部分均相连接用于供电；

在云台上安装能见度监测仪，有调整平面转角和俯仰转角的机构，以使能见度监测仪测量时对准靶标。

按世界气象组织(WMO)，日间能见度的正式定义如下：

面对散射的天空背景观察，能够看见和辨认接近地面的适当大小的黑色物体的最大距离。所谓“能够辨认”是指人们观察到的亮度对比度C(contrast)大于约定的阀值对比度0.02，其对比度的计算公式如下：

$C=\frac{L_w-L_b}{L_w}----\left(1\right)$

其中，L_w，L_b分别为观察到的白色目标和黑色目标的光亮度。

关于靶标对比度C的测量公式计算，如图一所示：

靶标由漫射的天空光和反射的地面光照明，经视频相机成像后像面的光照度对黑、白靶标区域分别为E_B和E_W，设天空的平均等效光亮度为L₀，地面反射产生的平均等效光亮度为Lg，若靶标面均为近似的余弦漫反射面，它们的光亮度在近处(x＝0处)分别为L_B0，L_W0，在靶标与相机之间均匀地充满了一定浓度的雾，其消光系数设为σ，则：

式中：ρ_w，ρ_B分别为白、黑靶面的半球光反射比，k₁，k₂，k为比例常数，在经过光程为l后，一方面它的亮度被雾散射和吸收减弱为L_w0e^-σl和L_B0e^-σl，同时另一方面因散射光的加入而增加了αL₀。其中α为一比例系数和浮质(雾)粒子浓度、波长，光程有关，即：

α＝α(σ，λ)                                       (3)

当σ＝0，即无雾时，α＝0；当σ↑，λ↑很大，即雾浓，光程长时，α(σ，λ)→定数(极大值)。故像面上的照度分别为：

式中，D，f，τ分别为相机透镜的有效孔径，焦距和光透射比，上式成立的条件是：λ＞＞f，线性系统，对无大气吸收带的波长范围。对应的曝光量H_w和H_B为：

式中消光系数σ是波长λ，浮质浓度，气压，大气温度的函数，且：

σ＝σ(λ)＝b_m+b_p+k_m+k_p                           (6)

其中：b_m，b_p：分别为分子、浮质粒子的散射系数，

      k_m，k_p：分别为分子、浮质粒子的吸收系数。

通常，大气中浮质散射系数b_p值占σ值的最大部分。通过对中纬度地区，冬季和夏季，标准气候中的晴天和雾天，在海拔0，(0-1)，(1-2)km高度测量数据分析，

值对λ＝0.5154，0.6328，0.86μm分别为(0.95，0.94，0.91)±0.005。在x＝λ时，用相机测得的光亮度对比度C为：

$C=\frac{H_w-H_B}{H_w}=\frac{L_{\mathrm{w\λ}}-L_{\mathrm{B\λ}}}{L_{\mathrm{w\λ}}}=\frac{({\mathrm{\ρ}}_w-{\mathrm{\ρ}}_B)\·e^{-\mathrm{\σ\λ}}}{{\mathrm{\ρ}}_w{e}^{-\mathrm{\σ\λ}}+\mathrm{\α}/k}----\left(7\right)$

式中L_wλ，L_Bλ分别为在x＝λ处观察到的靶标白/黑色表面的光亮度，由(7)可知，测得的对比度只与浮质浓度和光程有关，而和天空平均有效光亮度无关(当然是在一定变化范围内！)，这正是我们所期望的结果。

当无雾时，即σ＝0，α＝0，大气完全透明时，对比度达到最大值，；

$C=C_{\max }=\frac{{\mathrm{\ρ}}_w-{\mathrm{\ρ}}_B}{{\mathrm{\ρ}}_w}----\left(8\right)$

当雾变浓，距离加大时，即σ↑，λ↑时，e^-σλ→0， 则→最大值时，对比度C→0，即再也看不清靶标了。

当浮质浓度一定，即σ一定，加长光程λ，则C下降。当满足条件：

$C=\frac{({\mathrm{\ρ}}_w-{\mathrm{\ρ}}_B)\·e^{-\mathrm{\σ\λ}}}{{\mathrm{\ρ}}_w{e}^{-\mathrm{\σ\λ}}+\mathrm{\α}/k}=0.02----\left(9\right)$

时的距离λ便就等于能见度Vr的值了。

发明的效果：采用数学摄相机和多个靶标，利用数字图象处理技术，模拟人眼特性观测得到靶标的光亮度对比度，从而获得能见度Vr和对比度C之间的函数曲线Vr＝f(c)，实现日间能见度的测量。通过对固定距离物体的上述可分辨参数的测定，可定量推算出雾浓度，及各距离上的能见度。见表1。

附图说明：

图1：本发明能见度测量方法示意图。

图2：本发明能见度测量方法流程处理图。

图3：本发明系统软件部分的处理流程图。

图4：本发明能见度监测仪各部分结构图。

表1：本发明的效果对比。

具体实施方式：

·按照图4，在较直的实施地段，可以在本仪器摄像头前15米，50米，100米，150米，500米距离上分别安装靶标并通过本仪器的摄像头校准即可；在不直的实施地段，可只在本摄像头前15米安装一个靶标并校准即可。

·系统供电：180--240VAC  50±2HZ

             表1  本发明的效果对比表

Claims (2)

1、能见度的测量方法，其特征在于：利用数码摄像机在大气环境中检测各种不同的空间频率的靶标的空间分辨率和对比度，通过靶标检测与能见度的相关性规律，从而由实测的靶标参数按照各自条件下的相关性转换为该条件下的能见度；系统处理流程为：

1)数码摄像单元按照事先设定的时间间隔分别对准各个不同距离上的靶标拍摄照片，对每个靶标分别进行图像采集；

2)图像采集完成后，系统对采集得到的图像进行特征增强和去除信号干扰--即去噪声等数字图像处理工作；

3)系统对经过上述处理后的图像进行靶标特征边界提取和对区域特征进行判别，确保摄像单元没有脱靶，并通过特征数据与系统存储的正常对准后的靶标的特征进行相关分析，由此判别靶标对准情况及偏差角度，系统根据相关分析结果计算云台所需调整的方向、范围等，并对云台发出相应控制指令微调云台，使摄像单元处于对准靶标的最佳位置，并得到处理后的靶标数字图像；

4)如果无法取得有特征图像，则云台自动在其可能的运动范围内进行扫描，同时数码摄像单元连续以较短的时间间隔拍照，并重复上述处理步骤；若扫描周期完成后系统仍判别图像无特征，则表明能见度小于摄像头距最近靶标距离；

5)对由最佳位置拍摄的靶标图像提取特征(测量)区域，计算原始图像中的靶标特征(测量)区域的相关图像参数包括亮度、对比度、空间分辨率；系统对比人眼可见参数表计算得出按标准定义的人眼能见度距离；其中，人眼可见参数表为与具有标准视力1.0的人眼所能分辨的各能见度距离相对应的数字图像参数表；计算方法见本发明原理部分所列的各公式；

6)系统将通过上述步骤得到的能见度值编码，系统可采用移动短信息方式通过GSM网络将测量结果发送给交通监管中心。

2、能见度监测仪，其特征在于包括：

多个靶标，每个靶标上有白色区域和黑色区域，用于由漫射的天空光和反射的地面光照明，经视频相机成像后，得出黑、白靶标区域像面的光照度，靶标设置在不同的距离上；

一个摄像头，摄像头与数码摄像模块连接，用于对靶标摄像；

一个数码摄像模块，用于控制摄像头工作，数码摄像模块与嵌入式计算机模块连接；

一个嵌入式计算机模块，其内存储有计算机程序，使摄像头和数码摄像模块以及GSM模块按照计算机程序的指令工作；并且在计算机程序中有按照能见度的计算公式编制的计算程序，用于根据测量结果计算出能见度；

一个显示屏与嵌入式计算机模块和数码摄像模块连接，用于显示嵌入式计算机中数据和图象以及靶标图象；

电源与各部分均相连接用于供电；在云台上安装能见度监测仪，有调整平面转角和俯仰转角的机构，以使能见度监测仪测量时对准靶标。

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