TWI662509B - 雨滴譜偵測系統及其粒子追蹤流程 - Google Patents

Abstract

本發明是一種雨滴譜偵測系統及其粒子追蹤流程，可包含照明模組、攝錄模組以及影像處理模組。照明模組可對雨滴觀測空間發出面型光源。攝錄模組可攝錄被複數個雨滴所遮蔽之面型光源所產生之複數個影像。影像處理模組可接收複數個影像，並依據多項函數式運算連續之複數個影像中之複數個雨滴圖像之座標及路徑軌跡，並再依據匹配運算公式對連續之複數個影像中之複數個雨滴圖像執行匹配運算，運算產生複數個雨滴之雨滴特徵，以匹配連續之複數個影像中之複數個雨滴圖像。

Description

雨滴譜偵測系統及其粒子追蹤流程

本發明是有關於一種雨滴譜偵測系統及其粒子追蹤流程，特別是一種可以影像分析技術對雨滴粒子進行分析之一種雨滴譜偵測系統及其粒子追蹤流程。

目前雖已有雨量偵測的相關研究，且已具有可自動偵測累積降雨水位的雨量計的相關技術，此外，亦有透過仿照氣象雷達波測量概念，利用遭遇到空氣中濕氣、降雨等介質改變的特性，偵測回波之衰減訊號強度，作為判定區域性雨量分布，例如利用微波都普勒原理，偵測雨滴等相關技術，然而由於先前之技術多缺少雨滴譜特性，因此，並無法延伸至更廣泛的氣象型態分析等研究應用上，因此，需要一種雨滴譜偵測系統及其粒子追蹤流程以改善上述習知問題。

基於上述目的，本發明係提供一種雨滴譜偵測系統，其包含照明模組、攝錄模組以及影像處理模組。照明模組可對雨滴觀測空間發出面型光源，且複數個雨滴可滴落於雨滴觀測空間內，並遮蔽部分面型光源。攝錄模組可攝錄被複數個雨滴所遮蔽之面型光源所產生之複數個影像，且各複數個影像 可包含複數個雨滴圖像。影像處理模組可接收複數個影像，並依據多項函數式運算連續之複數個影像中之複數個雨滴圖像之座標及路徑軌跡，並再依據匹配運算公式：C _ij =a●A _ij +m●M _ij +t●T _ij 對連續之複數個影像中之複數個雨滴圖像執行匹配運算，運算產生複數個雨滴之雨滴特徵，以匹配連續之複數個影像中之複數個雨滴圖像，且雨滴特徵可包含複數個雨滴之面積、型態輪廓及接受面型光源後之影像強度分佈特徵，且 C _ij 可表示雨滴特徵， A _ij 、 M _ij 及 T _ij 分別可表示複數個雨滴之面積、型態輪廓及接受面型光源後之影像強度分佈特徵，而a、m及t分別可為對應之權重。

較佳地，影像處理模組可將複數個影像中之複數個雨滴圖像保留，並以橢圓擬合方式將複數個雨滴圖像轉換為橢圓座標數值、長短軸數值及傾斜角數值後，以文字格式儲存橢圓座標數值、長短軸數值及傾斜角數值。

較佳地，本發明之雨滴譜偵測系統可更包含遮罩組件及風扇裝置，遮罩組件可罩設於照明模組、攝錄模組以及影像處理模組上，抵抗複數個雨滴，且風扇裝置可設置於攝錄模組上，避免複數個雨滴淋濕影像處理模組之鏡頭。

較佳地，攝錄模組可包含長景深鏡頭。

較佳地，攝錄模組可包含高速攝影裝置。

較佳地，照明模可包含擴散片，照明模組係產生光源，光源可通過擴散片後，產生面型光源。

較佳地，照明模組可包含偏振片、濾波片或反射鏡。

基於上述目的，本發明再提供一種雨滴粒子追蹤流程，其包含下列方法步驟：

A.藉由照明模組對雨滴觀測空間發出面型光源，且複數個雨滴可滴落於雨滴觀測空間內，並遮蔽部分面型光源。

B.藉由攝錄模組攝錄被複數個雨滴所遮蔽之面型光源所產生之複數個影像，且各複數個影像可包含複數個雨滴圖像。

C.藉由影像處理模組，接收複數個影像，並依據多項函數式運算連續之複數個影像中之複數個雨滴圖像之座標及路徑軌跡。

D.藉由影像處理模組依據匹配運算公式：C _ij =a●A _ij +m●M _ij +t●T _ij 對連續之複數個影像中之複數個雨滴圖像執行匹配運算，運算產生複數個雨滴圖像之雨滴特徵，以匹配連續之複數個影像中之複數個雨滴圖像，且雨滴特徵可包含複數個雨滴圖像之面積、型態輪廓及接受面型光源後之影像強度分佈特徵，且 C _ij 可表示雨滴特徵 A _ij 、 M _ij 及 T _ij 分別可表示複數個雨滴之面積、型態輪廓及接受面型光源後之影像強度分佈特徵，而a、m及t分別可為對應之權重。

較佳地，影像處理模組可將複數個影像中之複數個雨滴圖像保留，並以橢圓擬合方式將複數個雨滴圖像轉換為橢圓座標數值、長短軸數值及傾斜角數值後，以文字格式儲存橢圓座標數值、長短軸數值及傾斜角數值。

較佳地，影像處理模組更包含於一時間內，計算複數個影像中之複數個雨滴之雨滴掉落速度、雨滴等效體積、降雨機率密度及降雨量。

10‧‧‧雨滴譜偵測系統

20‧‧‧雨滴

100‧‧‧照明模組

101‧‧‧擴散片

102‧‧‧光學元件

103‧‧‧雨滴觀測空間

104‧‧‧面型光源

200‧‧‧攝錄模組

201‧‧‧長景深鏡頭

202‧‧‧高速攝影裝置

203‧‧‧影像

204‧‧‧雨滴圖像

300‧‧‧影像處理模組

400‧‧‧遮罩組件

500‧‧‧風扇裝置

S101-S104、S201-S209、S301-S310‧‧‧步驟

第1圖係為根據本發明之實施例之雨滴譜偵測系統之配置示意圖。

第2圖係為根據本發明之實施例之雨滴譜偵測系統之系統示意圖。

第3圖係為根據本發明之實施例之雨滴譜偵測系統及其粒子追蹤流程之影像示意圖。

第4圖係為根據本發明之實施例之雨滴譜偵測系統及其粒子追蹤流程之雨滴掉落速度對雨滴等效體積曲線示意圖。

第5圖係為根據本發明之實施例之雨滴譜偵測系統及其粒子追蹤流程之降雨機率密度對雨滴等效體積曲線示意圖。

第6圖係為根據本發明之實施例之雨滴粒子追蹤流程之方法流程圖。

第7圖係為根據本發明之實施例之雨滴粒子追蹤流程之第一影像處理流程示意圖。

第8圖係為根據本發明之實施例之雨滴粒子追蹤流程之第二影像處理流程示意圖。

為利貴審查員瞭解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍，合先敘明。

以下將參照相關圖式，說明依本發明之雨滴譜偵測系統及其粒子追蹤流程之實施例，為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。

請一併參閱第1圖至第5圖，其分別係為根據本發明之實施例之雨滴譜偵測系統及其粒子追蹤流程之配置示意圖及系統示意圖，以及根據本發明之實施例之雨滴譜偵測系統及其粒子追蹤流程之影像示意圖、雨滴掉落速度對 雨滴等效體積曲線示意圖以及降雨機率密度對雨滴等效體積曲線示意圖。本發明之雨滴譜偵測系統，可包含照明模組100、攝錄模組200以及影像處理模組300。

照明模組100可對雨滴觀測空間103發出面型光源104，且複數個雨滴20可滴落於雨滴觀測空間103內，並遮蔽部分面型光源104，而在一實施例中，照明模組100可包含擴散片101，照明模組100可產生光源，光源通過擴散片101後，可產生面型光源104，因此本發明之面型光源104為均勻之面型光源104，使得照明平均，可更有利於雨滴20的照明，以進行攝錄。

另外，在另一實施例中，照明模組100亦可更包含光學元件102，而光學元件102可包含偏振片、濾波片或反射鏡，以增強雨滴20之邊界與雨滴觀測空間103之背景的對比性，且亦可增加雨滴20折射面型光源104之強度，以利進行攝錄。

攝錄模組200可攝錄被複數個雨滴20所遮蔽之面型光源104所產生之複數個影像203，且各複數個影像203可包含複數個雨滴圖像204，且在一實施例中，攝錄模組200可包含長景深鏡頭201，以對雨滴20進行攝錄，並取得清晰之雨滴圖像204，而在另一實施例中，攝錄模組200可包含高速攝影裝置202，且可至少連續觀測雨滴20落速大於每秒15公尺之雨滴20，以完整記錄降雨資訊。

影像處理模組300可接收複數個影像203，並可依據多項函數式運算連續之影像203中之雨滴圖像204之座標及路徑軌跡，舉例而言，可利用成本函數：，且1 i n ₁,1 j n ₂運算連續之影像203中之 雨滴圖像204之座標及路徑軌跡，而為雨滴圖像204之路徑軌跡，及及分別係為第k及k+1個影像203中第i個及第j個之雨滴圖像204之座標。

其後，可再依據匹配運算公式：C _ij =a●A _ij +m●M _ij +t●T _ij 對連續之影像203中之雨滴圖像204執行匹配運算，運算產生雨滴20之雨滴特徵，以匹配連續之影像203中之雨滴圖像204，且雨滴特徵可包含複數個雨滴20之面積、型態輪廓及接受面型光源104後之影像強度分佈特徵，而 C _ij 係表示雨滴特徵、 A _ij 、 M _ij 及 T _ij 分別係表示雨滴20之面積、型態輪廓及接受面型光源104後之影像強度分佈特徵，a、m及t分別係為對應之權重。

進一步說明，在一實施例中，影像處理模組300可將複數個影像203中之複數個雨滴圖像204保留，並以橢圓擬合方式將複數個雨滴圖像204轉換為橢圓座標數值、長短軸數值及傾斜角數值後，以文字格式儲存橢圓座標數值、長短軸數值及傾斜角數值，以減少影像處理模組300之儲存記憶的負擔，進一步說明，本發明係對每一雨滴20進行面積大小檢測，若是任一張影像203中未有存在雨滴20時，便會刪除此影像203以減少圖檔儲存空間，而再透過將橢圓座標數值、長短軸數值及傾斜角數值以文字格式儲存後，可更進一步地大幅減少儲存記憶空間負擔。

另外，在一實施例中，本發明可更包含遮罩組件400及風扇裝置500，遮罩組件400可罩設於照明模組100、攝錄模組200以及影像處理模組300上，以抵抗複數個雨滴20，而風扇裝置500可設置於攝錄模組200上，避免雨滴20淋濕影像處理模組300之鏡頭，例如風扇裝置500可製造空氣門，以避免影像處理模組300之鏡頭被淋濕。

而在另一實施例中，本發明亦可也增加其他大氣感測元件，例如風速風力計、溫溼度計等，且亦可透過無線網路連接，進行自動化控制，以及進行離線資料傳輸，而任何未描述之其他元件或是不應據以限制本發明。

現請參閱第6圖至第8圖，並一併參閱第1圖至第5圖，第6圖至第8圖分別係為根據本發明之實施例之雨滴譜偵測系統及其粒子追蹤流程之方法流程圖、第一影像處理流程示意圖以及第二影像處理流程示意圖。

本發明之雨滴粒子追蹤流程，可包含下列步驟： S101：藉由照明模組100對雨滴觀測空間103發出面型光源104，而此時雨滴20可滴落於雨滴觀測空間103內，並遮蔽部分面型光源104。

S102：藉由攝錄模組200攝錄被雨滴20所遮蔽之面型光源104所產生之複數個影像203，且各影像203可包含複數個雨滴圖像204。

S103：藉由影像處理模組300，接收複數個影像203，並可依據多項函數式運算連續之影像203中之雨滴圖像204之座標及路徑軌跡，舉例而言，可利用成本函數：，且1 i n ₁,1 j n ₂運算連續之複數個影像203中之雨滴圖像204之座標及路徑軌跡，且為雨滴20之路徑軌跡，及分別為第k及k+1個影像203中第i個及第j個之雨滴20之座標，n ₁及n ₂分別為任意正整數。

S104：藉由影像處理模組300依據匹配運算公式：C _ij =a●A _ij +m●M _ij +t●T _ij 對連續之影像203中之雨滴圖像204執行匹配運算，運算產生雨滴圖像204之雨滴特徵，以匹配連續之影像203中之雨滴圖 像204，且雨滴特徵可包含複數個雨滴圖像204之面積、型態輪廓及接受面型光源104後之影像強度分佈特徵，且 C _ij 可表示雨滴特徵 A _ij 、 M _ij 及 T _ij 分別可表示雨滴20之面積、型態輪廓及接受面型光源104後之影像強度分佈特徵，而a、m及t分別可為對應之權重。

進一步說明，影像處理模組300可將複數個影像203中之複數個雨滴圖像204保留，並以橢圓擬合方式將複數個雨滴圖像204轉換為橢圓座標數值、長短軸數值及傾斜角數值後，以文字格式儲存橢圓座標數值、長短軸數值及傾斜角數值，因此可更進一步地大幅減少儲存記憶空間負擔。

而在一實施例中，影像處理模組300更包含於一時間內，計算複數個影像203中之複數個雨滴20之雨滴掉落速度、雨滴等效體積、降雨機率密度及降雨量。

雨滴20之掉落速度可為： 落速度，而可為雨滴20之路徑軌跡，可由上述之成本函數得出，△t可為此段時間，因此可據此計算出雨滴20之掉落速度。

而雨滴20等效體積直徑可為：， D _eq 可 為雨滴20等效體積，V為雨滴20之體積。

得出了雨滴20之等效體積直徑後，可再進一步得出降雨機 率密度，降雨機率密度可為：， N _T 為所有雨滴20之密 度， A _s dD _eq 則為雨滴觀測空間103內所累積的雨滴20之粒子數量， A _s 為雨滴觀測空間103之面積， dD _eq 為選取的雨滴20之直徑間距。

因此，在得出降雨機率密度後，可更進一步的得出降雨量， 降雨量可為：，R為降雨量，可計算某一段 等效粒徑範圍內的機率密度N(D _eq )，以及與其對應之等效體積累加之雨量，因此，本發明可將連續兩影像203疊加，並經由上述分析程序及系統，偵測雨滴20之粒子輪廓，接著找出雨滴20之匹配路徑，以計算出雨滴20之落速、等效體積、降雨機率密度及降雨量等參數，作為估測降雨情形變化。

而在一實施例中，可嘗試於連續之影像203中，例如第k及k+1幀中尋找各雨滴圖像204之型態輪廓與影像紋理特徵，以對連續之影像203中各之雨滴圖像204之特徵進行匹配驗證，並且可透過雨滴圖像204計算雨滴20之粒子面積及粒子掉落軌跡路徑加以驗證。

而為了對雨滴20進行精確的估算，本發明可對影像203以第7圖之步驟進行處理，步驟S201至步驟S209中，可對影像203先進行處理，舉例而言，可先自影像處理模組300之影像資料庫中確認複數個影像203之數目是否已達到500張，若為否則可繼續累積影像203之數目，而若為是時，則可運算影像203之背景，並依據運算的結果移除影像203之背景，且亦可以中值濾波器(Median Filter)對影像203執行中值濾波，將影像203中之雜訊濾除，之後，可再利用任意二值化閾值(Two-layerThresholding)分割之方式以運算偵測雨滴圖像204。

於步驟S201至步驟S209運算偵測雨滴圖像204後，可再經由步驟S301-S310對雨滴圖像204進行運算處理，舉例而言，當偵測到雨滴圖像204後，可定位每一幀影像203中之雨滴圖像204，定位後可提取第k及第k+1幀影像203並對其運算判斷面積差、距離差及扁率差，並再依據成本函數對雨滴圖像204進行運算，再以匹配運算公式對第k及第k+1幀影像203中之雨滴圖像204進行驗證，以完成對雨滴20的追跡。

除此之外，本發明並非僅限於使用成本函數，任一一多項函數式皆可包含於內，舉例而言，亦可以使用多項式進行比較，或是以類神經網路等方式，進行相同的計算，因此本發明不僅限於使用成本函數的比較方式，只要可將雨滴20粒子特徵整合為一運算式，並進行連續影像203間的比較皆應包含在於本發明內。

且更進一步，在一實施例中，於運算時可再加入其他限制條件，像是匹配之雨滴圖像204面積不可差異過大，再者依據雨滴圖像204面積能推算出對應的掉落速度及移動距離，以及雨滴圖像204於第k及第k+1幀影像203之間的連續移動軌跡，也必須能於第k+1及第k+2幀影像203之直線軌跡變化量。另外，亦可將複數個連續之影像203之間進行比較，舉例而言，除了可比較於第k及第k+1幀之影像203外，亦可以再加入第k+1和k+2幀影像203進行比較，因此本發明並非僅限於連續兩幀影像203進行比較，可依運算及影像處理方式進行調整。

因此藉由在每一週期內取得影像203可實施此步驟，可得到各擷取時段下雨滴20之位置，並可據此計算其連續變化，以推測出雨滴20 之相關參數，雨滴粒徑、掉落速度、傾斜角(canting angle)、深寬比(aspect ratio)等，用以了解當時大氣降雨型態系統。

因此，本發明可了解雨滴20之粒徑分佈，可以提供區域性雨滴譜的變化，能對局部地區特定型態的天氣系統發展能有更佳的瞭解，且在一實施例中，本發明亦可再搭配雷達回波圖研判天氣系統，此時除了將會具有更佳地空間位置降雨資訊外，還可有更準確地時間變化訊息，且在整合影像擷取及影像處理技術的情況下，將可有效分析雨滴譜等特徵，可應用於各種地理水文環境下的水滴偵測，並探討如何整合降水估測資訊，有助於為即時防災，且亦可結合警示通報網路，讓相關單位能夠及早應變。

因此綜上所述，本發明可解決雨滴粒子影像偵測、雨滴粒子的追蹤辨識問題，且當累積一段時間後即可提供有效的降雨分析資訊，使得管理氣象單位、災防單位，甚至是交通管理和農業等相關單位易於收集到各地區的降雨資訊，做出即時的預報和正確的決策判斷。

以上該僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

Claims (9)

1. 一種雨滴譜偵測系統，係包含：一照明模組，係對一雨滴觀測空間發出一面型光源，且複數個雨滴係滴落於該雨滴觀測空間內，並遮蔽部分該面型光源；一攝錄模組，係攝錄被該複數個雨滴所遮蔽之該面型光源所產生之複數個影像，且各該複數個影像係包含複數個雨滴圖像；一影像處理模組，係接收該複數個影像，並依據一多項函數式運算連續之該複數個影像中之該複數個雨滴圖像之一座標及一路徑軌跡，再依據一匹配運算公式：C _ij =a●A _ij +m●M _ij +t●T _ij 對連續之該複數個影像中之該複數個雨滴圖像執行一匹配運算，運算產生該複數個雨滴之雨滴特徵，以匹配連續之該複數個影像中之該複數個雨滴圖像，且該雨滴特徵係包含該複數個雨滴之一面積、一型態輪廓及接受該面型光源後之一影像強度分佈特徵，一遮罩組件，係罩設於該照明模組、該攝錄模組以及該影像處理模組上，抵抗該複數個雨滴；以及一風扇裝置，係設置於該攝錄模組上，避免該複數個雨滴淋濕該影像處理模組之一鏡頭；其中， C _ij 係表示該雨滴特徵， A _ij 、 M _ij 及 T _ij 分別係表示該複數個雨滴圖像之該面積、該型態輪廓及接受該面型光源後之該影像強度分佈特徵，而a、m及t分別係為對應之權重。
2. 如申請專利範圍第1項所述之雨滴譜偵測系統，其中該影像處理模組係將該複數個影像中之該複數個雨滴圖像保留，並以一橢圓擬合方式將該複數個雨滴圖像轉換為一橢圓座標數值、一長短軸數值及一傾斜角數值後，以文字格式儲存該橢圓座標數值、該長短軸數值及該傾斜角數值。
3. 如申請專利範圍第1項所述之雨滴譜偵測系統，其中該影像處理模組於一時間內，計算該複數個影像中之該複數個雨滴之一雨滴掉落速度、一雨滴等效體積、一降雨機率密度及一降雨量。
4. 如申請專利範圍第1項所述之雨滴譜偵測系統，其中該攝錄模組係包含一長景深鏡頭或一高速攝影裝置。
5. 如申請專利範圍第1項所述之雨滴譜偵測系統，其中該照明模組係包含一擴散片，該照明模組係產生一光源，該光源通過該擴散片後，係產生該面型光源。
6. 如申請專利範圍第1項所述之雨滴譜偵測系統，其中該照明模組係包含一偏振片、一濾波片或一反射鏡。
7. 一種雨滴粒子追蹤流程，係包含：A.藉由一照明模組對一雨滴觀測空間發出一面型光源，且複數個雨滴係滴落於該雨滴觀測空間內，並遮蔽部分該面型光源；B.藉由一攝錄模組攝錄被該複數個雨滴所遮蔽之該面型光源所產生之複數個影像，且各該複數個影像係包含複數個雨滴圖像； C.藉由一影像處理模組，接收該複數個影像，並依據一多項函數式運算連續之該複數個影像中之該複數個雨滴圖像之一座標及一路徑軌跡；D.藉由該影像處理模組依據一匹配運算公式：C _ij =a●A _ij +m●M _ij +t●T _ij 對連續之該複數個影像中之該複數個雨滴圖像執行一匹配運算，運算產生該複數個雨滴圖像之一雨滴特徵，以匹配連續之該複數個影像中之該複數個雨滴圖像，且該雨滴特徵係包含該複數個雨滴圖像之一面積、一型態輪廓及接受該面型光源後之一影像強度分佈特徵，且 C _ij 係表示該雨滴特徵， A _ij 、 M _ij 及 T _ij 分別係表示該複數個雨滴之該面積、該型態輪廓及接受該面型光源後之該影像強度分佈特徵，而a、m及t分別係為對應之權重；E.設置一遮罩組件來罩設該照明模組、該攝錄模組以及該影像處理模組上，以抵抗該複數個雨滴；以及F.設置一風扇裝置於該攝錄模組上，避免該複數個雨滴淋濕該影像處理模組之一鏡頭。
8. 如申請專利範圍第7項所述之雨滴粒子追蹤流程，其中該影像處理模組係將該複數個影像中之該複數個雨滴圖像保留，並以一橢圓擬合方式將該複數個雨滴圖像轉換為一橢圓座標數值、一長短軸數值及一傾斜角數值後，以文字格式儲存該橢圓座標數值、該長短軸數值及該傾斜角數值。
9. 如申請專利範圍第7項所述之雨滴粒子追蹤流程，其中該影像處理模組更包含於一時間內，計算該複數個影像中之該 複數個雨滴之一雨滴掉落速度、一雨滴等效體積、一降雨機率密度及一降雨量。