肖韶榮，周 佳，吳群勇，徐 猛，尚國慶，石劉峰

(1.南京信息工程大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210044)

引言

大氣能見度是反映大氣透明度的指標(biāo)，結(jié)合其他氣象因子能夠?qū)諝馕廴竞吞鞖鉅顩r進(jìn)行評(píng)判，還可以用來了解大氣穩(wěn)定度，判別氣團(tuán)屬性，是保證航空、航海、交通運(yùn)輸安全的一個(gè)重要因素[1]。夜間能見度由于光照條件的限制，相較于白天能見度更難測(cè)量[2]。因此，如何實(shí)時(shí)有效降低夜間能見度測(cè)量不確定度成為一項(xiàng)具有重要意義的課題。

上世紀(jì)中期，Steffens[3]提出用照相法測(cè)量能見度，但受當(dāng)時(shí)條件的限制，并未付諸實(shí)際運(yùn)用。近年來，數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)的廣泛應(yīng)用使其重新獲得國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[4]。1999年，我國謝興生[5]提出了數(shù)字?jǐn)z像能見度儀器系統(tǒng)(digital photography visiometer system ,DPVS)的基本思路：通過計(jì)算機(jī)分析處理數(shù)字?jǐn)z像機(jī)攝取到的目標(biāo)物和背景圖像，自動(dòng)獲取能見度值。該方法克服了人工目測(cè)法客觀性差的缺陷，且與儀器測(cè)量法相比，具有操作簡(jiǎn)單、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[6]。DPVS觀測(cè)白天能見度是測(cè)量2個(gè)不同距離的目標(biāo)物和其對(duì)應(yīng)水平天空背景亮度的差值之比[7]。而夜晚由于光照條件的限制，通常采用目標(biāo)光源作為觀測(cè)對(duì)象，Narasimhan等人[8-9]通過計(jì)算大氣點(diǎn)光源擴(kuò)散函數(shù)，在已知散射粒子類型的前提下推算夜間能見度，但能見度測(cè)量范圍受限。Kwon[10]提出在夜間觀測(cè)中利用不同距離的目標(biāo)物解決圖像信息的丟失，使用近紅外攝像機(jī)和近紅外反射目標(biāo)以提高監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性。Gallen 等人[11]將圖像方法和機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字?jǐn)z像法中監(jiān)測(cè)能見度，但都偏重于理論研究，并未考慮其實(shí)際應(yīng)用性。DPVS觀測(cè)夜間能見度利用雙光源法，通過測(cè)量2個(gè)固有亮度相同的光源經(jīng)過不同長度氣柱衰減之后的視亮度，得到大氣消光系數(shù)并推算出能見度值[12]。此方法探測(cè)夜間能見度的關(guān)鍵是目標(biāo)光源亮度的準(zhǔn)確提取，而CCD攝取圖像時(shí)背景光噪聲會(huì)對(duì)光源亮度造成一定影響,一般雙光源法是利用黑體測(cè)得背景光的貢獻(xiàn)量，而實(shí)際測(cè)量中很難準(zhǔn)確得到黑體亮度。為了抑制背景光的影響，我們對(duì)現(xiàn)有的夜間能見度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，從能見度測(cè)量的基本理論出發(fā)，結(jié)合雙光源法設(shè)計(jì)了一套能見度觀測(cè)系統(tǒng)。

1 測(cè)量原理與方法

1.1 能見度測(cè)量原理

根據(jù)Koschmieder定律[13]，固有亮度為L0的目標(biāo)物經(jīng)過距離d到達(dá)人眼后的視亮度可表示為

L=L0e-βd+LB

(1)

式中：β為消光系數(shù)；LB為背景亮度。Duntley[13]在此理論基礎(chǔ)上總結(jié)出對(duì)比度衰減規(guī)律：

ε=e-βd

(2)

世界氣象組織規(guī)定，將ε取0.02時(shí)識(shí)別明亮背景下黑色物體的距離稱為標(biāo)準(zhǔn)能見度距離V[14]：

(3)

1.2 夜間能見度測(cè)量方法

在夜晚，即使大氣透明度良好，也不一定能看清距離稍遠(yuǎn)處的不發(fā)光物體。因此，夜間能見度一般指以能看到和確定出中等強(qiáng)度燈光的最大水平距離作為能見度值[15]。

1.2.1 一般雙光源法

一般雙光源法測(cè)夜間能見度的系統(tǒng)圖如圖1所示。在距離攝像機(jī)d1、d2處分別放置2組觀測(cè)目標(biāo)，每組目標(biāo)并排設(shè)置一個(gè)目標(biāo)光源和黑體，為了得到大氣對(duì)亮度的衰減作用，排除材質(zhì)、尺寸等因素而導(dǎo)致的2個(gè)光源和2個(gè)黑體的亮度差異，2組目標(biāo)在特征上需保持一致。

圖1 一般雙光源法測(cè)量夜間能見度系統(tǒng)Fig.1 Nighttime visibility measuring system using general double light sources method

設(shè)2個(gè)光源的固有亮度為L0，CCD攝取目標(biāo)物圖像后輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理，測(cè)得2個(gè)目標(biāo)光源的視亮度為L1和L2，黑體亮度為LB1、LB2。可求得能見度為[16]

(4)

一般雙光源法測(cè)量能見度關(guān)鍵是對(duì)目標(biāo)光源和黑體亮度的測(cè)量。由于CCD視場(chǎng)角的原因?qū)е聰z取到得圖片中目標(biāo)光源所占比例較小，干擾物較多，不利于后續(xù)的圖像處理，而且視場(chǎng)角越大，攝像機(jī)攝取到的背景光越多，對(duì)測(cè)量影響越大。背景光對(duì)光源視亮度的貢獻(xiàn)量是通過測(cè)量黑體的亮度得到的，在夜間由于環(huán)境條件黑體亮度很難準(zhǔn)確獲取。此外，測(cè)量過程中難以保證光源的一致性。針對(duì)以上問題，我們?cè)陔p光源的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。

1.2.2 一般雙光源法的改進(jìn)

圖2是改進(jìn)后的測(cè)量系統(tǒng)，主要由CCD工業(yè)相機(jī)、避光筒、目標(biāo)光源、PC機(jī)組成。從圖2可以明顯地看出，加避光筒后CCD相機(jī)的視野范圍減小，降低了背景噪聲對(duì)測(cè)量的影響。

圖2 改進(jìn)后的雙光源法測(cè)量夜間能見度系統(tǒng)示意圖Fig.2 Nighttime visibility measuring system using improved double light sources method

設(shè)2個(gè)光強(qiáng)為I1和I2的目標(biāo)光源，分別距離攝像機(jī)d1與d2處，在鏡頭前水平放置避光筒，限制視場(chǎng)角以抑制背景噪聲。如果光源與攝像機(jī)距離d比光源輻射線長度尺寸大10倍以上時(shí)，可以將光源視為點(diǎn)源[17]，假設(shè)光源在CCD觀測(cè)方向角區(qū)域附近的光強(qiáng)是均勻分布的，由阿拉德定律可知，光源在攝像機(jī)上產(chǎn)生的照度為

(5)

(6)

若L01、L02為光源的固有亮度，L1、L2為攝像機(jī)攝取到的光源圖像的亮度，則有：

(7)

(8)

由(5)式～(8)式可以推出：

(9)

(10)

由(3)式、(9)式、(10)式得到采用此方法計(jì)算夜間能見度的公式：

(11)

設(shè)G為攝取到的光源圖像的灰度值，K為CCD數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)的亮度灰度轉(zhuǎn)換系數(shù)，則光源圖像的亮度值可以表示為L=KG，(11)式可以轉(zhuǎn)換為

(12)

2 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)

為了檢測(cè)系統(tǒng)的觀測(cè)性能，我們于北京時(shí)間2014年2月 9日晚搭建了雙光源法夜間能見度觀測(cè)系統(tǒng)并進(jìn)行了3組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用的是CCD黑白工業(yè)相機(jī)，分辨率為1 360像素×1 024像素，鏡頭為標(biāo)準(zhǔn)變焦鏡頭，能夠在拍攝距離不變的情況下一定幅度調(diào)節(jié)拍攝的成像比例及透視，曝光時(shí)間設(shè)置為10 ms。為抑制背景光噪聲進(jìn)入相機(jī)，同時(shí)2個(gè)光源圖像都盡可能地占滿避光筒視角區(qū)域，通過實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)選取長為2 m、材料不透光的避光筒。目標(biāo)光源為LED背光源，具有色彩還原好、壽命長、低功耗、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)[18]，且光強(qiáng)的穩(wěn)定性易于控制，符合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的要求。CCD攝取LED背光源圖片后，通過12位圖像傳感器輸入到PC機(jī)，使用相機(jī)配套的SpectrumSee圖像分析軟件，實(shí)現(xiàn)圖像自動(dòng)采集、目標(biāo)物及背景位置的搜索定標(biāo)、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能，導(dǎo)出的圖片通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理得到目標(biāo)光源的亮度信息。為了提高結(jié)果的準(zhǔn)確性，2個(gè)LED背光源、相機(jī)和避光筒置于同一水平位置，且在視線方向上盡量保持一致。另外，為避免電源的不穩(wěn)定性對(duì)實(shí)驗(yàn)造成影響，采用同一個(gè)穩(wěn)壓源為LED背光源供電。

實(shí)驗(yàn)在無背景光、有背景光未加避光筒、有背景光加避光筒3種情況下進(jìn)行，拍攝2個(gè)位于不同距離的LED背光源，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行了分析對(duì)比。每組實(shí)驗(yàn)中d1為20 m保持不變，d2分別設(shè)置為20 m、25 m、30 m、35 m、40 m、45 m、50 m、55 m， 其中，在20 m處對(duì)2個(gè)光源進(jìn)行校準(zhǔn)。

需說明的是，實(shí)驗(yàn)在樓道中進(jìn)行，背景光為普通照明光源，在城市周邊設(shè)置的外場(chǎng)觀測(cè)站，常設(shè)置有路燈照明，晚間汽車近程或遠(yuǎn)程大燈的使用也都會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的背景影響。因此，實(shí)驗(yàn)考慮到的樓道照明影響在實(shí)際應(yīng)用中具有通用性。

2.2 圖像處理

CCD 相機(jī)所采集到的圖像中,光源的灰度圖像是由若干個(gè)具有不同灰度值的像素點(diǎn)組成。光源圖像的灰度值是其灰度圖像中對(duì)應(yīng)像素的灰度值的總和，因此如何較為精確地分割出光源目標(biāo)，并從光源圖像中準(zhǔn)確獲取每一個(gè)像素點(diǎn)的灰度值是關(guān)鍵。圖3是提取2個(gè)光源灰度的流程圖。

圖3 目標(biāo)光源灰度提取流程圖Fig.3 Flow chart of extracting gray information of target lights

首先對(duì)所提取圖像進(jìn)行預(yù)處理，主要是對(duì)采集到的光源圖像進(jìn)行灰度變換、圖像濾波處理，以達(dá)到去除背景噪聲和雜散光的影響；然后設(shè)置閾值對(duì)圖像進(jìn)行二值化將目標(biāo)光源從背景中分割出來；其次確定目標(biāo)區(qū)域，并且記錄下組成目標(biāo)區(qū)域的像素點(diǎn)的坐標(biāo)，由此得到原灰度圖像中對(duì)應(yīng)的目標(biāo)區(qū)域的每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值，把灰度值累加就是光源的灰度。

圖像二值化的關(guān)鍵是閾值的選擇與確定，不同的閾值設(shè)定方法對(duì)同一幅圖像會(huì)產(chǎn)生不同處理結(jié)果。本文選擇迭代法求圖像的閾值，它是基于逼近思想的圖像分割算法，步驟如下：

3) 重復(fù)步驟2，直到Gk=Gk+1(k=0，1，2，…)，Gk即為所求閾值。

圖4為2個(gè)光源進(jìn)行8校準(zhǔn)時(shí)拍攝的圖像以及其對(duì)應(yīng)的三維圖。三維圖的縱坐標(biāo)代表的是圖像的灰度值，從圖中可以明顯看出，在有背景光的條件下，加避光筒后能夠較好地抑制背景噪聲。

圖4 3種情況下目標(biāo)光源圖像及其對(duì)應(yīng)的三維圖Fig.4 Origin image and 3D map of LED backlights in three conditions

2.3 結(jié)果分析

將3種情況下攝取到的LED背光源的圖像進(jìn)行處理，分別得到2個(gè)LED背光源的灰度信息，并將結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)。

圖5是在無背景光、有背景光加避光筒和未加避光筒3種情況下測(cè)得的光源1的灰度值。在每種情況下，光源1與相機(jī)距離保持不變，光源1與相機(jī)間距離長度為20 m，光源2則設(shè)置了8個(gè)不同的位置，不同基線下攝取到的圖像中都包含2個(gè)光源的灰度信息，即光源1進(jìn)行了8次測(cè)量。由于光源1位置固定，大氣狀況穩(wěn)定，在無背景光下測(cè)量得到的灰度值基本保持不變，若以無背景光下測(cè)量得到的數(shù)據(jù)作為參考值，在有背景光的條件下，未加避光筒時(shí)由于背景噪聲的影響導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)與參考值相比偏大，而加避光筒后噪聲得到有效抑制，測(cè)量值與參考值更為接近。圖6是3種情況下測(cè)得的光源2的灰度，橫坐標(biāo)代表的是光源2與相機(jī)之間的距離，從圖中可以看出，3條曲線變化趨勢(shì)基本一致，都呈指數(shù)衰減，符合大氣衰減規(guī)律。

圖5 3種情況下光源1的灰度Fig.5 Gray scale of light 1 measured in three conditions

圖6 3種情況下光源2的灰度Fig.6 Gray scale of light 2 measured in three conditions

為了衡量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差大小，將有背景光下2種情況測(cè)得的光源2的灰度值與無背景光下的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如圖7所示?？v坐標(biāo)代表的是有背景光時(shí)，有避光筒和無避光筒測(cè)得的光源2的灰度分別與無背景光下測(cè)量數(shù)據(jù)之間的相對(duì)偏差，從圖中可以看出，隨著d2的增加，2條曲線呈逐步上升的趨勢(shì)，這是因?yàn)樵谟斜尘肮獾那闆r下，相機(jī)對(duì)光源所張立體角隨著距離的增加而變小，視域范圍內(nèi)攝取到的光源亮度相較于背景光減少，導(dǎo)致測(cè)量值與無背景光下的測(cè)量結(jié)果之間的偏差也隨之變大，加避光筒后，限制了CCD視場(chǎng)角，從而減少了背景光的攝入量，使得曲線增長緩慢，但仍保持上升趨勢(shì)，可以考慮在不同基線下設(shè)置不同的避光筒口徑，以使得在固定基線的情況下，增大2個(gè)光源的圖像在避光筒視域范圍內(nèi)的比例。

圖7 與無背景光下光源2灰度的相對(duì)偏差Fig.7 Relative errors compared with gray scale of light 2 in dark background

圖8給出了3種情況下測(cè)得的能見度值對(duì)比曲線，算出無背景光下測(cè)得的能見度平均值為4 449.24 m，標(biāo)準(zhǔn)差是13.03，可見能見度測(cè)量值波動(dòng)較?。晃醇颖芄馔矔r(shí)測(cè)得的能見度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別是5 488.17 m和58.49,與無背景光下的能見度平均值相比偏大，而且由于背景噪聲的隨機(jī)性導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)很不穩(wěn)定；加避光筒后，與無背景光下的能見度曲線無論變化趨勢(shì)還是觀測(cè)數(shù)據(jù)都比較接近，有背景光加避光筒時(shí)，計(jì)算得到能見度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別是4 754.34 m和20.54，測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于未加避光筒的情況。

圖8 3種情況下測(cè)得的能見度Fig.8 Results of visibility calculated in three conditions

為了進(jìn)一步了解有無避光筒時(shí)與無背景光的觀測(cè)差異，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作了具體的統(tǒng)計(jì)分析。以無背景光下能見度值作為標(biāo)準(zhǔn)值，分別計(jì)算未加避光筒和加避光筒與標(biāo)準(zhǔn)值之間的相關(guān)系數(shù)和均方根相對(duì)偏差，結(jié)果如表1所示。

表1 與無背景光下測(cè)量結(jié)果比較Table 1 Comparison of measurement results in dark background

計(jì)算得到無背景光與有避光筒時(shí)測(cè)得的能見度的相關(guān)系數(shù)和均方根相對(duì)偏差為0.911 3和6.87%,而與未加避光筒的相關(guān)系數(shù)和均方根相對(duì)偏差為0.322 7和23.38%。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:加避光筒能夠有效抑制背景光噪聲對(duì)光源視亮度的影響，減小了背景光噪聲對(duì)數(shù)字?jǐn)z像法夜間能見度測(cè)量的不確定度，提高了測(cè)量精度；2個(gè)目標(biāo)光源的一致性也通過校準(zhǔn)得到解決；與一般雙光源法相比，消除了對(duì)黑體亮度的測(cè)量，使得測(cè)量更加簡(jiǎn)單可行；實(shí)驗(yàn)表明不同基線下測(cè)得的能見度值相差不大，因此可以在保證能見度不確定度的前提下，適當(dāng)?shù)販p小基線長度。

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