專利名稱：抗天氣干擾圖像采集系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于天氣圖像處理領域，特別涉及一種對受到天氣干擾衰減圖像進行復原的方法。
背景技術：
當今世界，人類視覺已遠遠不能滿足在工業(yè)領域和人類生活中其它領域中的需要。計算機視覺系統(tǒng)的出現(xiàn)彌補了人類視覺的不足，在工業(yè)制造、道路交通管理、實時監(jiān)控等多個領域計算機視覺都得到了廣泛的應用，它在人類的生產(chǎn)和生活中發(fā)揮越來越重要的作用。圖像采集技術作為計算機視覺的一個重要的組成部分也已在各個領域中得到了廣泛的發(fā)展，尤其是在需要對觀測目標進行實時監(jiān)測并需要信息存儲的領域(例如道路交通管理)更加重要。普通的圖像采集系統(tǒng)在對戶外圖像進行采集的過程中，圖像的質量受到天氣條件的干擾非常嚴重。天氣晴朗時采集到的圖像質量很好，可以達到預先設計的標準；但是在霧、霾等惡劣的天氣條件下，圖像的質量嚴重退化，甚至圖像中的目標模糊，難以辨認。這種情況嚴重影響了圖像采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時受到天氣干擾而退化的圖像還會影響到其它系統(tǒng)的正常工作。需要設計一種能夠抗天氣干擾的圖像采集系統(tǒng)，當天氣條件良好時該系統(tǒng)能夠和其它圖像采集系統(tǒng)一樣對戶外目標進行拍攝和圖像采集；當天氣條件惡劣，影響圖像質量時，該系統(tǒng)能夠在一定程度上消除天氣對圖像質量的影響，將受天氣影響的衰減圖像復原為比較清晰的圖像，使得在惡劣的天氣條件下，該圖像采集系統(tǒng)依然能夠保持較好的穩(wěn)定性和可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要針對戶外圖像采集系統(tǒng)中存在的問題，提供一種結構簡單、圖像清晰度高、復原效果好、使用方便、成本低的抗天氣干擾圖像采集系統(tǒng)，在天氣條件受到干擾而導致拍攝到的圖像衰減時能夠對衰減的圖像進行復原，保證采集圖像的質量。
本系統(tǒng)包括攝像機、模數(shù)轉換器、圖像采集器、數(shù)據(jù)接口、計算機、時間權值模塊、參量輸入模塊、濾波模塊、圖像存儲器和圖像顯示器，攝像機將拍攝到的模擬圖像信號送給模數(shù)轉換器，模數(shù)轉換器將模擬圖像轉換為數(shù)字圖像信號經(jīng)通訊接口輸入計算機，時間權值模塊通過時間參量得到時間權值輸送給計算機，參量輸入模塊將參量信息輸送給計算機，計算機將圖像的大氣調(diào)制傳遞函數(shù)信號輸送給濾波模塊，濾波模塊對原始圖像進行濾波處理，得到天氣復原圖像，對復原后的圖像信號送給圖像存儲器和圖像顯示器進行存儲和顯示。
抗天氣干擾圖像采集系統(tǒng)的工作流程，其工作步驟為(1)初始化，對系統(tǒng)進行初始化；(2)采集圖像，使用攝像機對圖像進行采集；(3)圖像預處理，對圖像的平滑和銳化處理，消除圖像噪聲并使圖像邊緣清晰；(4)計算時間權值，通過輸入的時間參量計算時間權值；(5)計算折射率結構常數(shù)，利用時間權值和氣象參量計算折射率結構常數(shù)；(6)計算大氣調(diào)制傳遞函數(shù)MTF，通過計算得出的大氣調(diào)制傳遞函數(shù)的兩個分量湍流調(diào)制傳遞函數(shù)MTFe和氣溶膠調(diào)制傳遞函數(shù)MTFa，然后得出大氣調(diào)制傳遞函數(shù)MTF；(7)圖像濾波，使用大氣調(diào)制傳遞函數(shù)MTF對原始圖像進行濾波；(8)存儲圖像，存儲復原后的圖像；(9)顯示圖像，顯示復原后的圖像。
本發(fā)明具有結構簡單、圖像清晰度高、復原效果好、使用方便、成本低等優(yōu)點，適用于各種戶外圖像采集的環(huán)境。


圖1抗天氣干擾圖像采集系統(tǒng)結構框圖；圖2抗天氣干擾圖像采集系統(tǒng)工作流程圖；
圖中1攝像機、2模數(shù)轉換器、3圖像采集器、4數(shù)據(jù)接口、5計算機、6時間權值模塊、7參量輸入模塊、8濾波模塊、9圖像存儲器、10圖像顯示器。
具體實施例方式
結合實例進一步說明本發(fā)明的結構方案和工作過程。
如圖1所示，抗天氣干擾圖像采集系統(tǒng)，包括攝像機1、模數(shù)轉換器2、圖像采集器3、數(shù)據(jù)接口4、計算機5、時間權值模塊6、參量輸入模塊7、濾波模塊8、圖像存儲器9和圖像顯示器10。攝像機1將拍攝的圖像信號送給模數(shù)轉換器2，模數(shù)轉換器2將模擬圖像轉換為數(shù)字圖像，經(jīng)圖像采集器3采集后通過數(shù)據(jù)接口4輸入計算機5，同時參量輸入模塊7將時間參量、氣象參量和其它參量輸入計算機，時間權值模塊6利用時間參量計算時間權值，通過時間權值和氣象參量可以得到折射率結構常數(shù)輸入計算機。計算機5通過輸入的參量信息分別計算出湍流調(diào)制傳遞函數(shù)MTFe和氣溶膠調(diào)制傳遞函數(shù)MTFa，然后通過這兩個大氣調(diào)制傳遞函數(shù)的分量計算出大氣調(diào)制傳遞函數(shù)MTF輸送給濾波模塊8，濾波模塊8使用大氣調(diào)制傳遞函數(shù)MTF對拍攝的原始圖像進行濾波處理得到天氣復原圖像，最后對復原后的圖像輸送給圖像存儲器9存儲和圖像顯示器10顯示。
如圖2所示，本發(fā)明的系統(tǒng)工作流程是(1)初始化，對整個系統(tǒng)的各個部分進行初始化，包括攝像機參數(shù)的設置，參量輸入模塊的初始化和圖像顯示器的初始化；(2)采集圖像，攝像機拍攝的圖像首先經(jīng)過模數(shù)轉換器處理，將攝像機拍攝的模擬圖像轉變?yōu)閿?shù)字圖像序列，然后通過圖像采集器采集圖像，通過數(shù)據(jù)接口將圖像輸入計算機；(3)圖像預處理，對原始圖像的平滑和銳化，使得圖像噪聲被消除，圖像的邊緣也變得清晰；(4)計算時間權值，時間參量包括日出時間t1、日落時間t2及拍攝時間t。用TH作為相對時間的符號，則相對時間TH是用日落時間t2減去日出時間t1，將結果除以12得到標準相對時間TH1，然后用拍攝時間t減去日出時間t1，再將結果除以標準相對時間TH1，則得到相對時間TH，數(shù)學表達式為TH1＝(t2-t1)/12，TH＝(t-t1)/TH1，通過相對時間TH及相對時間權值表可以查出與拍攝時間對應的時間權值W；(5)計算折射率結構常數(shù)，計算出時間權值后，通過時間權值、溫度、相對濕度、風速和太陽輻射通量計算折射率結構常數(shù)Cn2；Cn2=5.9×10-15W+1.6×10-15T-3.7×10-15RH+6.7×10-17RH2-3.9×10-19RH3]]>-3.7×10-15WS+1.3×10-15WS2-8.2×10-17WS3+2.8×10-14SF-1.8×10-14TCSA+1.4×10-14TCSA2-3.9×10-13其中W為時間權值，T為空氣溫度，RH為相對濕度，WS為風速，SF為太陽輻射通量，TCSA為中間系數(shù)TCSA＝9.69×10-4RH-2.75×10-5RH2+4.86×10-7RH3-4.48×10-9RH4+1.66×10-11RH5-6.26×10-3lnRH-1.34×10-5SF4+7.30×10-3(6)計算大氣調(diào)制傳遞函數(shù)MTF，當給定了一幅退化的或者受噪聲污染的圖像，利用退化現(xiàn)象來重建或恢復原有圖像是圖像復原處理的基本過程，抗天氣干擾圖像采集系統(tǒng)就是利用基于物理模型的方法，去除天氣條件給圖像帶來的影響，使退化的圖像得到恢復。大氣傳輸過程影響成像的質量，是光程越長，影響越顯著。主要是由兩個方面的原因(1)大氣湍流；(2)粒子的散射與吸收，對應這兩方面原因大氣調(diào)制傳遞函數(shù)分為兩個分量，即湍流調(diào)制傳遞函數(shù)MTFe和氣溶膠調(diào)制傳遞函數(shù)MTFa，湍流調(diào)制傳遞函數(shù)MTFe與時間、溫度、相對濕度、光照、風速、太陽照度等因素有關，本系統(tǒng)的拍攝條件適用短曝光時間的情況，得到湍流調(diào)制傳遞函數(shù)MTFe為MTFe=exp{-57.3v5/3Cn2λ-1/3R[1-μ(λvD)1/3]}]]>其中v為角空間頻率，Cn2為折射率結構常數(shù)，R為光程，λ為輻射波長，D為光圈直徑，μ為系數(shù)，近場μ＝1，遠場μ＝0.5。
實際成像的氣溶膠影響可以由測量得到的氣溶膠調(diào)制傳遞函數(shù)MTFa來表示，氣溶膠調(diào)制傳遞函數(shù)MTFa為MTFa=exp[-AaR-SaR(v/vc)2],v≤vc,exp[-(Aa+Sa)R],v>vc,]]>其中Sa，Aa為大氣散射和吸收系數(shù)，vc為角空間截止頻率，為粒子直徑和輻射波長的比值。在角空間頻率v較高時，可認為MTFa為常數(shù)，Aa+Sa為衰減系數(shù)Qe，Qe≈Sa＝3.912/Rm其中Rm為能見距離。由于霾的直徑和波長數(shù)量級比較近，所以對一般大氣條件vc相當小，即v＞vc。這樣通過公式MTF＝MTFe×MTFa可以得到大氣調(diào)制傳遞函數(shù)MTF；(7)圖像濾波，將求得的MTF作為原始圖像一個噪聲，通過維納濾波對圖像進行處理，消除MTF對圖像的影響，得到修復后的圖像；(8)存儲圖像，對復原后的圖像進行存儲；(9)顯示圖像，通過顯示器顯示復原后的圖像。
抗天氣干擾圖像采集系統(tǒng)主要針對戶外圖像的拍攝，對圖像的處理進行了改進，引入了大氣調(diào)制傳遞函數(shù)，對受到天氣干擾衰減的圖像進行了復原，增強了戶外攝像系統(tǒng)的魯棒性，提高了圖像采集系統(tǒng)的工作效率。
權利要求
1.抗天氣干擾圖像采集系統(tǒng)，其特征是，包括攝像機、模數(shù)轉換器、圖像采集器、數(shù)據(jù)接口、計算機、時間權值模塊、參量輸入模塊、濾波模塊、圖像存儲器和圖像顯示器，攝像機將拍攝到的模擬圖像信號送給模數(shù)轉換器，模數(shù)轉換器將模擬圖像轉換為數(shù)字圖像信號經(jīng)通訊接口輸入計算機，時間權值模塊通過時間參量得到時間權值輸送給計算機，參量輸入模塊將參量信息輸送給計算機，計算機將圖像的大氣調(diào)制傳遞函數(shù)信號輸送給濾波模塊，濾波模塊對原始圖像進行濾波處理，得到天氣復原圖像，對復原后的圖像信號送給圖像存儲器和圖像顯示器進行存儲和顯示。
2.抗天氣干擾圖像采集系統(tǒng)的工作流程，其特征是，工作步驟為(1)初始化，對系統(tǒng)進行初始化；(2)采集圖像，使用攝像機對圖像進行采集；(3)圖像預處理，對圖像的平滑和銳化處理，消除圖像噪聲并使圖像邊緣清晰；(4)計算時間權值，通過輸入的時間參量計算時間權值；(5)計算折射率結構常數(shù)，利用時間權值和氣象參量計算折射率結構常數(shù)；(6)計算大氣調(diào)制傳遞函數(shù)MTF，通過計算得出的大氣調(diào)制傳遞函數(shù)的兩個分量湍流調(diào)制傳遞函數(shù)MTFe和氣溶膠調(diào)制傳遞函數(shù)MTFa，然后得出大氣調(diào)制傳遞函數(shù)MTF；(7)圖像濾波，使用大氣調(diào)制傳遞函數(shù)MTF對原始圖像進行濾波；(8)存儲圖像，存儲復原后的圖像；(9)顯示圖像，顯示復原后的圖像。
全文摘要
抗天氣干擾圖像采集系統(tǒng)，拍攝到的圖像信號經(jīng)模數(shù)轉換器轉換為數(shù)字圖像信號，再經(jīng)通訊接口輸入計算機，時間權值模塊通過時間參量得到時間權值和參量輸入模塊將參量信息都輸送給計算機，計算機將圖像的調(diào)制傳遞函數(shù)信號輸送信給濾波模塊，對拍攝的原始圖像進行濾波處理，得到天氣復原圖像，其工作流程為(1)初始化，(2)采集圖像，(3)圖像預處理，(4)計算時間權值，(5)計算折射率結構常數(shù)，(6)計算大氣調(diào)制傳遞函數(shù)(7)圖像濾波，(8)存儲圖像(9)顯示圖像。本發(fā)明具有結構簡單、圖像清晰度高、復原效果好、使用方便、成本低等優(yōu)點，適用于各種戶外圖像采集的環(huán)境。
文檔編號G06T5/00GK1753490SQ20051004757
公開日2006年3月29日 申請日期2005年10月28日 優(yōu)先權日2005年10月28日
發(fā)明者董慧穎, 董濤, 王欣威 申請人:沈陽理工大學