专利名称：一种自动检测结霜的方法
技术领域：
本发明属图像处理和气象观测交叉技术领域，具体涉及一种基于图像处理的自动 检测结霜的方法。
背景技术：
霜的观测是地面气象观测的一项重要内容。在《地面气象观测规范》(标准编号 QX/T 46-2007)中，对结霜这一现象的定义是霜是水汽在地面和近地面物体上凝华而成 的白色松脆的冰晶；或由露冻结而成的冰珠。结霜需要在一定的风速、湿度、温度条件下才能形成。风速过大，不利于水蒸气的 聚集凝华；温度过高，湿度过大将会先形成大量的露，而露的凝结过程必将伴随着凝结潜热 的释放，将部分补偿了因辐射而损失的热量，不利于霜的形成。霜一般容易在晴朗小风且寒 冷的夜间生成。由于霜形成的天气条件比较复杂，所以目前霜的观测和记录主要通过有经验的观 测员人工完成。因此结霜的自动检测对提高检测准确率，减少观测员工作量具有重要意义。所谓拟合是指已知某函数的若干离散函数值，通过调整该函数中若干待定参数， 使得该函数与已知点集的差别(最小二乘意义)最小。当拟合的函数形式是非线性函数时， 就叫做非线性拟合。列文伯格-马夸尔特非线性拟合算法是本领域常见的一种求解函数 iK^i^C^^k-iMjl ^iiij ￠: ^ TheLevenberg-Marquardt algorithm implementation and theory (J. More, Numerical analysis, Vol. 630 (1978), pp. 105-116)中有详细的介绍。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自动检测结霜出现的方法，基于户外载玻片图像序 列，采用图像处理方法对图像序列进行处理来实现自动检测结霜。该方法能准确地检测到 结霜的时间，并且操作简便，工作效率高。户外载玻片图像包含1个或多个载玻片，载玻片放置在户外离地面较近的地方。 对这固定在户外的载玻片间隔固定的时间连续拍摄就得到了户外载玻片图像序列。结霜现象发生的时候，载玻片表面会发生突变，本发明通过标记载玻片在图像中 的位置、计算相关序列函数、非线性拟合、相对亮度变化的判断来这些步骤来实现结霜的自 动检测。具体方案如下一种自动检测结霜的方法，利用对设置在户外的多个载玻片的图像序列Ii的处 理，检测出是否结霜及结霜的时刻，其中，所述图像序列Ii由每隔固定时间采集的载玻片图 像所组成，所述载玻片呈四边形，i是正整数，表示图像帧数序号，该方法具体步骤如下(1)对于所述图像序列Ii中的第1帧图像I1,标记I1中载玻片的上底边和 下底边，其中上底边的线段标记为〈{(χ^,^ν,Μχ^,、』}，下底边的线段标记为 ht{(xbt^ybtMxbt^ybta))，m表示上底边，b表示下底边，k = 1,2, L, M，M为载玻片个数，(^ymk,il( 4,2, J^2)分别为上底边两端点，0^，>^)，，2，>u)分别为下底边两端点；(2)当采集的图像序列超过N帧的时候，开始计算任意第t帧图像对应的序列相 关函数《(Δ )的值，获得对应的M组N个数据点《(Δ )，N为正整数，N彡10，t彡Ν+1，所述序列相关函数g;(M)定义为
权利要求
1. 一种自动检测结霜的方法，利用对设置在户外的多个载玻片的图像序列Ii的处理， 检测出是否结霜及结霜的时刻，其中，所述图像序列Ii由每隔固定时间采集的载玻片图像 所组成，所述载玻片呈四边形，i是正整数，表示图像帧数序号，该方法具体步骤如下(1)对于所述图像序列Ii中的第1帧图像I1，标记I1中载玻片的上底边和下 底边，其中上底边的线段标记为k，下底边的线段标记为 ht{(xbt^ybtMxbt^ybta))，m表示上底边，b表示下底边，k = 1,2, L, M，M为载玻片个数， (^ymiA( 4,2,J^2)分别为上底边两端点，0^，·)^)，，2，>u)分别为下底边两端点；(2)当采集的图像序列超过N帧的时候，开始计算任意第t帧图像对应的序列相关函数 gf(Ai)的值，获得对应的M组N个数据点《(Δ )，Ν为正整数，N》10，t >Ν+1，所述序列 相关函数^(Δ )定义为S(Ak) Σ UhM^Qj)- Σ 1^J) Σ HDg;m=·lm) Σ [伙“)]2(ijl^kΣ 1^j)(Uj)^AkS(A) Σ [A Ai(U)]2(Uj)^AkΣ 1^Atihj)(Uj)^Ak其中，At= {l，2，L，N}，It(i，j)表示第t帧图像中第j行第i列的灰度值，S(Ak)是 载玻片所在的四边形区域Ak的面积；(3)对M组的每一组N个数据点《(Δ )分别进行拟合，得到的任意第k组数据点《(Δ )的拟合参数记为bkt, Ckt, i/f，拟合后的数据点^iCAi)通过下式计算得到 gkt (At) = akt arctan⑷Δ + cf) + dkt(4)计算拟合后数据和拟合前数据g^Ai)的相关系数<，计算公式如下Nlg:喊(Af)-Y^ (Af)YJ1; (Af)K =At=IAt=IAt=IΔ =1Δ =1At=IΣ迄⑷Δ =1并定义函数hk(t)为hk(t) =ο.t-Sr < TRr > TR其中TR是阈值，TR e
，如果hk(t) = 0，那么返回步骤(2)继续检测下一 帧图像，否则，进入步骤(5)；(5)设hk,(t)为该帧图像中不为0的函数hk(t)，V⑴乒0，k' =1，2，L，M，如果 hk, (t-w)兴0，w = 0，1，L，T，其中T是参数，为整数，T彡3，那么进入步骤(6)，否则返回步 骤( 继续检测下一帧图像；(6)计算载玻片区域相对亮度变化Lk,(t)，计算公式如下2
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的载玻片的四边形区域Ak的面积 S(Ak)的计算公式为
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，拟合函数为y= a arctan (b Δ t+c) +d，其中a，b，c，d表示待拟合参数。
4.根据权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，所述拟合采用列文伯格-马夸尔特 (Levenberg-Marquardt)非线性拟合算法。
全文摘要
本发明公开了一种自动检测结霜的方法，利用对设置在户外的多个载玻片的图像序列Ii的处理，检测出是否结霜及结霜的时刻，其中，所述图像序列Ii由每隔固定时间采集的载玻片图像所组成，所述载玻片呈四边形，i是正整数，表示图像帧数序号。本发明的方法能够自动检测结霜现象是否发生，并且检测出结霜发生的时刻，而且检测过程中除了初始手工标记外，不需要人工干预，自动化程度高，对于不同形式的结霜都能很好的检测。
文档编号G06T7/00GK102054180SQ20101059248
公开日2011年5月11日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者卓问, 曹治国, 朱磊, 马舒庆 申请人:华中科技大学