专利名称：抗天气干扰图像采集系统的制作方法
技术领域：
本发明属于天气图像处理领域，特别涉及一种对受到天气干扰衰减图像进行复原的方法。
背景技术：
当今世界，人类视觉已远远不能满足在工业领域和人类生活中其它领域中的需要。计算机视觉系统的出现弥补了人类视觉的不足，在工业制造、道路交通管理、实时监控等多个领域计算机视觉都得到了广泛的应用，它在人类的生产和生活中发挥越来越重要的作用。图像采集技术作为计算机视觉的一个重要的组成部分也已在各个领域中得到了广泛的发展，尤其是在需要对观测目标进行实时监测并需要信息存储的领域(例如道路交通管理)更加重要。普通的图像采集系统在对户外图像进行采集的过程中，图像的质量受到天气条件的干扰非常严重。天气晴朗时采集到的图像质量很好，可以达到预先设计的标准；但是在雾、霾等恶劣的天气条件下，图像的质量严重退化，甚至图像中的目标模糊，难以辨认。这种情况严重影响了图像采集系统的稳定性，同时受到天气干扰而退化的图像还会影响到其它系统的正常工作。需要设计一种能够抗天气干扰的图像采集系统，当天气条件良好时该系统能够和其它图像采集系统一样对户外目标进行拍摄和图像采集；当天气条件恶劣，影响图像质量时，该系统能够在一定程度上消除天气对图像质量的影响，将受天气影响的衰减图像复原为比较清晰的图像，使得在恶劣的天气条件下，该图像采集系统依然能够保持较好的稳定性和可靠性。
发明内容
本发明主要针对户外图像采集系统中存在的问题，提供一种结构简单、图像清晰度高、复原效果好、使用方便、成本低的抗天气干扰图像采集系统，在天气条件受到干扰而导致拍摄到的图像衰减时能够对衰减的图像进行复原，保证采集图像的质量。
本系统包括摄像机、模数转换器、图像采集器、数据接口、计算机、时间权值模块、参量输入模块、滤波模块、图像存储器和图像显示器，摄像机将拍摄到的模拟图像信号送给模数转换器，模数转换器将模拟图像转换为数字图像信号经通讯接口输入计算机，时间权值模块通过时间参量得到时间权值输送给计算机，参量输入模块将参量信息输送给计算机，计算机将图像的大气调制传递函数信号输送给滤波模块，滤波模块对原始图像进行滤波处理，得到天气复原图像，对复原后的图像信号送给图像存储器和图像显示器进行存储和显示。
抗天气干扰图像采集系统的工作流程，其工作步骤为(1)初始化，对系统进行初始化；(2)采集图像，使用摄像机对图像进行采集；(3)图像预处理，对图像的平滑和锐化处理，消除图像噪声并使图像边缘清晰；(4)计算时间权值，通过输入的时间参量计算时间权值；(5)计算折射率结构常数，利用时间权值和气象参量计算折射率结构常数；(6)计算大气调制传递函数MTF，通过计算得出的大气调制传递函数的两个分量湍流调制传递函数MTFe和气溶胶调制传递函数MTFa，然后得出大气调制传递函数MTF；(7)图像滤波，使用大气调制传递函数MTF对原始图像进行滤波；(8)存储图像，存储复原后的图像；(9)显示图像，显示复原后的图像。
本发明具有结构简单、图像清晰度高、复原效果好、使用方便、成本低等优点，适用于各种户外图像采集的环境。
图1抗天气干扰图像采集系统结构框图；图2抗天气干扰图像采集系统工作流程图；
图中1摄像机、2模数转换器、3图像采集器、4数据接口、5计算机、6时间权值模块、7参量输入模块、8滤波模块、9图像存储器、10图像显示器。
具体实施例方式
结合实例进一步说明本发明的结构方案和工作过程。
如图1所示，抗天气干扰图像采集系统，包括摄像机1、模数转换器2、图像采集器3、数据接口4、计算机5、时间权值模块6、参量输入模块7、滤波模块8、图像存储器9和图像显示器10。摄像机1将拍摄的图像信号送给模数转换器2，模数转换器2将模拟图像转换为数字图像，经图像采集器3采集后通过数据接口4输入计算机5，同时参量输入模块7将时间参量、气象参量和其它参量输入计算机，时间权值模块6利用时间参量计算时间权值，通过时间权值和气象参量可以得到折射率结构常数输入计算机。计算机5通过输入的参量信息分别计算出湍流调制传递函数MTFe和气溶胶调制传递函数MTFa，然后通过这两个大气调制传递函数的分量计算出大气调制传递函数MTF输送给滤波模块8，滤波模块8使用大气调制传递函数MTF对拍摄的原始图像进行滤波处理得到天气复原图像，最后对复原后的图像输送给图像存储器9存储和图像显示器10显示。
如图2所示，本发明的系统工作流程是(1)初始化，对整个系统的各个部分进行初始化，包括摄像机参数的设置，参量输入模块的初始化和图像显示器的初始化；(2)采集图像，摄像机拍摄的图像首先经过模数转换器处理，将摄像机拍摄的模拟图像转变为数字图像序列，然后通过图像采集器采集图像，通过数据接口将图像输入计算机；(3)图像预处理，对原始图像的平滑和锐化，使得图像噪声被消除，图像的边缘也变得清晰；(4)计算时间权值，时间参量包括日出时间t1、日落时间t2及拍摄时间t。用TH作为相对时间的符号，则相对时间TH是用日落时间t2减去日出时间t1，将结果除以12得到标准相对时间TH1，然后用拍摄时间t减去日出时间t1，再将结果除以标准相对时间TH1，则得到相对时间TH，数学表达式为TH1＝(t2-t1)/12，TH＝(t-t1)/TH1，通过相对时间TH及相对时间权值表可以查出与拍摄时间对应的时间权值W；(5)计算折射率结构常数，计算出时间权值后，通过时间权值、温度、相对湿度、风速和太阳辐射通量计算折射率结构常数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为时间权值，T为空气温度，RH为相对湿度，WS为风速，SF为太阳辐射通量，TCSA为中间系数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)计算大气调制传递函数MTF，当给定了一幅退化的或者受噪声污染的图像，利用退化现象来重建或恢复原有图像是图像复原处理的基本过程，抗天气干扰图像采集系统就是利用基于物理模型的方法，去除天气条件给图像带来的影响，使退化的图像得到恢复。大气传输过程影响成像的质量，是光程越长，影响越显著。主要是由两个方面的原因(1)大气湍流；(2)粒子的散射与吸收，对应这两方面原因大气调制传递函数分为两个分量，即湍流调制传递函数MTFe和气溶胶调制传递函数MTFa，湍流调制传递函数MTFe与时间、温度、相对湿度、光照、风速、太阳照度等因素有关，本系统的拍摄条件适用短曝光时间的情况，得到湍流调制传递函数MTFe为MTFe=exp{-57.3v5/3Cn2λ-1/3R[1-μ(λvD)1/3]}]]>其中v为角空间频率，Cn2为折射率结构常数，R为光程，λ为辐射波长，D为光圈直径，μ为系数，近场μ＝1，远场μ＝0.5。
实际成像的气溶胶影响可以由测量得到的气溶胶调制传递函数MTFa来表示，气溶胶调制传递函数MTFa为MTFa=exp[-AaR-SaR(v/vc)2],v≤vc,exp[-(Aa+Sa)R],v>vc,]]>其中Sa，Aa为大气散射和吸收系数，vc为角空间截止频率，为粒子直径和辐射波长的比值。在角空间频率v较高时，可认为MTFa为常数，Aa+Sa为衰减系数Qe，Qe≈Sa＝3.912/Rm其中Rm为能见距离。由于霾的直径和波长数量级比较近，所以对一般大气条件vc相当小，即v＞vc。这样通过公式MTF＝MTFe×MTFa可以得到大气调制传递函数MTF；(7)图像滤波，将求得的MTF作为原始图像一个噪声，通过维纳滤波对图像进行处理，消除MTF对图像的影响，得到修复后的图像；(8)存储图像，对复原后的图像进行存储；(9)显示图像，通过显示器显示复原后的图像。
抗天气干扰图像采集系统主要针对户外图像的拍摄，对图像的处理进行了改进，引入了大气调制传递函数，对受到天气干扰衰减的图像进行了复原，增强了户外摄像系统的鲁棒性，提高了图像采集系统的工作效率。
权利要求
1.抗天气干扰图像采集系统，其特征是，包括摄像机、模数转换器、图像采集器、数据接口、计算机、时间权值模块、参量输入模块、滤波模块、图像存储器和图像显示器，摄像机将拍摄到的模拟图像信号送给模数转换器，模数转换器将模拟图像转换为数字图像信号经通讯接口输入计算机，时间权值模块通过时间参量得到时间权值输送给计算机，参量输入模块将参量信息输送给计算机，计算机将图像的大气调制传递函数信号输送给滤波模块，滤波模块对原始图像进行滤波处理，得到天气复原图像，对复原后的图像信号送给图像存储器和图像显示器进行存储和显示。
2.抗天气干扰图像采集系统的工作流程，其特征是，工作步骤为(1)初始化，对系统进行初始化；(2)采集图像，使用摄像机对图像进行采集；(3)图像预处理，对图像的平滑和锐化处理，消除图像噪声并使图像边缘清晰；(4)计算时间权值，通过输入的时间参量计算时间权值；(5)计算折射率结构常数，利用时间权值和气象参量计算折射率结构常数；(6)计算大气调制传递函数MTF，通过计算得出的大气调制传递函数的两个分量湍流调制传递函数MTFe和气溶胶调制传递函数MTFa，然后得出大气调制传递函数MTF；(7)图像滤波，使用大气调制传递函数MTF对原始图像进行滤波；(8)存储图像，存储复原后的图像；(9)显示图像，显示复原后的图像。
全文摘要
抗天气干扰图像采集系统，拍摄到的图像信号经模数转换器转换为数字图像信号，再经通讯接口输入计算机，时间权值模块通过时间参量得到时间权值和参量输入模块将参量信息都输送给计算机，计算机将图像的调制传递函数信号输送信给滤波模块，对拍摄的原始图像进行滤波处理，得到天气复原图像，其工作流程为(1)初始化，(2)采集图像，(3)图像预处理，(4)计算时间权值，(5)计算折射率结构常数，(6)计算大气调制传递函数(7)图像滤波，(8)存储图像(9)显示图像。本发明具有结构简单、图像清晰度高、复原效果好、使用方便、成本低等优点，适用于各种户外图像采集的环境。
文档编号G06T5/00GK1753490SQ20051004757
公开日2006年3月29日 申请日期2005年10月28日 优先权日2005年10月28日
发明者董慧颖, 董涛, 王欣威 申请人:沈阳理工大学