一種基于圖像處理獲取空氣中顆粒物濃度的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于圖像處理獲取空氣中顆粒物濃度的方法，對采集的圖像進(jìn)行處理，包括以下步驟：1)確定圖像中相對較亮的大氣光像素點(diǎn)的像素值和相對較暗的興趣像素點(diǎn)；2)根據(jù)得到的大氣光像素點(diǎn)的像素值和確定的興趣像素點(diǎn)的像素值，分別計(jì)算相應(yīng)像素點(diǎn)的光強(qiáng)值；3)根據(jù)步驟2)得到的相應(yīng)像素點(diǎn)的光強(qiáng)值計(jì)算光強(qiáng)衰減系數(shù)；4)基于米氏散射理論，確定消光系數(shù)關(guān)于顆粒物的平均粒徑的關(guān)系式函數(shù)；5)確定顆粒物的平均粒徑的具體值；6)根據(jù)光強(qiáng)衰減系數(shù)、消光系數(shù)的關(guān)系式函數(shù)以及顆粒物的平均粒徑計(jì)算顆粒物濃度。本發(fā)明的基于圖像處理獲取空氣中顆粒物濃度的方法，能夠在較低成本下實(shí)現(xiàn)對較廣范圍內(nèi)的空氣中的顆粒物濃度的估計(jì)。
【專利說明】一種基于圖像處理獲取空氣中顆粒物濃度的方法
【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001]本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域，特別是涉及一種基于圖像處理獲取空氣中顆粒物濃度的方法。
【【背景技術(shù)】】
[0002]隨著工業(yè)及交通運(yùn)輸業(yè)的不斷發(fā)展，大量的有害物質(zhì)被排放到空氣中，改變了空氣的正常組成，使空氣質(zhì)量變壞。當(dāng)人們生活在受到污染的空氣之中，不僅正常的生活和出行也會(huì)受極大的影響，人體的健康會(huì)受到極大的侵害。根據(jù)已有報(bào)道，霧霾天氣已經(jīng)造成我國多地遭受嚴(yán)重污染，對人民群眾生產(chǎn)生活和身體健康帶來了極其不利的影響。
[0003]為了減少霧霾的侵害，并提供有助于治理的信息，必須建立全面的空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。目前，比較權(quán)威的有國家環(huán)保部門通過建立大量的觀測網(wǎng)點(diǎn)而實(shí)時(shí)播報(bào)的空氣質(zhì)量信息。單個(gè)監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)需要配備震蕩天平、Beta射線儀等專業(yè)設(shè)備實(shí)時(shí)測量PM值，并每小時(shí)向網(wǎng)上發(fā)布測量數(shù)據(jù)。但是，目前的監(jiān)測網(wǎng)還存在很多局限。首先，例如震蕩天平、Beta射線儀等專業(yè)設(shè)備，其代價(jià)昂貴，操作復(fù)雜，不利于推廣。其次，一座城市中監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)的數(shù)量也有限，單個(gè)網(wǎng)點(diǎn)測量的有效范圍有限，以至于整座城市監(jiān)測覆蓋范圍及其有限。很多區(qū)域遠(yuǎn)離監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)，空氣質(zhì)量情況又復(fù)雜多變，使得網(wǎng)點(diǎn)的數(shù)據(jù)對這些區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測不具備參考性。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:彌補(bǔ)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于圖像處理獲取空氣中顆粒物濃度的方法，能夠在較低成本下實(shí)現(xiàn)對較廣范圍內(nèi)的空氣中的顆粒物濃度的估計(jì)獲取。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)問題通過以下的技術(shù)方案予以解決:
[0006]一種基于圖像處理獲取空氣中顆粒物濃度的方法，對采集的包含有室外景物的圖像進(jìn)行處理，包括以下步驟:1)確定圖像中相對較亮的大氣光像素點(diǎn)的像素值和相對較暗的興趣像素點(diǎn)；2)根據(jù)得到的大氣光像素點(diǎn)的像素值和確定的興趣像素點(diǎn)的像素值，分別計(jì)算相應(yīng)像素點(diǎn)的光強(qiáng)值；3)根據(jù)步驟2)得到的相應(yīng)像素點(diǎn)的光強(qiáng)值計(jì)算光強(qiáng)衰減系數(shù)；4)基于米氏散射理論，確定消光系數(shù)關(guān)于顆粒物的平均粒徑的關(guān)系式函數(shù)；5)根據(jù)光強(qiáng)衰減系數(shù)和消光系數(shù)的關(guān)系式函數(shù)確定空氣中顆粒物的平均粒徑的具體值；6)根據(jù)光強(qiáng)衰減系數(shù)、消光系數(shù)的關(guān)系式函數(shù)以及顆粒物的平均粒徑計(jì)算顆粒物濃度。
[0007]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)對比的有益效果是:
[0008] 本發(fā)明的基于圖像處理獲取空氣中顆粒物濃度的方法，基于圖像處理技術(shù)，提取圖像中相應(yīng)像素點(diǎn)的光強(qiáng)值，從而獲取光強(qiáng)衰減系數(shù)，結(jié)合消光系數(shù)，進(jìn)而最終計(jì)算得到顆粒物的平均粒徑。本發(fā)明的獲取空氣質(zhì)量參數(shù)的方法中，僅需一臺(tái)采集圖像的裝置即可，無需昂貴的專業(yè)設(shè)備，方法實(shí)現(xiàn)的成本較低，易于推廣。同時(shí)，僅需拍攝采集待監(jiān)測區(qū)域的一副圖像即可獲取空氣質(zhì)量參數(shù)信息，即對于地理位置不便，遠(yuǎn)離觀測網(wǎng)點(diǎn)的區(qū)域也可方便使用，即本發(fā)明的方法能實(shí)現(xiàn)對較廣范圍內(nèi)的空氣環(huán)境的監(jiān)測。
【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0009]圖1是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的基于圖像處理獲取空氣中顆粒物濃度的方法的流程圖；
[0010]圖2是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的確定大氣像素點(diǎn)和興趣像素點(diǎn)步驟的流程圖；
[0011]圖3是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試時(shí)選取的室外場景的示意圖；
[0012]圖4是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試時(shí)的估計(jì)值與實(shí)際觀測站的觀測值的曲線對比圖；
[0013]圖5是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試時(shí)的估計(jì)值與實(shí)際觀測站的觀測值的相關(guān)圖。 【【具體實(shí)施方式】】
[0014]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】并對照附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0015]本發(fā)明通過圖像處理與識(shí)別技術(shù)，處理攝像機(jī)或者照相機(jī)等圖像拍攝裝置拍攝的圖像，將圖像的空氣中顆粒物濃度信息，即PM值提取出來。聯(lián)想到目前大中型城市中，都有著大量固定的監(jiān)控?cái)z像機(jī)，覆蓋著城市中很大一部分區(qū)域，因此本發(fā)明的方法適合大面積的推廣適用。對于監(jiān)控?cái)z像機(jī)，只要拍攝到一定范圍內(nèi)的室外景物圖像，即可獲得這一范圍內(nèi)場景中PM值。而一個(gè)城市中，監(jiān)控?cái)z像機(jī)的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前專業(yè)的監(jiān)控網(wǎng)點(diǎn)，匯總這些數(shù)據(jù)，可以得到一座城市相當(dāng)精細(xì)的PM值分布圖。對于各級(jí)政府、環(huán)保部門即相關(guān)單位提供更加詳細(xì)的空氣污染分布情況，為各項(xiàng)決策的制定和執(zhí)行提供更加全面、有效地參考。
[0016]如圖1所示，為本【具體實(shí)施方式】中基于圖像處理獲取空氣中顆粒物濃度的方法的流程圖。首先，采集得到一幅包含有室外景物的圖像，該圖像為正常拍攝下直接獲取的，無需經(jīng)過其他技術(shù)手段(比如曝光校正、自動(dòng)白平衡等)處理。然后對該圖像進(jìn)行處理，處理過程包括:
[0017]Pl)確定圖像中相對較亮的大氣光像素點(diǎn)的像素值和相對較暗的興趣像素點(diǎn)。
[0018]本【具體實(shí)施方式】中，采用如圖2所示的步驟流程確定上述兩部分內(nèi)容，從而精確度較高，有助于確保后續(xù)計(jì)算得到的光強(qiáng)衰減系數(shù)、顆粒物的平均粒徑以及顆粒物濃度的精確度。其它也有一些快速確定兩部分內(nèi)容的方法，但計(jì)算精確度會(huì)稍差一些，在此不一一列舉。本【具體實(shí)施方式】中，如圖2所示，包括:
[0019]Pll)計(jì)算圖像中每一個(gè)像素點(diǎn)的亮度值。
[0020]該步驟中，計(jì)算每一個(gè)像素點(diǎn)的亮度值有多種方法。如下列舉一種較快速的計(jì)算方法:對于位置為(X，y)的像素點(diǎn)的亮度值為Ilight (X，y)，
[0021 ] Ilight (X，y) = 0.299 X Ie (x, y) +0.587 X Ig (x, y) +0.114 X Ib (x, y)
[0022]分別為像素點(diǎn)(x，y)的R通道像素值，G通道像素值，B通道像素值。
[0023]上述列舉的計(jì)算方法僅為多種計(jì)算方法中的一種，其余計(jì)算方法，可能有較復(fù)雜的方式，其運(yùn)算結(jié)果更精確些，但沒有上述方法那樣計(jì)算簡便快速。具體選擇何種計(jì)算方式，用戶可根據(jù)對處理過程的效率和處理結(jié)果的精確度的要求綜合考慮選定。[0024]P12)局部暗化處理，獲取變換圖像。具體為:確定每一個(gè)像素點(diǎn)周圍的局部區(qū)域，獲取所述局部區(qū)域中像素點(diǎn)的亮度值中的最小亮度值，將所述最小亮度值確定為像素點(diǎn)的變換亮度值，獲得變換圖像。
[0025]該步驟中，確定的局部區(qū)域可以是任意形狀，優(yōu)選地為矩形窗，矩形窗的大小為MXN，其中M和N的具體取值由用戶設(shè)定。
[0026]P13)計(jì)算大氣光像素點(diǎn)的像素值，具體為:在所述步驟12)獲得的變換圖像中，尋找亮度值占前P %的高亮度像素點(diǎn)，P在5~15之間取值，將所述高亮度像素點(diǎn)的像素值均值作為大氣光像素點(diǎn)的像素值。
[0027]該步驟為估計(jì)大氣光像素點(diǎn)的像素值，由上一步確定的變換亮度值構(gòu)成的變換圖像中，查找占所有像素點(diǎn)前P%高亮度值的像素點(diǎn)。對于P的取值，在5~15之間取值。確定該部分像素點(diǎn)后，取這部分像素點(diǎn)原始的圖像中的像素值的均值作為大氣光像素點(diǎn)的像素值，記為/二，其中c e {R, G, B}, R, G, B分別表示RGB色彩空間的R通道、G通道、B通道。
也即，大氣光像素點(diǎn)R通道的像素值為上述確定的部分的像素點(diǎn)原始圖像中R通道像素值的均值，大氣光像素點(diǎn)R通道的像素值為上述確定的部分的像素點(diǎn)原始圖像中R通道像素值的均值，大氣光像素點(diǎn)R通道的像素值為上述確定的部分的像素點(diǎn)原始圖像中R通道像素值的均值。
[0028]P14)確定興趣像素點(diǎn)，具體為:將符合如下條件的像素點(diǎn)確定為相對較暗的興趣像素點(diǎn):(Ilight (X，y) -1minlight (X，y))2〈 ε2，其中，Ilight (x, y)為像素點(diǎn)的亮度值，Iminlight (x，y)為像素點(diǎn)的變換亮度值，ε為用戶設(shè)定的閾值。
[0029]該步驟為選取后續(xù)計(jì)算光強(qiáng)衰減系數(shù)所需要的相對較暗的像素點(diǎn)。對圖像中所有像素點(diǎn)，按如下準(zhǔn)則選取興趣點(diǎn):(Ilight (X，y)-1minlight (X，y))2< ε 2，若能滿足以上表達(dá)式，則該點(diǎn)作為興趣像素點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)興趣像素點(diǎn)數(shù)量η = I, 2, 3...,N。記錄興趣像素點(diǎn)位置為(χη,yn)，并記錄得到的興趣像素點(diǎn)總數(shù)N。
[0030]如上，通過上述步驟即確定了大氣光像素點(diǎn)的像素值，以及興趣像素點(diǎn)。上述確定過程，是針對全幅圖像的內(nèi)容進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，相當(dāng)于有著數(shù)量級(jí)與攝像機(jī)像素?cái)?shù)相當(dāng)?shù)挠^測值，從而依據(jù)整幅圖像的像素點(diǎn)評(píng)估得到大氣光像素點(diǎn)的像素值和興趣像素點(diǎn)，評(píng)估確定的結(jié)果較準(zhǔn)確，可有效降低因單點(diǎn)評(píng)估所引入的誤差，進(jìn)而有助于確保后續(xù)光強(qiáng)衰減信息以及顆粒物濃度的計(jì)算結(jié)果的精確度。
[0031]確定上述兩部分內(nèi)容后，進(jìn)入步驟P2)。
[0032]P2)根據(jù)得到的大氣光像素點(diǎn)的像素值和確定的興趣像素點(diǎn)的像素值，分別計(jì)算相應(yīng)像素點(diǎn)的光強(qiáng)值。
[0033]該步驟中，將像素值轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)值信息，用于后續(xù)光強(qiáng)衰減系數(shù)的計(jì)算。根據(jù)大氣光像素點(diǎn)的相應(yīng)通道的像素值計(jì)算得到大氣光像素點(diǎn)的相應(yīng)通道的光強(qiáng)值，根據(jù)興趣像素點(diǎn)的相應(yīng)通道的像素值計(jì)算得到興趣像素點(diǎn)的相應(yīng)通道的光強(qiáng)值。具體計(jì)算時(shí)，可根據(jù)如下公式計(jì)算得到:Re = ?"0-)，其中，c e {R，G，B}，R，G，B分別表示RGB色彩空間的R通道、G通道、B通道，Rc表示待計(jì)算像素點(diǎn)的c通道的光強(qiáng)值，Ic表示待計(jì)算像素點(diǎn)的c通道的像素值，表示c通道光強(qiáng)值與像素值之間的映射關(guān)系，由采集圖像的拍攝裝置的性能參數(shù)決定。理 想的光強(qiáng)與像素值之間的相應(yīng)映射關(guān)系是線性的。但實(shí)際上，受采集圖像的拍攝裝置的性能參數(shù)的影響，不是理想的線性關(guān)系，不同的相機(jī)往往有不同的映射響應(yīng)曲線，可以通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定結(jié)合性能參數(shù)來確定該相機(jī)的映射關(guān)系。
[0034]P3)根據(jù)步驟P2)得到的相應(yīng)像素點(diǎn)的光強(qiáng)值計(jì)算光強(qiáng)衰減系數(shù)。
[0035]該步驟中，通過圖像中大氣光像素點(diǎn)和興趣像素點(diǎn)的光強(qiáng)值來計(jì)算光強(qiáng)衰減系數(shù)。本【具體實(shí)施方式】中，采用如下所示的表達(dá)式計(jì)算光強(qiáng)衰減系數(shù):1nR K~^
[0036]
【權(quán)利要求】
1.一種基于圖像處理獲取空氣中顆粒物濃度的方法，其特征在于:對采集的包含有室外景物的圖像進(jìn)行處理，包括以下步驟: 1)確定圖像中相對較亮的大氣光像素點(diǎn)的像素值和相對較暗的興趣像素點(diǎn)； 2)根據(jù)得到的大氣光像素點(diǎn)的像素值和確定的興趣像素點(diǎn)的像素值，分別計(jì)算相應(yīng)像素點(diǎn)的光強(qiáng)值； 3)根據(jù)步驟2)得到的相應(yīng)像素點(diǎn)的光強(qiáng)值計(jì)算光強(qiáng)衰減系數(shù)； 4)基于米氏散射理論，確定消光系數(shù)關(guān)于顆粒物的平均粒徑的關(guān)系式函數(shù)； 5)根據(jù)光強(qiáng)衰減系數(shù)和消光系數(shù)的關(guān)系式函數(shù)確定空氣中顆粒物的平均粒徑的具體值； 6)根據(jù)光強(qiáng)衰減系數(shù)、消光系數(shù)的關(guān)系式函數(shù)以及顆粒物的平均粒徑計(jì)算顆粒物濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圖像處理獲取空氣中顆粒物濃度的方法，其特征在于:所述步驟I)中具體包括以下步驟:11)計(jì)算圖像中每一個(gè)像素點(diǎn)的亮度值；12)確定每一個(gè)像素點(diǎn)周圍的局部區(qū)域，獲取所述局部區(qū)域中像素點(diǎn)的亮度值中的最小亮度值，將所述最小亮度值確定為像素點(diǎn)的變換亮度值，獲得變換圖像；13)在所述步驟12)獲得的變換圖像中，尋找亮度值占前P %的高亮度像素點(diǎn)，P在5~15之間取值，將所述高亮度像素點(diǎn)的像素值均值作為大氣光像素點(diǎn)的像素值；14)將符合如下條件的像素點(diǎn)確定為相對較暗的興趣像素點(diǎn):(Ilight(X，y)-1minligt(x, y))2〈 ε2其中，Ilight(x，y)為像素點(diǎn)的亮度值，Iminlight(x,y)為像素點(diǎn)的變換亮度值，ε為用戶設(shè)定的閾值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于圖像處理獲取空氣中顆粒物濃度的方法，其特征在于:所述步驟12)中確定的局部區(qū)域?yàn)榇笮镸XN的矩形區(qū)域，M和N的具體取值由用戶設(shè)定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圖像處理獲取空氣中顆粒物濃度的方法，其特征在于:所述步驟2)中根據(jù)如下公式由像素點(diǎn)的像素值計(jì)算像素點(diǎn)的光強(qiáng)值:ΙΤ = ?"0-)，其中，c e {R, G, B}，R，G，B分別表示RGB色彩空間的R通道、G通道、B通道，Ic表示待計(jì)算像素點(diǎn)的c通道的像素值，表示c通道光強(qiáng)值與像素值之間的映射關(guān)系，由采集圖像的拍攝裝置的性能參數(shù)決定，Rc表示待計(jì)算像素點(diǎn)的c通道的光強(qiáng)值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圖像處理獲取空氣中顆粒物濃度的方法，其特征在于:所述步驟3)中根據(jù)如下表達(dá)式計(jì)算光強(qiáng)衰減系數(shù)，
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圖像處理獲取空氣中顆粒物濃度的方法，其特征在于:所述步驟4)中確定的消光系數(shù)的關(guān)系式函數(shù)為:
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圖像處理獲取空氣中顆粒物濃度的方法，其特征在于:所述步驟5)中，將各通道的光強(qiáng)衰減系數(shù)τκ、τ\ τ B以及消光系數(shù)的關(guān)系式函數(shù)Kk (S)、Kg(S)、Kb(S)帶入如下表達(dá)式:
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圖像處理獲取空氣中顆粒物濃度的方法，其特征在于:所述步驟6)中，根據(jù)如下表達(dá)式計(jì)算顆粒物濃度P
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圖像處理獲取空氣中顆粒物濃度的方法，其特征在于:所述步驟6)之后還包括步驟7)，根據(jù)顆粒物的平均粒徑和顆粒物濃度查詢空氣質(zhì)量信息，得到采集的圖像中場景的空氣質(zhì)量信息。
【文檔編號(hào)】G01N15/06GK104020088SQ201410207007
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月15日
【發(fā)明者】王好謙, 袁新, 張永兵, 戴瓊海 申請人:清華大學(xué)深圳研究生院