大气悬浮物检测系统及其检测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于机器视觉的大气悬浮物检测系统，包括：图像拍摄模块，拍摄大气图像；图像预处理模块，对大气图像进行亮度信息统计，根据亮度信息区分天空区域和其他场景区域，并对大气图像每个像素进行区域标注；图像理模块，获取光强梯度，根据灰度光强梯度差异排除光源区域，计算光强度获得亮度图，计算光强度获得暗通道，对比亮度图和暗通道获得暗点，通过暗点像素值计算获得大气光强衰减参数；大气悬浮物浓度计算模块，将被检测大气图像的大气光强衰减参数与大气悬浮物光强曲线对比获得大气悬浮物浓度。本发明专利技术还公开了一种基于机器视觉的大气悬浮物检测方法。本发明专利技术能对大气悬浮物尤其是雾霾浓度进行准确检测。

Atmospheric Suspended Matter Detection System and Its Detection Method

The invention discloses an atmospheric suspended matter detection system based on machine vision, which includes: image shooting module, taking atmospheric image; image preprocessing module, carrying out brightness information statistics for atmospheric image, distinguishing sky region and other scene regions according to brightness information, and regional labeling for each pixel of atmospheric image; image processing module, acquiring light intensity gradient according to brightness information. The gradient difference of gray level light intensity excludes the light source area, calculates the intensity of light to get the brightness map, calculates the intensity of light to get the dark channel, compares the brightness map with the dark channel to get the dark spots, and calculates the atmospheric intensity attenuation parameters by the pixel value of the dark spots. The atmospheric suspended matter concentration calculation module compares the atmospheric intensity attenuation parameters of the detected atmospheric image with the intensity curve of the at Concentration of suspended solids. The invention also discloses an air suspended matter detection method based on machine vision. The invention can accurately detect the concentration of atmospheric suspended solids, especially haze.

【技术实现步骤摘要】
大气悬浮物检测系统及其检测方法
本专利技术涉及一种针对大气悬浮物尤其是雾霾的检测系统。本专利技术还涉及一种大气悬浮物检测方法。
技术介绍
近年来智能设备逐渐代替人类完成各种具有高难度、高危险的任务，为日常生产生活带来便捷。然而，受阴雨、雾霾、暴雪等复杂多变的天气状况的影响，某些系统在该场景中的功能急剧下降。雾霾检测技术能够自动分析场景中的大气雾霾现状，为后续应对和处理判定提供有效保障，已经成为机器视觉领域中一项重要而又具有挑战性的研究课题。同时，基于机器视觉的雾霾检测技术能够提高室外的灵活性，降低图像传输的成本，并在智能视频监控系统、机器视觉导航系统和车辆驾驶辅助系统中具有广泛的应用。因此，基于机器视觉的雾霾检测技术具有广阔的研究价值和应用前景。在现有雾霾检测技术中，通常使用内置专用的激光模块产生一束特定的激光,当颗粒物经过时，其信号会被超高灵敏的数字电路模块检测到，通过对信号数据进行智能识别分析得到颗粒计数和颗粒大小，根据专业的标定技术得到粒径分布与质量浓度转换公式，最终得到跟官方单位统一的质量浓度。然而，现有雾霾检测仪需要使用者手持该设备暴露在雾霾的环境中，当大气重度污染时应该尽量减少使用者在接触雾霾的时间，所以就需要一种与雾霾大气非接触式的检测技术。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于机器视觉能对大气悬浮物尤其是雾霾(PM2.5～PM10)浓度进行检测的大气悬浮物检测系统。本专利技术还提供了一种基于机器视觉能对大气悬浮物尤其是雾霾浓度进行检测的大气悬浮物检测方法。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于机器视觉的大气悬浮物检测系统，包括：图像拍摄模块、图像预处理模块、图像理模块和大气悬浮物浓度计算模块；图像拍摄模块，拍摄大气图像；图像预处理模块，对大气图像进行亮度信息统计，根据亮度信息区分天空区域和其他场景区域，并对大气图像每个像素进行区域标注；图像理模块，获取光强梯度，根据灰度光强梯度差异排除光源区域，计算光强度获得亮度图，计算光强度获得暗通道，对比亮度图和暗通道获得暗点，通过暗点像素值计算获得大气光强衰减参数；大气悬浮物浓度计算模块，将被检测大气图像的大气光强衰减参数与大气悬浮物光强曲线对比获得大气悬浮物浓度。进一步改进所述的大气悬浮物检测系统，区分天空区域和其他场景区域并标注，采用以下方法；Idark(x，y)＝min(m，n)∈Ω(x，y)minc∈{R，G，B}I(m，n，c)；其中，I(m，n，c)表示图像中位于(m，n)位置，c是颜色通道像素值，Idark(x，y)是阈值通道，Ω(x，y)是中心为(m，n)位置的滤波器；确定天空与其他场景的基本位置，通过阈值Ts、To进行标注；Ts＝Tc+k(255-Tc)；To＝Tc-kTc；将亮度大于Ts的区域标注为天空区域S，将亮度小于To的区域标注为其他场景区域O，最小化以下能量函数；E(L)＝αR(L)+B(L)；Ω(L)表示像素点L的四邻域，Δ(L)表示以下关系；将所有像素点的能量函数最小化后，获得每个像素是天空区域或其他场景区域的标注。进一步改进所述的大气悬浮物检测系统，所述的大气悬浮物检测系统，对于函数f(x，y)，f在坐标(x，y)处的光强梯度定义为二维列向量：其中表示函数在x方向上的导数，表示函数在y方向上的导数，光强梯度是在(x，y)处f的最大变化率的方向，选取灰度梯度大的点集或线作为天空区域与光源区域的边缘，从而排除光源区域。进一步改进所述的大气悬浮物检测系统，采用以下公式计算光强形成亮度图；L(i，j)＝0.299IR(i，j)+0.587IG(i，j)+0.114IB(i，j)；其中0.299、0.587、0.114是RGB亮度计算公式的固有参数，IR(i，j)、IG(i，j)、IB(i，j)是指此处在RGB三个通道的像素值。进一步改进所述的大气悬浮物检测系统，采用以下公式计算光强度获得暗通道；M(i，j)＝min(s，t)∈Ω(i，j)minc∈{R，G，B}Ic(s，t)；c为通道，可选范围为{R，G，B}，(s，t)为候选暗点位置，取值范围为Ω(i，j)，Ω(i，j)是局部最小窗范围，即最小滤波。进一步改进所述的大气悬浮物检测系统，采用以下方式获得暗点；选取同位置处亮度图和暗通道光强度值相差在第一阈值内，且满足如下不等式的点作为暗点；L(i，j)-M(i，j)≤ε；L(i，j)为亮度值，M(i，j)为暗通道值，ε为自定义阈值。进一步改进所述的大气悬浮物检测系统，采用以下方式计算大气光强衰减参数；光强度衰减误差函数，β是等价于测量数据的最小二乘拟合，通过最小化光强度衰减误差函数θ抑制单个点光强测量和计算过程中带来的误差，获得解：β是大气光强衰减参数，γ是表征平滑约束程度的平滑系数，是矩阵简化，是矩阵简化，βo是结合历史值建立的参考模型大气光强衰减参数值。进一步改进所述的大气悬浮物检测系统，大气悬浮物浓度计算模块获取大气悬浮物浓度历史数据形成大气悬浮物浓度数据库，统计大气悬浮物浓度和该大气悬浮物浓度下大气图片的大气光强衰减参数之间线性相关度形成大气悬浮物光强曲线，P＝325.4β-194.8，P是大气悬浮物浓度，β是大气光强衰减参数，根据被检测大气图片的光强衰减参数查询大气悬浮物光强曲线获得大气悬浮物浓度。本专利技术提供一种基于机器视觉的大气悬浮物检测方法，包括以下步骤：1)对大气图像进行亮度信息统计；2)根据亮度信息区分天空区域和其他场景区域，并对大气图像每个像素进行区域标注；3)获取光强梯度，根据灰度光强梯度差异排除光源区域；4)计算光强度获得亮度图；5)计算光强度获得暗通道；6)对比亮度图和暗通道获得暗点，通过暗点像素值计算获得大气光强衰减参数；7)将大气光强衰减参数与大气悬浮物光强曲线对比获得大气悬浮物浓度。进一步改进所述的大气悬浮物检测方法，实施步骤2)时，区分天空区域和其他场景区域并标注，采用以下方法；Idark(x，y)＝min(m，n)∈Ω(x，y)minc∈{R，G，B}I(m，n，c)；其中，I(m，n，c)表示图像中位于(m，n)位置，c是颜色通道像素值，Idark(x，y)是阈值通道，Ω(x，y)是中心为(m，n)位置的滤波器；确定天空与其他场景的基本位置，通过阈值Ts、To进行标注；Ts＝Tc+k(255-Tc)；To＝Tc-kTc；将亮度大于Ts的区域标注为天空区域S，将亮度小于To的区域标注为其他场景区域O，最小化以下能量函数；E(L)＝αR(L)+B(L)；Ω(L)表示像素点L的四邻域，Δ(L)表示以下关系；将所有像素点的能量函数最小化后，获得每个像素是天空区域或其他场景区域的标注。进一步改进所述的大气悬浮物检测方法，实施步骤3)时，对于函数f(x，y)，f在坐标(x，y)处的光强梯度定义为二维列向量：其中表示函数在x方向上的导数，表示函数在y方向上的导数，光强梯度是在(x，y)处f的最大变化率的方向，选取灰度梯度大的点集或线作为天空区域与光源区域的边缘，从而排除光源区域。进一步改进所述的大气悬浮物检测方法，实施步骤4)时，采用以下公式计算光强形成亮度图；L(i，j)＝0.299IR(i，j)+0.587IG(i，j)+0.114IB(i，j)；其中0.299、0.587、0.1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大气悬浮物检测系统，基于机器视觉，其特征在于，包括：图像拍摄模块、图像预处理模块、图像理模块和大气悬浮物浓度计算模块；图像拍摄模块，拍摄大气图像；图像预处理模块，对大气图像进行亮度信息统计，根据亮度信息区分天空区域和其他场景区域，并对大气图像每个像素进行区域标注；图像理模块，获取光强梯度，根据灰度光强梯度差异排除光源区域，计算光强度获得亮度图，计算光强度获得暗通道，对比亮度图和暗通道获得暗点，通过暗点像素值计算获得大气光强衰减参数；大气悬浮物浓度计算模块，将被检测大气图像的大气光强衰减参数与大气悬浮物光强曲线对比获得大气悬浮物浓度。

【技术特征摘要】
1.一种大气悬浮物检测系统，基于机器视觉，其特征在于，包括：图像拍摄模块、图像预处理模块、图像理模块和大气悬浮物浓度计算模块；图像拍摄模块，拍摄大气图像；图像预处理模块，对大气图像进行亮度信息统计，根据亮度信息区分天空区域和其他场景区域，并对大气图像每个像素进行区域标注；图像理模块，获取光强梯度，根据灰度光强梯度差异排除光源区域，计算光强度获得亮度图，计算光强度获得暗通道，对比亮度图和暗通道获得暗点，通过暗点像素值计算获得大气光强衰减参数；大气悬浮物浓度计算模块，将被检测大气图像的大气光强衰减参数与大气悬浮物光强曲线对比获得大气悬浮物浓度。2.如权利要求1所述的大气悬浮物检测系统，其特征在于：区分天空区域和其他场景区域并标注，采用以下方法；Idark(x，y)＝min(m，n)∈Ω(x，y)minc∈{R，G，B}I(m，n，c)；其中，I(m，n，c)表示图像中位于(m，n)位置，c是颜色通道像素值，Idark(x，y)是阈值通道，Ω(x，y)是中心为(m，n)位置的滤波器；确定天空与其他场景的基本位置，通过阈值Ts、To进行标注；Ts＝Tc+k(255-Tc)；To＝Tc-kTc；将亮度大于Ts的区域标注为天空区域S，将亮度小于To的区域标注为其他场景区域O，最小化以下能量函数；E(L)＝αR(L)+B(L)Ω(L)表示像素点L的四邻域，Δ()表示以下关系；将所有像素点的能量函数最小化后，获得每个像素是天空区域或其他场景区域的标注。3.如权利要求1所述的大气悬浮物检测系统，其特征在于：对于函数f(x，y)，f在坐标(x，y)处的光强梯度定义为二维列向量：其中表示函数在x方向上的导数，表示函数在y方向上的导数，光强梯度是在(x，y)处f的最大变化率的方向，选取灰度梯度大的点集或线作为天空区域与光源区域的边缘，从而排除光源区域。4.如权利要求3所述的大气悬浮物检测系统，其特征在于：采用以下公式计算光强形成亮度图；L(i，j)＝0.299IR(i，j)+0.587IG(i，j)+0.114IB(i，j)；其中0.299、0.587、0.114是RGB亮度计算公式的固有参数，IR(i，j)、IG(i，j)、IB(i，j)是指此处在RGB三个通道的像素值。5.如权利要求4所述的大气悬浮物检测系统，其特征在于：采用以下公式计算光强度获得暗通道；M(i，j)＝min(s，t)∈Ω(i，j)minc∈{R，G，B}Ic(s，t)；c为通道，可选范围为{R，G，B}，(s，t)为候选暗点位置，取值范围为Ω(i，j)，Ω(i，j)是局部最小窗范围，即最小滤波。6.如权利要求5所述的大气悬浮物检测系统，其特征在于：采用以下方式获得暗点；选取同位置处亮度图和暗通道光强度值相差在第一阈值内，且满足如下不等式的点作为暗点；L(i，j)-M(i，j)≤ε；L(i，j)为亮度值，M(i，j)为暗通道值，ε为自定义阈值。7.如权利要求6所述的大气悬浮物检测系统，其特征在于：采用以下方式计算大气光强衰减参数；光强度衰减误差函数，β是等价于测量数据的最小二乘拟合，通过最小化光强度衰减误差函数θ抑制单个点光强测量和计算过程中带来的误差，获得解：β是大气光强衰减参数，γ是表征平滑约束程度的平滑系数，是矩阵简化，是矩阵简化，βo是结合历史值建立的参考模型大气光强衰减参数值。8.如权利要求7所述的大气悬浮物检测系统，其特征在于：大气悬浮物浓度计算模块获取大气悬浮物浓度历史数据形成大气悬浮物浓度数据库，统计大气悬浮物浓度和该大气悬浮物浓度下大气图片的大气光强衰减参数之间线性相关度形成大气悬浮物光强曲线，P＝325.4β-194.8，P是大气悬浮物浓度，β是大气光强衰减参数，根据被检测大气图片的光强衰减参数查询大气悬浮物光强曲线获得大气悬浮物浓...

【专利技术属性】
技术研发人员：栗工，芦勇，刘翔，罗来军，解博，
申请(专利权)人：联创汽车电子有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31