一种用于高速公路全天候的能见度估计方法的装置及方法

技术领域

本发明涉及光电领域，尤其是涉及一种用于高速公路全天候的能见度估计方法的装置及方法。

背景技术

目前的能见度估计的方法中主要有以下几种：

(1)基于颜色特征的雾天能见度估计方法。首先将RGB颜色空间转换到HSV空间，然后提取HSV各通道的特征，通过颜色特征将天气划分为非雾天、小雾天、大雾天。

(2)基于多种传感器联合的方法。采用多种传感器，包括有透雾摄像机、温度传感器、湿度传感器等，通过对比是否透雾前后图像的直方图，并联合温度和湿度综合判断是否为雾天。

(3)基于暗原色通道的方法，该方法的基本理论是雾天退化模型，首先通过提取有雾图像的暗原色通道图像，然后利用估计出透射率图像。通过直接对原始雾天图像标注能见度，然后利用透射率图像直接估计能见度。通过在图像中标记观测点，利用观测点的深度信息与透射率图像计算出场景的能见度。

(4)基于多靶标的方法，该方法通过在不同的距离设置靶标，然后不同靶标之间的亮度差值来估计能见度。

然而现有技术存在如下缺点：1、基于颜色特征、暗原色通道方法只能处理白天场景，无法处理晚上能见度估计。2、基于多传感器的方法过于复杂，成本较高。3、基于多光源的方法，环境会对不同距离的光源造成不同的影响，同时多个光源的亮度的一致性与稳定性也难以保证，从而会造成一定的精度损失；另外在高速公路上取电比较困难，并且存在光衰现象，后期维护成本相对较高。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的如下技术问题：

1、全天候能见度估计的问题：现有的雾天退化模型仅适合于白天，无法满足晚上等难以看到观测点时的情况。

2、有源靶标的问题：随着时间的推移，有源靶标会在一定层度上产生光衰现象；有源靶标面临的一个重要问题就是要取电，在高速公路上取电比较困难。

3、高速公路晚上复杂环境光的影响：高速公路晚上车辆的远光灯，灯光的种类包括：光谱、光强，光源与靶标的距离不同，以及同时多个光源等因素对结果会造成巨大的影响；

提供一种用于高速公路全天候的能见度估计方法的装置及方法。

本发明主要采用如下技术方案：

一种用于高速公路全天候的能见度估计方法的装置，其特征在于，包括设置在公路旁的若干靶标以及与靶标连接的图像处理装置，所述靶标包括遮光板以及背板，图像处理装置包括摄像头以及与摄像头连接的计算机；所述靶标背板是由的两个正方形拼接而成，上方正方形中间区域为黑色，外部区域为白色；下方正方形中间区域为白色，外部区域为黑色，遮光板安装在背板的左右两侧，遮光板表面涂为黑色。

在上述的一种用于高速公路全天候的能见度估计方法的装置，靶标背板是由边长为100厘米的两个正方形拼接而成，上面正方形的背景为白色，中间80厘米的正方形区域为黑色；下面正方形背景为黑色，中间80里面的正方形区域为白色；遮光板安装在背板的左右两侧，与背板的夹角为120度。

在上述的一种用于高速公路全天候的能见度估计方法的装置，图像处理装置中，计算机通过网络获取摄像头画面，分别计算画面中靶标背板上正方形黑色区域与下正方形白色区域的亮度值，并通过这两个区域的亮度值估计出此时的能见度。

一种高速公路全天候的能见度估计方法，其特征在于，包括：

白天能见度估计基于以下公式：

其中d1，d2分别是靶标M1和靶标M2距离摄像头的距离，B

夜晚能见度估计基于以下公式：

其中，B

在上述的一种高速公路全天候的能见度估计方法，在计算能见度之前，还包括判断当前时刻是白天或晚上的步骤：

在上述的一种高速公路全天候的能见度估计方法，在计算能见度之前，还包括判断当前帧是否满足单一光源条件的步骤：

将图像中两个靶标中间的路面区域划分n个部分，计算每个部分亮度均值meani，如果满足条件mean1

在上述的一种高速公路全天候的能见度估计方法，在计算能见度之前，再获取某个时刻后的能见度后，需要在时域上对单个测量点进行平滑的方式为：

因此，本发明具有如下优点：

本发明有如下优点：

1、靶标的设计：采用无源靶标，靶标设计为黑、白两部分。和传统靶标不同之处就是增加白色部分，由于白色可以反射所有光谱，因此可以作为夜间反射光源使用；同时在靶标两侧增加遮光板，减小侧边光源的影响。由于采用的是无源靶标，摒弃了有源靶标存在的光衰、取电等问题。

2、从复杂环境光中过滤出单一环境光数据：将两靶标中间路面区域划分为多个区域块，计算每个区域块的亮度均值，通过判断各区域块的亮度均值之间的关系是否满足单一环境光条件，从而过滤出有效的单一环境光数据，用于能见度计算。

附图说明

图1是靶标主视结构示意图。

图2是全天后能见度整体平面图。

图3是全天候能见度估计总体流程图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本发明方法是一种高速公路全天候能见度估计方法与装置，该方法由多个无源靶标及图像采集设备组成。其中靶标颜色与形状、靶标及图像采集设备的安装位置如图1所示。其中靶标安装在道路右侧，图像采集设备安装在龙门架上，高于靶标高度。

本发明在不同的距离安装多个靶标，以2个靶标为例，根据图1的各设备的位置关系进行公式推导如下。

一、白天能见度

对于白天本发明采用双亮度差进行能见度估计，公式为：

其中d1，d2分别是靶标1和靶标2距离摄像头的距离，B

二、晚上能见度

双光源法是一种夜间能见度测量的有效方法，是指通过测量两个真实亮度相同，经过不同长度气柱衰减之后的目标光源视亮度，获取大气消光系数，从而计算大气能见度。假设目标光源真实光照强度为B，经过长度为d衰减后，变成视亮度B`，两者的关系为：B`＝Be

本发明利用白色可以反射所有光谱的特性，故将靶标白色区域的反射光作为目标光源，能见度的公式推导如下所示：

假设两个靶标中间区域没有发光体，汽车的灯光光照强度为B

汽车灯光经过衰减到靶标1的光照强度为：B

汽车灯光经过衰减到靶标2的光照强度为：B

经过靶标1白色部分反射，摄像头探测到靶标1白色区域的视亮度为：

B`

经过靶标2白色部分反射，摄像头探测到靶标2白色区域的视亮度为：

B`

将公式(2)，公式(3)分别带入公式(4)，公式(5)，可得到：

B`

B`

将公式(6)，公式(7)相除，取对数可得：

根据公式(8)可计算出大气消光系数：

根据公式(9)即可计算出此时的能见度：

其中，B

对比公式(1)与公式(10)，可以发现，两者的形式非常相似，仅光源来源不一样，白天采用的是天空亮度，晚上采用的是靶标的白色区域的反射亮度，本发明以上述理论为依据，实现一套简易可行的全天候能见度检测方法与装置。

三、本发明的总体实施流程图如图2所示，步骤如下：

1、用图像采集设备采集图像。

2、分别计算两个靶标白色区域和黑色区域的平均亮度值。

作用是计算出公式(1)中的参数B

分别计算两个靶标白色区域和黑色区域的平均亮度值的计算方式为：

3、判断当前时刻是白天还是晚上。

4、如果是白天，计算天空亮度值，则根据公式(1)计算能见度值。

5、如果是晚上，判断当前帧是否满足单一光源条件，如果满足，则根据公式(10)计算能见度值。

6、在时域上对单个测量点进行平滑。将平滑结果作为当前能见度输出值。

步骤5中判断当前帧是否满足单一光源条件的方法为：

将图像中两个靶标中间的路面区域划分n个部分，如图1中的r1,r2,r3,r4,r5,r6，计算每个部分亮度均值meani，如果满足条件mean1

本步骤作用是为了减小环境光的影响，该步骤在夜间能见度估计中会用到，因为通过实验发现，夜间只有在单一光源的情况下该方法估计的能见度误差相对较小，所以通过该方法过滤掉不满足单一光源条件的数据，减小计算误差。

步骤6中在时域上对单个测量点进行平滑的方式为：

本步骤作用也是为了减小误差，对于同一地点，能见度不会突变，所以将一段时间内的能见度值的平滑值作为输出，减小输出误差。该步骤在白天和夜间都会用，公式(1)、(10)计算的是一个时刻的能见度，步骤6是将多个连续时刻计算值进行平均作为输出。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。