李小磊，秦會(huì)斌

（杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310000）

0 引言

能見度的觀測是大氣探測學(xué)的重要組成部分，其觀測結(jié)果對(duì)海運(yùn)、陸運(yùn)以及空運(yùn)等交通領(lǐng)域有著重要的影響。近年來低能見度的天氣經(jīng)常造成高速公路堵塞、封路甚至車禍，對(duì)高速公路行車安全造成了很大威脅。且高速公路部分路段很容易出現(xiàn)團(tuán)霧現(xiàn)象。團(tuán)霧主要受局部地區(qū)微氣候環(huán)境的影響而產(chǎn)生，在團(tuán)霧中，數(shù)十米到上百米的局部范圍內(nèi)，視線一片朦朧。團(tuán)霧區(qū)域性強(qiáng)，氣象部門難以實(shí)時(shí)觀測，對(duì)交通安全極具危害性，容易釀成重大交通事故。

目前，用于高速公路的能見度檢測儀價(jià)格昂貴，無法沿線密集架設(shè)，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)能見度的全程監(jiān)測。為此本文提出了基于視頻圖像處理的高速公路能見度檢測方法，利用交通部門在高速公路沿線架設(shè)的監(jiān)控?cái)z像機(jī)，實(shí)時(shí)提取視頻數(shù)據(jù)，通過圖像處理技術(shù)計(jì)算能見度，實(shí)現(xiàn)全路段、全天候?qū)崟r(shí)的能見度檢測。

1 能見度測量原理

一般意義上的能見度是指：能從背景中分辨出目標(biāo)物輪廓和形體的最大距離。在日常生活中，以觀測者從遠(yuǎn)處逐漸走近目標(biāo)物，直至將目標(biāo)物從背景上辨認(rèn)出來時(shí)的最大距離為某時(shí)刻的能見度。目標(biāo)物能見與否，不僅取決于目標(biāo)物本身亮度，更主要取決于它同背景的亮度差異，表示這種差異的指標(biāo)是亮度對(duì)比。設(shè)目標(biāo)物表面的固有亮度為BO，背景的固有亮度為BS（這里背景S主要是水平天空的亮度），則亮度對(duì)比關(guān)系CL定義為：

當(dāng)BS=BO，CL=0，表示二者無亮度差異，無法從背景中分辨出目標(biāo)物。當(dāng) BO=0且BS≠0時(shí)，此時(shí)目標(biāo)物為絕對(duì)黑體，亮度對(duì)比最大，CL=1。

根據(jù)柯什密得（Koschmieder）定律，目標(biāo)物的視亮度是目標(biāo)物固有亮度經(jīng)過空氣層衰減后的亮度與目標(biāo)物到觀測者之間的空氣層所產(chǎn)生的氣慕光亮度之和，即：

式中，BO′為目標(biāo)物的固有亮度經(jīng)過距離為L空氣層削弱后的視亮度，σ為大氣消光系數(shù)。氣慕光的強(qiáng)度隨著水平空氣長度的增加而增加，當(dāng)空氣柱為無窮長時(shí)，天空視亮度BS′與其固有亮度相等，即 BS=BS′，由（2）式變形得：

與目標(biāo)物和背景的固有亮度對(duì)比相似，可以定義目標(biāo)物和背景的視亮度對(duì)比為：

將（1）、（4）代入（3）式得：

國際民航組織（ICAO）選定，當(dāng)目標(biāo)物為標(biāo)準(zhǔn)黑色物體，從背景中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)物時(shí)的視感閥ε=C′LCL=0.05，推得最大能見距離與消光系數(shù)的關(guān)系為：

由上式可知，能見度只與大氣消光系數(shù)有關(guān)系，本設(shè)計(jì)中采用雙亮度差法分別求出白天和夜間的大氣消光系數(shù)，進(jìn)而求出白天和夜晚的能見度。

2 能見度檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)雙亮度差法原理，設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，目標(biāo)參照物1、2需要人工搭建，由光源和黑體兩個(gè)同心圓構(gòu)成。由于目標(biāo)物的視張角θ=3.4×（a×b）1/2會(huì)影響人眼視力對(duì)比閾值 ε，其中 0.5°〈θ〈5°，a為目標(biāo)物的高度，b為目標(biāo)物的寬度，L為觀測點(diǎn)到目標(biāo)物的距離，為了便于在視頻圖像中提取目標(biāo)物，設(shè)計(jì)目標(biāo)物光源和黑體的半徑分別為r=30cm，R=2r，攝像頭和目標(biāo)參照物必須安裝在同一高度。在攝像頭前端加上遮光鏡筒，減少環(huán)境中各種散射光對(duì)攝像機(jī)采集的視頻圖像的干擾，也可以避免攝像機(jī)鏡頭長期暴露在野外環(huán)境而粘附灰塵、雨雪等雜物，有效降低背景噪聲對(duì)測量的影響。參照物中的光源為非聚光的面光源，可減弱CCD相機(jī)自動(dòng)增益而引發(fā)的光暈效果。D1、D2分別為參照物到攝像頭的距離，分別設(shè)置在20m和40m處。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)式（5）推導(dǎo)：

由式（1）（6）可得：

式中：BS1、BS2分別為參照物1、2對(duì)應(yīng)上方無限遠(yuǎn)處天空的固有亮度；BO1、BO2分別為參照物 1、2黑體（夜間時(shí)為光源）的固有亮度；B′S1、B′S2分別為參照物1、2對(duì)應(yīng)上方無限遠(yuǎn)處天空的視亮度；B′O1、B′O2分別為參照物1、2黑體（夜間時(shí)為光源）的視亮度。

在現(xiàn)場觀測環(huán)境中，兩個(gè)目標(biāo)參照物固有亮度相同，從觀測點(diǎn)到兩個(gè)目標(biāo)參照物背景視線的方向幾乎一致，使得有 BS1=BS2、BO1=BO2，黑體、光源以及背景天空的視亮度就是視頻圖像中該區(qū)域的灰度值，由式（8）推得：

將式（9）代入式（6）得到大氣能見度：

3 能見度檢測算法實(shí)現(xiàn)

基于視頻圖像處理的高速公路能見度檢測主要采用Visual Studio2012開發(fā)工具和MFC框架，同時(shí)引入OpenCV3圖像處理開源庫，使用C++編程語言，成功搭建了檢測系統(tǒng)。該檢測系統(tǒng)通過CCD攝像機(jī)采集視頻圖像，首先對(duì)采集的視頻圖像進(jìn)行圖像灰度化、高斯濾波預(yù)處理以減輕因沖擊噪聲而帶來的影響；通過視頻亮度檢測，判別是白天還是夜晚時(shí)刻；通過基爾霍夫圓變換定位檢測目標(biāo)參照物在視頻圖像中的位置；分割出目標(biāo)圖像作為興趣區(qū)域，提取各區(qū)域平均灰度值；計(jì)算出實(shí)時(shí)能見度，并提示此時(shí)的能見度對(duì)交通的影響。

圖2 算法實(shí)現(xiàn)流程圖

4 系統(tǒng)測試和實(shí)驗(yàn)分析

4.1 環(huán)境亮度檢測

由于白天和夜間采用的計(jì)算公式和目標(biāo)參照物對(duì)象有所不同，本方案實(shí)現(xiàn)全天候?qū)崟r(shí)檢測的難點(diǎn)之一是晝夜交替時(shí)刻的確定。為此進(jìn)行了場外實(shí)驗(yàn)，通過分析環(huán)境亮度的變化趨勢，判斷晝夜交替時(shí)刻。在實(shí)驗(yàn)中，分別選取了白天過渡到夜間的某一時(shí)間段、夜間過渡到白天的某一時(shí)間段，每30s截取一次圖像，分別取圖像中兩個(gè)參照物對(duì)應(yīng)上方天空區(qū)域的灰度均值，得到兩個(gè)過渡時(shí)間的灰度均值變化趨勢曲線圖，如圖3和圖4所示。

圖3 夜-晝過渡時(shí)間段灰度均值變化曲線圖

圖4 晝-夜過渡時(shí)間段灰度均值變化曲線圖

從圖3和圖4可以看出，在白天到夜間的過渡時(shí)間段，18：40之前天空區(qū)域灰度均值曲線基本穩(wěn)定，波動(dòng)范圍很小，18：40-19：00時(shí)間段灰度均值發(fā)生突變，19：00以后曲線又變得平穩(wěn)；在夜間過渡到白天時(shí)間段，4：50-5：20之間，曲線發(fā)生突變，而在這前后趨勢平穩(wěn)。由于天空區(qū)域灰度值變化幅度較為明顯，因此采用過渡條件為：當(dāng)檢測到天空區(qū)域灰度值大于150時(shí)，采用白天模式；當(dāng)檢測到天空區(qū)域灰度值小于150時(shí)，采用夜間模式。

4.2 能見度檢測實(shí)驗(yàn)分析

為了測試系統(tǒng)的檢測性能以及算法的實(shí)用性，選擇室外環(huán)境搭建了測試系統(tǒng)，測試時(shí)間從0：00-24：00，天氣為陰雨天氣，將檢測結(jié)果繪制成曲線圖，如圖5所示，其中虛線為實(shí)際能見度儀測得的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，實(shí)線為本系統(tǒng)檢測的結(jié)果。

圖5 能見度檢測對(duì)比圖

從圖5可以看出，使用能見度儀測得的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)與本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)基本吻合，在能見度緩慢變化和快速變化的時(shí)刻，都能取得比較理想的檢測結(jié)果。圖中曲線有幾處波動(dòng)較大，可能是環(huán)境反射光造成的影響。

5 結(jié)語

本文主要對(duì)雙亮度差法測量能見度進(jìn)行了研究，并對(duì)具體實(shí)施方法進(jìn)行了改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于視頻圖像處理的高速公路能見度檢測系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、全天候以及高精準(zhǔn)的檢測，可滿足高速公路的能見度檢測需求。