南信大專區(qū)
基本信息
- 作品名稱：
- 新型地基全天空自動成像儀
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 小類：
- 機械與控制
- 簡介：
該儀器是一種用于云圖獲取、拼接、處理和云的定量分析與云狀分類識別的重要氣象儀器。該設備通過實測數(shù)據(jù)實時識別天空中云的狀態(tài)和趨勢，自動避光連續(xù)拍攝將圖片進行無縫拼接并自動編號歸類，實現(xiàn)全天空云圖觀測自動化，代替目前的人工觀測。克服了鏡像法鏡頭和太陽遮擋對圖像的損傷，魚眼鏡頭產(chǎn)生的圖像畸變和無法單獨保存重點圖像的缺陷。儀器主要包括云臺、圖像采集裝置、圖像處理與拼接軟件、圖像識別軟件和通信系統(tǒng)等5部分。
- 詳細介紹：
一、總體設計方案
(1)云臺
單片機(PIC)控制兩個步進電機，經(jīng)機械傳動實現(xiàn)相機按照預設的范圍定時定方位拍攝。通過對采集的圖片運用特殊的圖像處理方法進行拼接，實現(xiàn)對全天空云圖的準備描述。
(2)圖像采集裝置
在單片機控制下按照規(guī)定方位進行拍攝云圖，一次連續(xù)拍攝12幅圖，通過控制發(fā)給步進電機分配器的頻率脈沖實現(xiàn)。
(3)圖像處理與拼接軟件：對拍攝的云圖進行預處理和拼接
(4)圖像識別軟件：云圖拼接完成以后，通過與圖庫中云的樣圖進行比對，根據(jù)特征識別出云狀等信息并進行歸類。
(5)通信系統(tǒng)：負責把采集的圖像傳輸給計算機共處理、拼接和模式識別，目前采用的是有線連接。
地基全天空自動成像儀的硬件部分主要分為機械部分和電氣部分。
二、技術要點與計算關鍵
(1) 圖像采集及拼接【附加材料 圖二-拼接算法】
①理論基礎與實現(xiàn)步驟(圖5)
規(guī)定一個相機的初始掃描位置，并在此基礎上使相機繞坐標原點轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)對各區(qū)域天空的掃描拍照。
②算法實現(xiàn)：求圖像上的任意一點(Po)的方位角和仰角， 然后以圖像中心為基準實現(xiàn)每個像素的映射。
第一步：求Po點的坐標：Pox=0,Poy=OPoxcos∠PoOEo，Poz=Opoxsin∠PoOEo
得到平面AoBoCoDo方程： Pox?x(x-Pox)+Poy(x- Poy)+Poz(x- Poz)=0
第二步：求圖像上任意像元 P的坐標
Px=Pox+Opo?tan∠MOP
Py=Poy+Opo?tan∠NOPo?cos∠GoEoO
Pz=(OP?OP-Pox?Px-Poy?Py)/Poz
第三步：實現(xiàn)映射(圖27)
③采集路徑規(guī)劃【附加材料 圖三-采集路徑規(guī)劃】
為了讓相機避開正對太陽，我們準備通過相機所在區(qū)域的太陽運行軌跡和時間關系，計算出拍攝時的太陽方位，實現(xiàn)自動避讓。在做避讓路徑規(guī)劃中，需對太陽的運動軌跡、地球的自轉(zhuǎn)與時差、太陽高度角隨著地方時和太陽的緯度的變化規(guī)律等進行討論。
(2) 圖像識別
①地基云圖的紋理特征參數(shù)提取
②基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡和基于最小分類器的兩種不同分類方法，并對兩種分類識別方法做了對比。
(3)多特征融合分類
①多特征提取
②分類器選擇。
③基于投票系統(tǒng)的多特征融合方法。
④上位機程序界面【附加材料 圖四-界面程序】- 獲獎情況：
第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品 三等獎
一、考核應用與鑒定證明
中國氣象局氣象探測綜合試驗基地、大氣物理與大氣環(huán)境重點開放實驗室（2011年6月4日）
二、評價證明
省氣象局觀測與網(wǎng)絡處（2011年4月10日）
三、論文
The Time-Frequency Resolution of Short Time Fourier Transform Based on Multi-window Functions；Advanced Materials Research Vol. 214 (2011) pp 122-127?（EI）。
