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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 新型地基全天空自動(dòng)成像儀
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)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(shí)別的重要?dú)庀髢x器。該設(shè)備通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)識(shí)別天空中云的狀態(tài)和趨勢(shì)，自動(dòng)避光連續(xù)拍攝將圖片進(jìn)行無(wú)縫拼接并自動(dòng)編號(hào)歸類，實(shí)現(xiàn)全天空云圖觀測(cè)自動(dòng)化，代替目前的人工觀測(cè)?？朔绥R像法鏡頭和太陽(yáng)遮擋對(duì)圖像的損傷，魚眼鏡頭產(chǎn)生的圖像畸變和無(wú)法單獨(dú)保存重點(diǎn)圖像的缺陷。儀器主要包括云臺(tái)、圖像采集裝置、圖像處理與拼接軟件、圖像識(shí)別軟件和通信系統(tǒng)等5部分。
- 詳細(xì)介紹：
- 一、總體設(shè)計(jì)方案 (1)云臺(tái) 單片機(jī)(PIC)控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，經(jīng)機(jī)械傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)相機(jī)按照預(yù)設(shè)的范圍定時(shí)定方位拍攝。通過(guò)對(duì)采集的圖片運(yùn)用特殊的圖像處理方法進(jìn)行拼接，實(shí)現(xiàn)對(duì)全天空云圖的準(zhǔn)備描述。 (2)圖像采集裝置 在單片機(jī)控制下按照規(guī)定方位進(jìn)行拍攝云圖，一次連續(xù)拍攝12幅圖，通過(guò)控制發(fā)給步進(jìn)電機(jī)分配器的頻率脈沖實(shí)現(xiàn)。 (3)圖像處理與拼接軟件：對(duì)拍攝的云圖進(jìn)行預(yù)處理和拼接 (4)圖像識(shí)別軟件：云圖拼接完成以后，通過(guò)與圖庫(kù)中云的樣圖進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)特征識(shí)別出云狀等信息并進(jìn)行歸類。 (5)通信系統(tǒng)：負(fù)責(zé)把采集的圖像傳輸給計(jì)算機(jī)共處理、拼接和模式識(shí)別，目前采用的是有線連接。 地基全天空自動(dòng)成像儀的硬件部分主要分為機(jī)械部分和電氣部分。 二、技術(shù)要點(diǎn)與計(jì)算關(guān)鍵 (1) 圖像采集及拼接【附加材料 圖二-拼接算法】 ①理論基礎(chǔ)與實(shí)現(xiàn)步驟(圖5) 規(guī)定一個(gè)相機(jī)的初始掃描位置，并在此基礎(chǔ)上使相機(jī)繞坐標(biāo)原點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各區(qū)域天空的掃描拍照。 ②算法實(shí)現(xiàn)：求圖像上的任意一點(diǎn)(Po)的方位角和仰角， 然后以圖像中心為基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)每個(gè)像素的映射。 第一步：求Po點(diǎn)的坐標(biāo)：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(biāo) Px=Pox+Opo?tan∠MOP Py=Poy+Opo?tan∠NOPo?cos∠GoEoO Pz=(OP?OP-Pox?Px-Poy?Py)/Poz 第三步：實(shí)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(jī)避開正對(duì)太陽(yáng)，我們準(zhǔn)備通過(guò)相機(jī)所在區(qū)域的太陽(yáng)運(yùn)行軌跡和時(shí)間關(guān)系，計(jì)算出拍攝時(shí)的太陽(yáng)方位，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避讓。在做避讓路徑規(guī)劃中，需對(duì)太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡、地球的自轉(zhuǎn)與時(shí)差、太陽(yáng)高度角隨著地方時(shí)和太陽(yáng)的緯度的變化規(guī)律等進(jìn)行討論。 (2) 圖像識(shí)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(luò)和基于最小分類器的兩種不同分類方法，并對(duì)兩種分類識(shí)別方法做了對(duì)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(jī)程序界面【附加材料 圖四-界面程序】
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 一、研發(fā)目的 研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的地基全天空自動(dòng)成像儀，希望能進(jìn)入氣象業(yè)務(wù)替代人工觀測(cè)，并形成批量生產(chǎn)能力，從而實(shí)現(xiàn)云的地基觀測(cè)完全儀器化、自動(dòng)化，獲取云的全面可靠客觀的觀測(cè)信息，為減輕惡劣環(huán)境對(duì)觀測(cè)人員的傷害提供可能。 二、基本思路 首先展開對(duì)國(guó)內(nèi)及國(guó)際上該領(lǐng)域相關(guān)信息的查詢，確定需求并摸清研究現(xiàn)狀、技術(shù)特點(diǎn)和存在的問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上確定研究思路和技術(shù)路線。再根據(jù)研究目標(biāo)找準(zhǔn)技術(shù)難點(diǎn)，確定五個(gè)部分分步實(shí)現(xiàn)的攻關(guān)思路。 三、創(chuàng)新點(diǎn) ①采用云圖拼接技術(shù)獲取全天象云圖，既減輕了魚眼鏡頭所產(chǎn)生的畸變對(duì)云圖質(zhì)量的影響，又能實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)云圖的單獨(dú)存儲(chǔ)和分析。 ②拼接技術(shù)與太陽(yáng)避讓相結(jié)合，獲取無(wú)遮擋全天象圖。 ③拍攝順序優(yōu)化、減少圖像冗余、無(wú)縫拼接。 ④探索云圖分類方法，實(shí)現(xiàn)云圖自動(dòng)分類。 四、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo) ①云臺(tái)裝置的位置控制 為了實(shí)現(xiàn)定位的準(zhǔn)確穩(wěn)定，要求云臺(tái)傳動(dòng)和控制裝置的精確定位。本作品通過(guò)0.9℃步進(jìn)電機(jī)配合機(jī)械傳動(dòng)和優(yōu)化算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。 ②拍攝軌跡規(guī)劃的完整性與周密性 避讓太陽(yáng)且保證正常拍攝；保證無(wú)縫拼接且盡量減少圖像冗余。 ③全天空?qǐng)D像無(wú)損無(wú)縫拼接的實(shí)現(xiàn) 必須根據(jù)圖像序列設(shè)計(jì)拼接算法以生成高質(zhì)量的可靠云圖資料，實(shí)現(xiàn)序列云圖的精確拼接。 ④云圖的自動(dòng)分類識(shí)別效果 除特征明顯的典型云類外，存在大量特征較為模糊的云系，其灰度和紋理特征非常復(fù)雜。因此要求有適合于地基云圖的圖像分割和云圖云狀的分類方法。目前本作品對(duì)典型云圖的識(shí)別率已達(dá)80%
科學(xué)性、先進(jìn)性
- ①采取多次成像法獲取原始圖像資料 通過(guò)無(wú)損無(wú)縫拼接獲取更真實(shí)的全天象云圖，不僅減輕了一次成像帶來(lái)的圖像畸變，同時(shí)為局部重點(diǎn)云圖的研究提供了基礎(chǔ)。 ②利用軌跡規(guī)劃直接避開太陽(yáng)影響，避免太陽(yáng)跟蹤遮擋器對(duì)圖像的影響 以拼接技術(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)拍攝日期、時(shí)間和當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度計(jì)算太陽(yáng)天頂角和方位角，控制相機(jī)的拍攝位置，避開太陽(yáng)直射光。利用邊緣融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫拼接，保證圖像的完整性與真實(shí)性。 ③優(yōu)化控制策略在保證無(wú)縫拼接的基礎(chǔ)上減少圖像冗余 通過(guò)最優(yōu)化算法規(guī)劃最優(yōu)天空?qǐng)D像采集路徑，優(yōu)化控制自動(dòng)獲取規(guī)定云圖，提高云圖的抓拍速度，并在同一批次圖像采集后自動(dòng)復(fù)位。 ④通過(guò)模式識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)云圖計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別、分類、歸檔 對(duì)云圖的紋理特征的提取和分析，將云發(fā)展變化的過(guò)程用數(shù)學(xué)的形式來(lái)加以表達(dá)，通過(guò)其紋理參數(shù)的比對(duì)進(jìn)行分類識(shí)別，并做歸檔處理。避免了依賴觀測(cè)員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工觀測(cè)的主觀隨意性，同時(shí)解決了由于測(cè)報(bào)人員流動(dòng)及觀測(cè)連續(xù)性有限造成的對(duì)云況多變的實(shí)際天空描述欠準(zhǔn)確問(wèn)題。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 一、考核應(yīng)用與鑒定證明 中國(guó)氣象局氣象探測(cè)綜合試驗(yàn)基地、大氣物理與大氣環(huán)境重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室（2011年6月4日） 二、評(píng)價(jià)證明 省氣象局觀測(cè)與網(wǎng)絡(luò)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）。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段（已經(jīng)過(guò)中國(guó)氣象局氣象探測(cè)綜合試驗(yàn)基地的考核應(yīng)用，并會(huì)同中國(guó)氣象局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了鑒定）
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 合作生產(chǎn)，技術(shù)入股。
作品可展示的形式
- 實(shí)物；視頻；圖紙；圖片等
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 一、技術(shù)優(yōu)勢(shì) ①全天空自動(dòng)成像，操作簡(jiǎn)單。且成本進(jìn)口儀器售價(jià)百分之一。 ②步進(jìn)電機(jī)結(jié)合限位開關(guān)及故障復(fù)位模塊，真正實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。 ③全天空?qǐng)D像無(wú)損采集無(wú)縫拼接，明顯優(yōu)于會(huì)產(chǎn)生圖像畸變的同類儀器，確保后續(xù)分析的準(zhǔn)確性。 ④獲取云圖后自動(dòng)分類歸檔,克服人工識(shí)別主觀性并留下可靠資料 ⑤拼接技術(shù)結(jié)合太陽(yáng)避讓，避免遮擋器破壞圖像完整性。 ⑥拍攝順序優(yōu)化，減少數(shù)據(jù)量且確保無(wú)縫拼接。 ⑦可對(duì)重點(diǎn)云圖單獨(dú)拍攝和分析。 二、適用范圍:在航空航天、海洋、軍事等領(lǐng)域均有重要應(yīng)用價(jià)值 三、推廣前景： ①市場(chǎng)需求大：初步估算我國(guó)目前有近5000個(gè)地基云觀測(cè)點(diǎn)，世界范圍內(nèi)也只有極少數(shù)國(guó)家實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)觀測(cè)。 ②前景廣闊：雖是專用性儀器，但打破了該領(lǐng)域的技術(shù)壟斷。相較于近80萬(wàn)元的進(jìn)口儀器，不足萬(wàn)元的成本可為我國(guó)氣象探測(cè)節(jié)約大量開支，并解決后期維護(hù)問(wèn)題。 四、拓展應(yīng)用空間：結(jié)合我們已完成的裝有氣象要素的遙控避障機(jī)器人，可用于危險(xiǎn)場(chǎng)所環(huán)境探測(cè)和輔助決策等。
同類課題研究水平概述
- 一、國(guó)外研究現(xiàn)狀 目前世界上地基全天空自動(dòng)成像儀器比較有代表性的是被美國(guó)ARM（Atmospheric Radiation Measurement）計(jì)劃采用的兩種儀器:WSI（Whole Sky Imager）和TSI（Total Sky Imager）全天空自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)。 馬里蘭大學(xué)終身教授李占清是研究云的專家，他的相關(guān)的研究成果曾發(fā)表在《Nature》和《Science》雜志上。北美《發(fā)現(xiàn)》電視臺(tái)和加拿大《環(huán)球郵報(bào)》曾對(duì)李占清教授在《Nature》雜志發(fā)表的有關(guān)云對(duì)太陽(yáng)能吸收的專論文章進(jìn)行了專題報(bào)道。2004年，作為境外出生在美工作的外裔科學(xué)家代表，李占清教授的照片還被登在5月28日出版的美國(guó)《Science》雜志封面。李占清教授在談到這個(gè)儀器時(shí)也只是從使用角度和外觀說(shuō)起，對(duì)其核心技術(shù)也是保密的。 一臺(tái)進(jìn)口儀器的價(jià)格大約需要83萬(wàn)元。這種儀器采用的是鏡像成想法，不僅鏡頭在凹鏡的正上方而且還有太陽(yáng)遮擋器，因此會(huì)對(duì)圖像產(chǎn)生較大遮擋。該儀器鏡面加工要求非常高，工藝十分復(fù)雜，國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有采用這種技術(shù)進(jìn)行研究的。 二、國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)進(jìn)行全天空成像的研究工作開展相對(duì)較晚，中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心、中科院大氣物理研究所和中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)等正在開展全天空成像觀測(cè)研究。 根據(jù)我們掌握的信息，目前全天空成像儀大都采用具有超廣角的魚眼鏡頭或者設(shè)計(jì)類似魚眼鏡頭的測(cè)云儀器，通過(guò)較大的廣角鏡頭一次獲取全天空?qǐng)D像，但是由于魚眼鏡頭自身的局限性，其投影方式導(dǎo)致圖像產(chǎn)生畸變，不能很好的反映天空云的分布、形態(tài)，具有較大的失真，與人眼觀測(cè)有一定的差異，因此影響了云圖的科學(xué)應(yīng)用。 另外，一次成像中為了避免太陽(yáng)光線對(duì)拍攝的影響，還不得不采用太陽(yáng)遮擋技術(shù)，結(jié)果使得圖像受損。特別是一次成像技術(shù)無(wú)法單獨(dú)保存局部重點(diǎn)云圖，對(duì)云圖的分析利用帶來(lái)不便。
