基於立體成像的雨滴譜和其它降水微物理特徵的觀測方法
2023-11-04 18:03:37
基於立體成像的雨滴譜和其它降水微物理特徵的觀測方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於立體成像的雨滴譜和其它降水微物理特徵的觀測方法，通過兩個或多個相機對觀測區域內的自然下落雨滴進行成像，通過圖像匹配，實現雨滴圖像的三維重建，從雨滴的三維圖像中得到雨滴的尺度、形狀、方向、傾斜角、雨滴譜等信息。本發明採用立體成像方法，獲取固定空間體積中的雨滴三維形態和分布狀況，可以同時獲取雨滴譜、雨滴速度、雨滴方向等多種降水微物理特徵，操作簡單，測量準確。
【專利說明】基於立體成像的雨滴譜和其它降水微物理特徵的觀測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及自然降水的觀測計算領域，尤其涉及一種基於立體成像的雨滴譜和其 它降水微物理特徵的觀測方法。
【背景技術】
[0002] 雨滴譜是單位體積內各種大小雨滴的數量隨其直徑的分布。降水作為一種天氣現 象與人們的生產生活關係密切。近年來，氣象觀測、人工影像天氣、環境保護等領域對雨滴 譜觀測對要求越來越高，不僅對雨滴譜的觀測精度要求進一步提高，對雨滴速度、方向、形 狀等微觀指標也提出了觀測需求。傳統的雨滴譜觀測方法，如雷射法、斑跡法、麵粉球法、照 相法等方法難以滿足當前一些領域對雨滴譜的高精度、多指標觀測。
[0003] 雨滴譜常見的觀測方法是使用光電二極體、CCD或其它感光設備對自然下落狀態 的雨滴進行成像或信號探測，採用類似方法的雷射雨滴譜儀器已經被廣泛應用。此類方法 的弊端是無法獲取雨滴的運動速度、方向等信息，無法全面描述雨滴等微觀特性。
【發明內容】
[0004] 本發明目的就是為了彌補已有技術的缺陷，提供一種基於立體成像的雨滴譜和其 它降水微物理特徵的觀測方法。
[0005] 本發明是通過以下技術方案實現的： 一種基於立體成像的雨滴譜和其它降水微物理特徵的觀測方法，通過兩個或多個面陣 相機，在常亮或頻閃的照明條件下，對限定區域內自然下落狀態的雨滴進行成像，通過圖像 匹配或空間映射的方法將兩個或多個相機獲得的若干幀二維圖像轉換成三維圖像，通過計 算三維圖像中雨滴的像素尺度乘以圖像坐標系與世界坐標系的變換係數得到雨滴的尺度； 通過計算三維圖像中雨滴基於邊界的形狀特徵和基於區域的形狀特徵，或兩種特徵的組合 得出雨滴的形狀；通過連續多幀雨滴圖像，運用圖像跟蹤方法對雨滴的軌跡進行描述，從運 動軌跡中獲得雨滴的速度、方向和傾斜角；通過計算的雨滴的尺度和觀測區域體積，計算單 位體積內各種大小雨滴的數量隨其直徑的分布，從而獲得雨滴譜參數。
[0006] 所述的兩個或多個相機為面陣相機，相機之間呈一定的角度或存在一定的空間位 移，所呈角度或相對位移是根據立體成像中的圖像匹配要求具體設定，面陣相機可採用的 鏡頭包括遠心鏡頭、望遠鏡頭、縮放鏡頭。
[0007] 所述的常亮照明條件是指使用發光體對觀測區域進行照明，觀測過程中發光體持 續發光；所述的頻閃照明條件是指使用具有頻閃功能的發光體對觀測區域進行照明，觀測 過程中發光體頻閃發光。
[0008] 所述的限定區域是指使用隔水材料製成的上端開口的半封閉空間，上端開口為雨 滴採集窗口，雨滴從雨滴採集窗口落入圖像採集區域。
[0009] 本發明的優點是：本發明採用立體成像方法，獲取固定空間體積中的雨滴三維形 態和分布狀況，可以同時獲取雨滴譜、雨滴速度、雨滴方向等多種降水微物理特徵，操作簡 單，測量準確。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010] 圖1為本發明工作原理框圖。
[0011] 圖2為本發明實施例結構圖。
【具體實施方式】
[0012] 如圖1所示，一種基於立體成像的雨滴譜和其它降水微物理特徵的觀測方法，通 過兩個或多個面陣相機，在常亮或頻閃的照明條件下，對限定區域內自然下落狀態的雨滴 進行成像，通過圖像匹配或空間映射的方法將兩個或多個相機獲得的若干幀二維圖像轉換 成三維圖像，通過計算三維圖像中雨滴的像素尺度乘以圖像坐標系與世界坐標系的變換系 數得到雨滴的尺度；通過計算三維圖像中雨滴基於邊界的形狀特徵和基於區域的形狀特 徵，或兩種特徵的組合得出雨滴的形狀；通過連續多幀雨滴圖像，運用圖像跟蹤方法對雨滴 的軌跡進行描述，從運動軌跡中獲得雨滴的速度、方向和傾斜角；通過計算的雨滴的尺度和 觀測區域體積，計算單位體積內各種大小雨滴的數量隨其直徑的分布，從而獲得雨滴譜參 數。
[0013] 所述的兩個或多個相機為面陣相機，相機之間呈一定的角度或存在一定的空間位 移，所呈角度或相對位移是根據立體成像中的圖像匹配要求具體設定，面陣相機可採用的 鏡頭包括遠心鏡頭、望遠鏡頭、縮放鏡頭。
[0014] 所述的常亮照明條件是指使用發光體對觀測區域進行照明，觀測過程中發光體持 續發光；所述的頻閃照明條件是指使用具有頻閃功能的發光體對觀測區域進行照明，觀測 過程中發光體頻閃發光。
[0015] 所述的限定區域是指使用隔水材料製成的上端開口的半封閉空間，上端開口為雨 滴採集窗口，雨滴從雨滴採集窗口落入圖像採集區域。
[0016] 實施例：如圖2所不，兩個面陣相機1處於同一水平面，成像光軸交角為90度，在 兩個面陣相機1的對面分別設置照明光源4,採用遠心鏡頭作為成像光路。落入採集窗口 2的雨滴3即落入成像視場，兩個正交的相機從兩個方向同步對雨滴進行成像，圖像發送至 計算機，計算機將二維圖像轉換為三維圖像，實現了雨滴三維圖像的獲取。藉助圖像分析算 法，對連續拍攝形成的三維圖像序列進行分析，結合空間測量技術和運動跟蹤技術，對雨滴 的尺度、運動速度和方向進行定量分析，從中測量得到雨滴譜信息和其它降水微物理特徵。
【權利要求】
1. 一種基於立體成像的雨滴譜和其它降水微物理特徵的觀測方法，其特徵在於：通過 兩個或多個面陣相機，在常亮或頻閃的照明條件下，對限定區域內自然下落狀態的雨滴進 行成像，通過圖像匹配或空間映射的方法將兩個或多個相機獲得的若干幀二維圖像轉換成 三維圖像，通過計算三維圖像中雨滴的像素尺度乘以圖像坐標系與世界坐標系的變換係數 得到雨滴的尺度；通過計算三維圖像中雨滴基於邊界的形狀特徵和基於區域的形狀特徵， 或兩種特徵的組合得出雨滴的形狀；通過連續多幀雨滴圖像，運用圖像跟蹤方法對雨滴的 軌跡進行描述，從運動軌跡中獲得雨滴的速度、方向和傾斜角；通過計算的雨滴的尺度和觀 測區域體積，計算單位體積內各種大小雨滴的數量隨其直徑的分布，從而獲得雨滴譜參數。
2. 根據權利要求1所述的基於立體成像的雨滴譜和其它降水微物理特徵的觀測方法， 其特徵在於：所述的兩個或多個相機為面陣相機，相機之間呈一定的角度或存在一定的空 間位移，所呈角度或相對位移是根據立體成像中的圖像匹配要求具體設定，面陣相機可採 用的鏡頭包括遠心鏡頭、望遠鏡頭、縮放鏡頭。
3. 根據權利要求1所述的基於立體成像的雨滴譜和其它降水微物理特徵的觀測方法， 其特徵在於：所述的常亮照明條件是指使用發光體對觀測區域進行照明，觀測過程中發光 體持續發光；所述的頻閃照明條件是指使用具有頻閃功能的發光體對觀測區域進行照明， 觀測過程中發光體頻閃發光。
4. 根據權利要求1所述的基於立體成像的雨滴譜和其它降水微物理特徵的觀測方法， 其特徵在於：所述的限定區域是指使用隔水材料製成的上端開口的半封閉空間，上端開口 為雨滴採集窗口，雨滴從雨滴採集窗口落入圖像採集區域。
【文檔編號】G01W1/14GK104111485SQ201410345881
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月18日 優先權日:2014年7月18日
【發明者】夏營威, 張龍, 高震宇, 張文, 王澍, 李志剛, 桑瑤爍, 吳曉松, 劉勇 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院