[发明专利]基于地基云图的畸变校正方法

说明书

本发明涉及数字图像处理领域，为提出一种基于地基云图的畸变校正方法，本发明，首先，确定图像中像素到天顶的图像径向距离；然后，依据拟合得到的图像径向距离—天顶角公式，确定图像中像素的天顶角；继而，基于转换模型确定空间中像素到天顶的天空径向距离；确定天空图像径向距离和像素在天空图像中的坐标并完成映射；最后，对信息不完整的天空图像进行插值得到完整的畸变校正图像。本发明主要应用于数字图像处理场合。

技术领域

本发明涉及数字图像处理领域，尤其是涉及一种基于地基云图的畸变校正方法。

背景技术

天气图像是气象相关领域的重要数据之一，能够表征局部的大气状态，成为气象分析和气象监测等领域的重点研究目标。天气图像的采集由地基设备完成，采集的天气图像称为地基云图。地基设备实时监测局部天空，高时空分辨率地呈现云分布、光照分布等信息。分布式光伏电站功率预测模型研究中，云团的运动和分布是导致光伏功率变化的重要因素之一。为实现准确的云团运动预测以及光伏功率预测，需要开展地基云图的畸变校正，对地基设备采集到的地基云图进行校正，最终呈现出真实的天空状态。

本发明采用的地基设备是全天空成像仪(Total Sky Imagery，TSI)，TSI的成像系统由支撑臂悬挂在映射天空的半球镜的上方，因此地基云图中不仅存在简单的鱼眼镜头的畸变，还存在半球镜和穹顶状云层带来的复杂光学路径导致的畸变。现有的畸变校正方法有两种。第一种方法首先依据径向畸变的经验性分析调整像素位置，解决沿着径向方向的几何失真。进一步地，执行立体角修正以纠正图像中像素对应不同立体角的问题。由图像计算到的特征能够被这种方法校正，但是畸变校正处理的图像无法直接产生。另一种方法是基于几何变换使地基云图转换到天空坐标，首先拟合径向畸变中的天顶角-径向距离曲线，然后执行地基云图从球坐标到直角坐标网的转换。这种方法是当前的主流方法，效率高且准确度较好，然而模型的精度限制了该方法准确度的进一步提高，因此，急需提出一种基于更高精度模型的畸变校正方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种基于地基云图的畸变校正方法，首先，确定图像中像素到天顶的图像径向距离；然后，依据拟合得到的图像径向距离—天顶角公式，确定图像中像素的天顶角；继而，基于转换模型确定空间中像素到天顶的天空径向距离；确定天空图像径向距离和像素在天空图像中的坐标并完成映射；最后，对信息不完整的天空图像进行插值得到完整的畸变校正图像。

具体步骤如下：

步骤1确定图像径向距离和图像极角：

像素在图像中的位置由像素坐标系表示，坐标系原点位于图像左上角，横轴为列u，纵轴为行v，像素坐标指的是像素在图像中的行和列，单位为像素，为实现原始图像向畸变校正后天空图像的映射，采用径向映射方法，需要确定像素在图像中的极坐标——图像径向距离和图像极角，详细步骤如下：

1)、极坐标系的极点设为天顶，位于图像中天空区域的中心，像素坐标(u_o,v_o)，像素极坐标的极径，即图像中像素到天顶的径向距离，由如下公式计算：

其中，(u_I,v_I)为图像像素的像素坐标。图像径向距离表征了像素在原始图像中与天顶位置的远近；

2)、像素极坐标的极角φ，即图像中像素偏离正方向的角度，以表征地理位置中南方的垂直向下为起始方向，取顺时针方向为正方向，由如下公式计算：

极角的计算符合空间中天体坐标的理论描述，便于理解和后续映射；

步骤2确定图像中像素的天顶角：

空间中物体的位置由天体坐标系表示，为构建图像中像素坐标与空间中天体坐标的映射关系，建立图像像素坐标的图像径向距离与空间天体坐标的天顶角之间的关系，并由此确定图像中像素的天顶角，具体步骤如下：