[論文レビュー] WAHRSIS: A Low-cost, High-resolution Whole Sky Imager With Near-Infrared Capabilities

Soumyabrata Dev, Florian M. Savoy+2 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2016

Image Enhancement Techniques参考文献 8被引用数 4

ひとこと要約

WAHRSIS は、市販部品を用いて構築された低コストで高解像度の全天カメラであり、近赤外線感度とモーター駆動式の太陽遮光装置を備えています。Canon EOS Rebel T3i と Sigma 4.5mm ファイズアイレンズを用いて、5184×3456 解像度で全方向の空の画像を撮影し、幾何学的および放射計測的キャリブレーションにより、信号減衰の研究に適した正確な雲の分析を可能にします。総費用は約 $2,525 です。

ABSTRACT

Cloud imaging using ground-based whole sky imagers is essential for a fine-grained understanding of the effects of cloud formations, which can be useful in many applications. Some such imagers are available commercially, but their cost is relatively high, and their flexibility is limited. Therefore, we built a new daytime Whole Sky Imager (WSI) called Wide Angle High-Resolution Sky Imaging System. The strengths of our new design are its simplicity, low manufacturing cost and high resolution. Our imager captures the entire hemisphere in a single high-resolution picture via a digital camera using a fish-eye lens. The camera was modified to capture light across the visible as well as the near-infrared spectral ranges. This paper describes the design of the device as well as the geometric and radiometric calibration of the imaging system.

研究の動機と目的

• 詳細な雲のモニタリングと大気信号減衰分析のためのコスト効率が良く、高解像度の全天カメラの開発。
• 商業用 WSI の限界、たとえば高コスト、低解像度、カスタマイズの欠如を克服すること。
• 雲検出および大気特性の特徴化の向上のため、近赤外線撮影を可能にすること。
• シンガポール全域にスケーラブルな WSI ネットワークを展開し、リアルタイムでの雲カバーと移動の追跡を可能にすること。
• 幾何学的および放射計測的補正を完全に施した、正確な空の画像を提供するキャリブレーション済みの画像システムを提供すること。

提案手法

• 本システムは、180°の視野角と 5184×3456 ピクセルの解像度を実現するため、Canon EOS Rebel T3i カメラボディに Sigma 4.5mm F2.8 EX DC HSM 円形ファイズアイレンズを組み合わせています。
• センサーの改造により、近赤外スペクトルへの感度が拡張され、マルチスペクトルの空の画像撮影が可能になりました。
• Arduino で制御され、Jean Meeus のアルゴリズムに従って制御されるモーター駆動式の太陽遮光装置により、直達日光の反射を低減し、ちらつきを軽減しています。
• 球体ターゲットとカスタムアルゴリズムを用いた幾何学的キャリブレーションにより、ピクセル座標を空の角度に正確にマッピングしています。
• 色収差とヴィンゼティングの補正のため、グレースケールおよび色チャネル別に個別に処理する放射計測的キャリブレーションを実施しています。
• ヴィンゼティング補正には、統合スフィアからの輝度プロファイルの移動平均を用い、各絞り設定ごとに補正係数を計算しています。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 市販部品を用いて低コストで高解像度の全天カメラを構築することは可能か？
• RQ2 近赤外線感度は、雲検出および大気分析の効果をどの程度向上させるか？
• RQ3 カスタムキャリブレーションパイプラインにより、どの程度の幾何学的および放射計測的正確性が達成できるか？
• RQ4 ヴィンゼティングは異なる絞り設定によってどのように変化するか？また、効果的に補正できるか？
• RQ5 リアルタイムの天文学的計算を用いたモーター駆動式の太陽遮光装置は、太陽の位置を正確に追跡できるか？

主な発見

• WAHRSIS は、商業用の代替品（例：TSI-880）と比較して顕著に低いコストである $2,525 で、市販部品を用いて構築されました。
• 本システムは 5184×3456 解像度で全天空画像を撮影でき、高精度な雲構造の分析が可能になりました。
• センサーの改造により、近赤外線感度が成功裏に実現され、雲およびエアロゾルの研究のためのスペクトル能力が拡張されました。
• 球体ターゲットと反復最適化を用いた幾何学的キャリブレーションにより、ピクセルから空の角度への正確なマッピングが達成されました。
• 放射計測的キャリブレーションにより色収差が低減され、色チャネル別補正により、画像の均一性が著しく向上しました。
• 統合スフィアからの輝度プロファイルを用いて、各絞り設定ごとにヴィンゼティング補正係数を計算し、径方向の明るさの非均一性を効果的に低減しました。