[论文解读] 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 4

一句话总结

WAHRSIS 是一款低成本、高分辨率的全景天空相机，采用现成组件搭建，具备近红外灵敏度和电动太阳遮挡器。它使用佳能 EOS Rebel T3i 相机与 Sigma 4.5mm 广角镜头，以 5184×3456 分辨率捕捉完整半球天空图像，通过几何与辐射校准，实现对大气信号衰减的精确云层分析，整套系统总成本约为 2,525 美元。

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.

研究动机与目标

• 开发一种成本低廉、高分辨率的全景天空相机，用于详细的云层监测与大气信号分析。
• 克服商业全景天空相机的局限，如成本高昂、分辨率低以及缺乏可定制性。
• 实现近红外成像，以提升云层检测与大气特性表征能力。
• 在新加坡部署可扩展的全景天空相机网络，实现实时云量与云移动追踪。
• 提供完全校准的成像系统，包含几何与辐射校正，以确保天空图像的准确性。

提出的方法

• 系统采用佳能 EOS Rebel T3i 相机机身，搭配 Sigma 4.5mm F2.8 EX DC HSM 圆形鱼眼镜头，实现 180° 视场角与 5184×3456 像素分辨率。
• 对相机进行改装，扩展其在近红外波段的灵敏度，实现多光谱天空成像。
• 采用由 Arduino 控制、并基于 Jean Meeus 算法引导的电动太阳遮挡器，动态阻挡直射阳光以减少眩光。
• 通过球形标靶与自定义算法进行几何校准，将像素坐标映射至天空角度。
• 采用灰度与各颜色通道特定的辐射校准方法，校正色差与暗角现象。
• 通过积分球获取的亮度剖面移动平均值，计算各光圈设置下的暗角校正系数。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用现成组件构建低成本、高分辨率的全景天空相机？
• RQ2 近红外灵敏度在多大程度上可提升云层检测与大气分析效果？
• RQ3 通过自定义校准流程，几何与辐射校准能达到何种精度？
• RQ4 暗角现象在不同光圈设置下如何变化？是否可有效校正？
• RQ5 基于实时天文计算，电动太阳遮挡器能否准确追踪太阳位置？

主要发现

• WAHRSIS 使用市售组件实现总系统成本 2,525 美元，显著低于商业替代品（如 TSI-880）。
• 系统以 5184×3456 分辨率捕捉完整天空图像，支持高保真度的云结构分析。
• 通过传感器改装成功实现近红外灵敏度，扩展了光谱能力，适用于云与气溶胶研究。
• 几何校准利用球形标靶与迭代优化算法，实现了像素到天空角度的精确映射。
• 辐射校准有效降低了色差，各颜色通道的特定校正方法显著提升了图像均匀性。
• 基于积分球获取的亮度剖面，按光圈设置计算出暗角校正系数，有效减少了径向亮度非均匀性。