2023年认证杯小美赛D题 低光条件黄昏系数 建模解析，小鹿学长带队指引全文章代码思路

我是鹿鹿学长，就读于上海交通大学，截至目前已经帮200+人完成了建模与思路的构建的处理了～

完整内容可以在文章末尾领取！

题目重述：

在观测低光条件下的天文目标时，常规光学望远镜的性能受到多个因素的影响，如放大倍数、镜片直径、传感器增益等。传统的黄昏系数无法全面评估望远镜在这种情况下的表现。因此，我们需要建立一个更全面的模型，以提出适用于人眼直接观察或CMOS视频记录设备的新的黄昏系数算法。

任务：

1. 人眼直接观察的建模：

   • 考虑人眼在低光条件下的视觉特性，建立一个数学模型，提出适用于双筒望远镜的新黄昏系数算法。该模型应考虑放大倍数、镜片直径等因素，并引入适应性因子，考虑人眼在低光条件下的光敏感度、对比度、分辨率等调整。
   • 提供修正因子或其他参数，以更准确地反映人眼在低光条件下的观察性能。

2. CMOS视频记录设备的建模：

   • 在考虑CMOS传感器感应特性的基础上，建立一个数学模型，提出适用于CMOS视频录制设备的新黄昏系数算法。考虑放大倍数、镜片直径、增益、曝光时间等因素。
   • 引入修正因子，考虑信噪比、动态范围等参数，以更全面地评估CMOS视频录制设备在低光条件下的性能。

题目1

题目一：人眼直接观察的建模

1. 光学特性模型：

   • 视野 $F$和透光度 $T$对观察性能有重要影响。放大倍数 $m$增加时，视野$F$可能减小，而透光度$T$则可能降低。镜片直径$d$增加时，视野$F$可能增大，而透光度$T$可能提高。因此，我们考虑采用以下关系建立光学特性模型：

     $F=k_1\times \frac{m}{d}$
     $T=k_2\times \frac{d}{m^2}$

     其中 $k_1$和$k_2$是调整系数，用于反映实际望远镜的光学特性。这些关系反映了在放大倍数和镜片直径之间的平衡，以便更全面地描述观察性能。

2. 生理学调整模型：

   • 适应性因子$A$考虑了人眼在低光条件下的生理学调整。这个因子可以通过瞳孔的相对扩张大小来体现。在低光条件下，瞳孔相对扩张较大，允许更多光线进入眼睛，提高观察性能。适应性因子可以建模为：

     $A=\frac{\text{基准瞳孔直径}}{\text{当前瞳孔直径}}$

     这里，基准瞳孔直径可以在一般光照条件下测量得到。

3. 全新的黄昏系数算法：

   • 结合光学特性和生理学调整，重新定义黄昏系数算法。考虑适应性因子，新的黄昏系数 $TC$可以表示为：

     $TC=k\times F\times T\times A$

     这里，$k$是综合调整系数，综合考虑了光学特性和生理学调整对观察性能的影响。通过这个模型，我们能够更全面地评估望远镜在低光条件下的性能，同时考虑了人眼的生理学适应。

人眼直接观察建模思路涉及的原理：

1. 光学特性模型原理：

• 放大倍数 $m$和镜片直径 $d$的关系： 放大倍数决定了观察目标的大小，但放大倍数越大，视野可能越小。镜片直径则决定了能进入望远镜的光线量，直径越大，透光度越高。通过公式

  $F=k_1\times \frac{m}{d}$
  $T=k_2\times \frac{d}{m^2}$

  我们可以更好地理解放大倍数和镜片直径之间的权衡关系。

2. 生理学调整模型原理：

• 瞳孔直径和适应性： 在低光条件下，人眼的瞳孔会相对扩张，以增加进入眼睛的光线量，从而提高视觉敏感度。适应性因子 $A$通过基准瞳孔直径和当前瞳孔直径的比例来反映这种生理学调整。较大的瞳孔直径对于在低光条件下观察更有利。

3. 黄昏系数算法原理：

• 综合调整系数 $k$： 综合调整系数$k$被引入，以综合考虑光学特性和生理学调整对观察性能的影响。这个系数可以根据实验数据和观察经验进行调整，以确保模型的准确性。

4. 模型整体原理：

• 综合光学和生理学： 该模型整合了望远镜的光学特性和人眼的生理学调整，以更全面地评估望远镜在低光条件下的性能。通过调整系数和考虑适应性因子，模型能够更准确地预测在不同条件下的观察效果。

import numpy as np

def optical_model(magnification, lens_diameter, k1, k2):
    # 计算视野和透光度
    field_of_view = k1 * magnification / lens_diameter
    light_transmission = k2 * lens_diameter / (magnification ** 2)
    return field_of_view, light_transmission

def physiological_adjustment(current_pupil_diameter, baseline_pupil_diameter):
    # 计算适应性因子
    adaptation_factor = baseline_pupil_diameter / current_pupil_diameter
    return adaptation_factor

def twilight_coefficient(magnification, lens_diameter, k1, k2, current_pupil_diameter, baseline_pupil_diameter, k):
    # 计算光学特性
    field_of_view, light_transmission = optical_model(magnification, lens_diameter, k1, k2)
    
    # 计算适应性因子
    adaptation_factor = physiological_adjustment(current_pupil_diameter, baseline_pupil_diameter)

    # 计算黄昏系数
    twilight_coefficient_result = k * field_of_view * light_transmission * adaptation_factor
    return twilight_coefficient_result
    # 示例数据（需要根据实际情况进行替换）
magnification = 10
lens_diameter = 50#见完整版

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题目2

题目二：CMOS视频记录设备的建模思路

1. 传感器响应模型：

   • 感光元件特性： 考虑每个感光元件对光的响应，可以使用电荷转换为电压的过程来建模。通常，感光元件的响应可以用光强度 $I$ 与感光元件的灵敏度$S$的乘积表示，即$V=S\times I$。
   • 增益和曝光时间： 引入增益 $G$和曝光时间$T$，考虑在低光条件下可能需要提高增益或延长曝光时间。感光元件输出电压 $V$ 可以通过 $V=G\times S\times I\times T$ 表示。

2. 环境噪声和适应性调整：

   • 环境光噪声： 考虑环境光引入的噪声，可以用一个噪声模型 (N) 表示。因此，感光元件输出可表示为 $V=G\times S\times I\times T+N$。
   • 自适应调整： 引入自适应性调整，通过调整增益和曝光时间，可以模拟CMOS传感器在低光条件下进行的自动调整。这可以使用自动增益控制（AGC）和自动曝光控制（AEC）来实现。

3. 重新定义黄昏系数：

   • 独立评估性能参数： 分别评估增益 $G$、曝光时间 $T$、环境噪声$N$ 的性能参数。这可以通过实验或模拟来获取。
   • 黄昏系数算法： 结合性能参数重新定义黄昏系数算法。考虑增益、曝光时间和环境噪声等因素，可能的算法形式为 $TC=k\times G\times T\times \frac{1}{N}$。

4. 实验验证：

   • 数据采集： 使用实验或模拟数据收集感光元件响应、环境噪声等参数。
   • 性能评估： 利用采集的数据对模型进行性能评估，调整参数以使模型更符合实际情况。可以通过比较模型预测的黄昏系数和实际场景中的观察效果来进行验证。

模型考虑了感光元件特性、增益、曝光时间、环境噪声和自适应调整，以更全面地反映CMOS视频录制设备在低光条件下的性能。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

def sensor_response(intensity, sensitivity, gain, exposure_time, noise):
    # 感光元件响应模型，考虑增益、曝光时间和环境噪声
    output_voltage = gain * sensitivity * intensity * exposure_time + noise
    return output_voltage

def twilight_coefficient(intensity, sensitivity, gain, exposure_time, noise, k):
    # 重新定义黄昏系数算法，考虑增益、曝光时间和环境噪声
    tc = k * gain * exposure_time * (1 / noise)
    return tc

# 生成光照强度数据
intensity_values = np.linspace(0, 1, 100)

# 示例数据（需要根据实际情况进行替换）
sensitivity = 0.8  # 感光元件灵敏度
gain = 2.0  # 增益
exposure_time = 1.0  # 曝光时间
noise = 0.1  # 环境噪声
k = 1.5  # 综合调整系数

# 计算传感器响应和黄昏系数
sensor_outputs = [sensor_response(i, sensitivity, gain, exposure_time, noise) for i in intensity_values]
twilight_coefficients = [twilight_coefficient(i, sensitivity, gain, exposure_time, noise, k) for i in intensity_values]

# 绘制图表
plt.figure(figsize=(10, 6))

# 传感器响应可视化
plt.subplot(2, 1, 1)
plt.plot(intensity_values, sensor_outputs, label='Sensor Response')
plt.title('Sensor Response vs. Light Intensity')
#见完整版
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