CN101034004A - 视频波浪测量方法和测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明所涉及的视频波浪测量方法和测量系统可以对采集的海面图像进行更便捷地视频数字图像处理，以获取更多的波浪测量参数。其测量方法包括：采集海面图像(S1)，预处理图像增强海面纹理(S2)，各向同性剪切海面图像(S30)，对剪得的图像执行Radon变换(S31)，提取波长参数(S32)，沿波浪传播取向堆叠时栈图像(S40)，对时栈图像各向同性剪切(S41)，对剪得的时栈图像执行Radon变换(S42)，提取波向、波速、周期参数(S43)，输出波向、波速、波长、周期参数(S5)。其测量系统包括海面图像采集装置、图像处理和波浪参数提取装置以及测量结果输出装置。

Description

视频波浪测量方法和测量系统

技术领域

本发明涉及海洋波浪测量技术，特别是涉及采用连续帧图像执行波浪测量的方法和系统。

背景技术

海洋波浪的产生与运动是海洋中最常见的物理现象之一，波浪测量对于海洋工程设计、海上运输和捕捞作业、海洋环境预报以及海洋科学研究等都是非常重要的。

传统的海洋波浪监测设备是将测波传感器直接放入海水中，通过检测海水质点的运动和海面的水位变化来测量海洋波浪参数。传统的海洋波浪监测设备采用单点测量方式，测量范围小。即使多点布设测量仪器，其测量范围也是有限的，而且测量数据资料整体性差。

随着遥感和遥测技术的发展，采用视频图像测量海洋波浪参数的方法得到进一步的应用。用视频图像测量海洋参数，与传统的海洋监测设备的测量方式比较，有测量范围大、整体性强的优点。目前采用多种方式获取的图像包括卫星遥感图像、飞机航空拍摄图像、船舶航行拍摄图像、岸边或平台固定摄像装置拍摄的图像等，可以用于海洋波浪参数测量。

应用视频图像不仅能记录海面波浪的静态信息，而且还记录海面波浪的动态信息，能够测量波浪的运动参数。在海面图像中，波峰与波谷的不同亮度构成了图像纹理结构，特别是波浪破碎一般都发生在波峰，碎波白浪在图像中为高亮度的像素，在波浪传播方向的垂直方向形成了波浪峰谷的线状纹理特征，研究波浪视频图像能获得波浪运动参数。

目前已经报道的视频图像波浪测量研究工作包括：通过检测波浪运动中产生的碎波白浪，在图像处理中跟踪具有较高亮度值的波峰带，来获取运动参数的方法；通过傅立叶(Fourier)变换检测波浪运动中频谱和相关函数，获取运动参数的方法；通过小波(Wavelet)变换分离波浪运动中频谱各向异性获取方向参数的方法。

但是，上述现有技术的视频图像波浪测量方法存在着计算复杂、测量参数少等问题。

发明内容

针对上述现有技术的视频图像波浪测量方法所存在的问题，本发明推出对数字视频波浪图像进行更便捷处理的新的视频波浪测量方法，其目的在于通过对各向同性剪切图像进行Radon变换(拉东变换)和对时栈图像执行Radon变换，以获取波向、波速、波长和波周期的波浪参数。同时，本发明还推出实施上述视频波浪测量方法的视频波浪测量系统。

本发明所涉及的视频波浪测量方法是由计算机对CCD摄像机拍摄的海面波浪图像进行处理并提取波向、波速、波长、波周期等的波浪参数。所述的视频波浪测量方法包括以下步骤：

1、采集海面图像

用CCD摄像机拍摄海面图像，然后将图像数据传输到计算机。

2、预处理图像增强海面纹理

对海面图像进行预处理，对于较暗的图像，采取增强对比度的方法增强海面纹理，改善图像画面质量。

3、各向同性剪切图像

将增强纹理的海面图像在原图像范围内剪切最大可用的圆形图像，实现海面图像的各向同性剪切。

4、对图像执行Radon变换

对各向同性剪切的图像执行Radon变换，将数字图像变换为Radon变换域内的投影图像。

具体为：在二维图像平面，定义坐标系，以x轴为水平方向的坐标轴，以y轴为垂直方向的坐标轴，f(x，y)为在(x，y)处的图像亮度。Radon变换是计算图像函数f(x，y)在同一个二维图像平面上，沿指定角度射线方向上投影的变换方法。图像函数f(x，y)的投影是其在确定方向上的线积分，将图像中的像素亮度进行积分所得的结果，即为Radon变换域内的投影强度。例如，f(x，y)在垂直方向上的二维线积分就是f(x，y)在x轴上的投影；f(x，y)在水平方向上的二维线积分就是f(x，y)在y轴上的投影。可以沿0°～360°任意角度θ计算函数f(x，y)的投影，这也就是说，任意角度上都存在函数f(x，y)的Radon变换。设x轴和y轴组成的坐标系在同一平面上以原点为中心、以角度θ旋转，x轴以角度θ旋转所得为x′轴，y轴以角度θ旋转所得为y′轴，因而x′轴和y′轴组成新的一个坐标系，这里定义f(x，y)在角度为θ的Radon变换是f(x，y)平行于y′轴的一个在x′轴上的投影线积分：

$R_{\mathrm{\θ}}\left(x^{\′}\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}f(x^{\′}\cos \mathrm{\θ}-y^{\′}\sin \mathrm{\θ},x^{\′}\sin \mathrm{\θ}+y^{\′}\cos \mathrm{\θ}){\mathrm{dy}}^{\′}$

式中：

$\left[\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]$

以角度θ为变量的Radon变换做出一幅Radon变换域内的投影图像，其横轴为角度θ，纵轴为x′，Radon变换的投影线积分的强度R_θ(x′)就是Radon变换域内的投影图像亮度。

5、提取波长参数

沿波浪传播取向(Orientation)上提取波长参数。

在Radon变换域内的投影图像中，检测最大强度R_θ(x′)，提取Radon变换域内最大强度R_θ(x′)对应的角度θ_M，θ_M为波浪传播取向。θ_M角存在±180°的多义性，可能是沿波浪传播方向，也可能是逆波浪传播方向。

沿波浪传播取向上提取波长参数选用的是沿波浪传播取向的θ_M角，即，在与波浪前进路径平行方向的对应角度θ_M的强度内检测强度峰值或谷值，计算峰值间距或谷值间距以得出波长。

6、堆叠时栈图像

从增强纹理的海面图像中，根据波浪前进路径平行方向的对应角度θ_M，沿波浪传播取向截取线条状图像切片，再对连续相邻帧在相同位置处用同样方式截取线条状图像切片，并对连续相邻帧的线条状图像切片，按照原来图像帧的时间顺序，类似于计算机的进栈操作过程，逐个地把线条状图像切片堆叠起来，集成为时栈(time-stack)图像。

7、对时栈图像执行各向同性剪切

在二维时栈图像平面的图像范围内剪切最大可用的圆形图像。

8、对时栈图像执行Radon变换

对剪得的时栈图像执行Radon变换，将数字图像变换为Radon变换域内的投影图像。

9、提取波向、波速、周期参数

在Radon变换域内的投影图像中，检测最大强度；

提取Radon变换域内最大强度对应的角度，依据该角度值和沿波浪传播的取向，确定波浪传播的方向即为波向；

在Radon变换域内提取的最大强度对应的角度，依据该角度值计算对应在时栈图像内的波峰传播方向的斜率，得到波速；再计算波长与波速的商，得到周期。

10、输出波浪参数

按照实际成像所对应的大地尺度和方向角度，将提取的波浪参数换算到实际的大地坐标，并在输出装置上显示和打印。输出的波浪参数为波向、波速、波长、周期。

本发明所涉及的视频波浪测量系统包括海面图像采集装置、图像处理和波浪参数提取装置以及测量结果输出装置。

海面图像采集装置为CCD摄像机，具有USB、IEEE1394(Firewire)标准的数据传输方式或嵌入网络传输方式，能够将图像数据直接、快速传输到计算机。海面图像采集装置安装在高于海面的灯塔、海洋平台、近岸建筑物或支架等上面，拍摄镜头对准测量海面，拍摄测量区域的海面图像序列。

图像处理和波浪参数提取装置由微型计算机构成，具有实施上述视频波浪测量方法的功能：预处理图像增强海面纹理，各向同性剪切图像，堆叠时栈图像，对海面图像和时栈图像执行Radon变换，在波浪传播取向提取波长、波向、波速、周期等波浪参数。

测量结果输出装置为与图像处理和波浪参数提取装置的微型计算机连接的显示器和打印机，可以按照实际成像所对应的大地尺度和方向角度将波向、波速、波长、周期等波浪参数换算到实际的大地坐标。

本发明所涉及的视频波浪测量方法和测量系统可以对采集的海面图像进行更便捷地视频数字图像处理，以获取更多的波浪测量参数。

附图说明

图1为本发明涉及的视频波浪测量方法的流程图。

图2为本发明涉及的视频波浪测量系统的框图。

图3为波浪模拟图像图。

图4为对图3图像各向同性剪切获得的图像。

图5为对图4图像执行Radon变换获得的强度图。

图6为对图5检测峰值强度对应角度获得的强度曲线图。

图7为沿波浪传播取向截取线条状图像切片并堆叠获得时栈图像。

图8为对图7图像各向同性剪切获得的图像。

图9为对图8图像执行Radon变换获得的强度图。

附图中标记说明：

S₁、采集海面图像               S₂、预处理图像

S₃₀、各向同性剪切图像          S₃₁、对图像执行Radon变换

S₃₂、提取波长参数              S₄₀、堆叠时栈图像

S₄₁、对时栈图像各向同性剪切    S₄₂、对时栈图像执行Radon变换

S₄₃、提取波向、波速、周期      S₅、输出波浪参数

θ、Radon变换的角度             x′、Radon变换的投影直线距离

R′、峰值强度对应角度的强度

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步详细的阐述。

图1显示本发明涉及的视频波浪测量方法的流程图。图3～图9显示本发明的视频波浪测量方法应用过程中处理的图像。

如图1所示，视频波浪测量方法包括以下步骤：

S₁-采集海面图像

图3为波浪模拟图像，是根据线性波浪理论的数值模拟图像的一帧图像，最亮的像素表示波峰，最暗的像素表示波谷。

S₂-预处理图像增强海面纹理

S₃₀-各向同性剪切图像

由于采集到的图像具有各向同性或各向异性的特征，为使本发明的方法各向同性，对图像执行基于圆形的各向同性剪切，在图像范围内剪切最大可用的圆形图像。图4为对图3图像各向同性剪切获得的图像。

S₃₁-对剪得的图像执行Radon变换

Radon变换具有投影在360°圆内沿180°对称的特点，所以计算简化在180°范围内。图5为通过对图4图像执行Radon变换获得的Radon变换域内的投影图像。数字图像坐标轴的原点在图像的中心，将数字图像坐标轴以原点为中心以角度增量为1°逆时针方向旋转，在180°范围内将数字图像变换为Radon变换域的投影。

S₃₂-提取波长参数

在Radon变换域内的投影图像中，检测最大强度。图5中，在角度θ₁＝123°出现峰值，提取Radon变换域内最大强度对应的角度。图5中，对于根据纹理方向提取的角度θ₁＝123°，不能确定波浪传播是从左上至右下，还是从右下至左上，因此该角度存在±180°的多义性，可能是沿波浪传播的方向，也可能是逆波浪传播的方向，此次是获取沿波浪传播取向。图6为通过对图5检测峰值强度对应角度获得的该角度强度曲线图，在沿波浪传播取向对应角度的强度内检测强度峰值或谷值，计算峰值间距或谷值间距得出波长结果为L＝32.29。

S₄₀-沿波浪传播取向堆叠时栈图像

沿波浪传播取向截取线条状图像切片，再对连续相邻帧在相同位置处用同样方式截取线条状图像切片，并对连续相邻帧的线条状图像切片，按照原来图像帧的时间顺序，以类似于计算机的进栈操作过程，逐个地把线条状图像切片堆叠起来，集成为时栈图像。图7为通过沿波浪传播取向θ₁＝123°截取线条状图像切片并堆叠获得时栈图像，时间顺序为从上到下。

S₄₁-对时栈图像各向同性剪切

对时栈图像执行各向同性剪切图像，在图像范围内剪切最大可用的圆形图像。图8为对图7图像各向同性剪切获得的图像。

S₄₂-对剪得的时栈图像执行Radon变换

对剪得的时栈图像执行Radon变换。图9为通过对图8图像执行Radon变换获得的Radon变换域内的投影图像。

S₄₃-提取波向、波速、周期

在Radon变换域内的投影图像中，检测最大强度。图9中，在角度θ₂＝172°出现峰值；提取Radon变换域内最大强度对应的角度。图9中，依据角度θ₂＝172°的角度值和沿波浪传播的取向θ₁＝123°，确定波浪传播的方向，具体为计算tanθ₂＝-0.14，符号为负，即判定波浪传播的方向从右下至左上，确定波向＝123°。在Radon变换域内提取的最大强度对应的角度θ₂＝172°，依据该角度值计算对应在时栈图像内的波峰传播方向的斜率tanθ₂＝-0.14，并计算出波速＝0.14、周期＝229.72。

S₅-输出波浪参数：波向、波速、波长、周期

输出波浪参数：波向＝123°、波速＝0.14、波长＝32.29、周期＝229.72。按照实际成像所对应的大地尺度和方向角度，即可将波浪参数换算到实际的大地坐标。

图2为本发明涉及的视频波浪测量系统的框图。如图2所示，视频波浪测量系统的组成部分包括海面图像采集装置、图像处理和波浪参数提取装置以及测量结果输出装置。

海面图像采集装置能够将图像数据直接、快速传输到构成图像处理和波浪参数提取装置的微型计算机，测量结果输出装置为与图像处理和波浪参数提取装置的微型计算机连接的显示器和打印机。

Claims (9)

1、一种视频波浪测量方法，其特征在于包括：采集海面图像(S₁)，预处理图像增强海面纹理(S₂)，各向同性剪切海面图像(S₃₀)，对剪得的图像执行Radon变换(S₃₁)，提取波长参数(S₃₂)，沿波浪传播取向堆叠时栈图像(S₄₀)，对时栈图像各向同性剪切(S₄₁)，对剪得的时栈图像执行Radon变换(S₄₂)，提取波向、波速、周期参数(S₄₃)，输出波向、波速、波长、周期参数(S₅)。

2、根据权利要求1所述的视频波浪测量方法，其特征在于，采集海面图像(S₁)是用CCD摄像机拍摄海面图像，然后将图像数据传输到计算机。

3、根据权利要求1所述的视频波浪测量方法，其特征在于，对图像执行Radon变换(S₃₁)是对各向同性剪切的图像执行Radon变换，将数字图像变换为Radon变换域内的投影图像。

4、根据权利要求1所述的视频波浪测量方法，其特征在于，提取波长参数(S₃₂)是沿波浪传播取向上提取波长参数，与波浪前进路径平行方向的对应角度θ_M的强度内检测强度峰值或谷值，计算峰值间距或谷值间距以得出波长。

5、根据权利要求1所述的视频波浪测量方法，其特征在于，堆叠时栈图像(S₄₀)是根据波浪前进路径平行方向的对应角度θ_M，沿波浪传播取向截取线条状图像切片，再对连续相邻帧在相同位置处用同样方式截取线条状图像切片，并对连续相邻帧的线条状图像切片，按照原来图像帧的时间顺序逐个地把线条状图像切片堆叠起来，集成为时栈图像。

6、根据权利要求1所述的视频波浪测量方法，其特征在于，对时栈图像执行Radon变换(S₄₂)是对各向同性剪切剪得的圆形时栈图像执行Radon变换，将数字图像变换为Radon变换域内的投影图像。

7、根据权利要求1所述的视频波浪测量方法，其特征在于，提取波向、波速、周期参数(S₄₃)包括：在Radon变换域内的投影图像中，检测最大强度；提取Radon变换域内最大强度对应的角度，依据该角度值和沿波浪传播的取向，确定波浪传播的方向即为波向；依据Radon变换域内提取的最大强度对应的角度值，计算对应在时栈图像内的波峰传播方向的斜率，得到波速；再计算波长与波速的商，得到周期。

8、根据权利要求1所述的视频波浪测量方法，其特征在于，输出波浪参数(S₅)是按照实际成像所对应的大地尺度和方向角度，将提取的波浪参数换算到实际的大地坐标，并在输出装置上显示和打印，输出的波浪参数为波向、波速、波长、周期。

9、一种实施根据权利要求1所述的视频波浪测量方法的视频波浪测量系统，其特征在于，包括海面图像采集装置、图像处理和波浪参数提取装置以及测量结果输出装置；海面图像采集装置为CCD摄像机，具有USB、IEEE1394(Firewire)标准的数据传输方式或嵌入网络传输方式，能够将图像数据直接、快速传输到计算机；图像处理和波浪参数提取装置由微型计算机构成，具有实施上述视频波浪测量方法的功能；测量结果输出装置为与图像处理和波浪参数提取装置的微型计算机连接的显示器和打印机，可以按照实际成像所对应的大地尺度和方向角度将波向、波速、波长、周期等波浪参数换算到实际的大地坐标。

Images