CN101709965B - 水槽三维地形自动测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了水槽三维地形自动测量装置，它包括其车轮设置在水槽侧壁顶面轨道上的行走小车系统，断面地形测针排，它还包括自动控制和判读系统，断面地形测针排包括连接在行走小车系统上的支撑面板、连接在支撑面板侧壁并且其上设置有刻度线的刻度面板、在刻度面板顶部的电磁铁以及设置在支撑面板下部的其内开有导向孔的导向条，在每一导向孔内插有测针，在测针顶部装有测针帽，行走小车系统包括步进电机，步进电机通过传动装置与车轮相连，步进电机和磁铁分别与一个控制开关相连，自动控制和判读系统包括计算机，一台与所述的刻度面板相对设置的摄像机。采用本装置大大降低了技术的复杂度，可以大量缩短三维地形测量所需时间。

Description

水槽三维地形自动测量装置 

技术领域

本发明涉及水利工程物理模型试验技术领域，特别涉及水槽内动床试验所形成的三维地形的快速、自动、智能化测量装置。 

背景技术

目前，动床物理模型试验(即利用模型沙模拟自然界河流河床的演变)在水利工程研究领域已得到广泛的应用，研究人员通过测量室内水槽模型的地形演变，可以定量地分析河流底部沙坡的运动、丁坝或桥墩附近的河床冲淤等。水槽中地形的测量是动床物理模型试验的关键之一。 

传统的水槽地形测量是通过测针实现的。测针通常安装在测量小车上，通过小车的运动将测针就位后，垂向调节测针至于床面接触，即可从测针标尺上读出该处床面高程。这种方法简单、可靠，其缺点是测量速度慢，要测量三维地形必须对大量的网格点进行逐点测量，一次测量往往要花费数个小时，严重影响试验的效率；其次，如果在水流运行时进行测量，测量过程中地形的演变将不能忽略，远不能达到实时测量；再次，如果水流含沙量较大，水体透明度降低，会使得接触点的判断变得困难。初新杰等(实用新型：一种用于实验室的水沙界面地形测量装置)设计了一种利用光强度测试仪测量水沙界面地形的装置，配合运行小车、步进电机等，使得测量变得更加方便；但是这种装置仅仅针对单点测量，且需要人工读数，测量效率仍然不能满足大范围三维测量的要求；专利号为200710062775.1的中国发明专利：水下三维地形测量系统公开了基于图像的水下三维地形测量系统，其方法是采用CCD摄像机摄取水下地形，应用三维数字重构水下三维沙波的模型，大大提高了测量效率，但是由于图像灰度除受地形高低影响外，还有很多其他影响因素，使用时需要大量的率定，而且测量的可靠性偏低；另外还有利用水下超声的地形测量仪器(王振先等，发明专利：实验室用水下超声地形测量仪；李先华等，发明专利：水下数字地面模型的声纳遥感数字图像的地形变换方法)，这种仪器一般造价昂贵，难以在实验室推广使用。

发明内容

本发明的目的在于克服目前实验室水槽中水下地形测量效率低、可靠性差或设备造价昂贵等问题，提供一种高效、可靠并可以大量缩短三维地形测量所需时间的水槽三维地形自动测量装置。 

本发明的水槽三维地形自动测量装置，它包括其车轮设置在水槽侧壁顶面轨道上的行走小车系统，断面地形测针排，它还包括自动控制和判读系统，所述的断面地形测针排包括连接在行走小车系统上的支撑面板、连接在所述的支撑面板侧壁并且其上设置有刻度线的刻度面板、沿水平方向设置在所述的刻度面板顶部的电磁铁以及设置在支撑面板下部的其内沿竖直方向开有多个导向孔的导向条，在所述的每一导向孔内插有测针，在所述的测针顶部装有磁性测针帽，所述的行走小车系统包括步进电机，步进电机通过传动装置与所述的车轮相连，所述的步进电机和磁铁分别与一个控制开关相连，所述的自动控制和判读系统包括-台装有运行控制模块的计算机，一台与所述的刻度面板相对设置的摄像机，所述的运行控制模块执行如下步骤： 

(1)向电磁铁控制开关发出闭合指令，对测针帽形成电磁引力，将所有测针向上提起； 

(2)向行走小车控制开关发出闭合指令，小车带动测针排沿水槽轨道前进；到达指定位置后，行走小车控制开关开启，小车停止运动； 

(3)行走小车就位后，向电磁铁控制开关发出开启指令，测针在自重作用下下落至床面处，测针的高低起伏反映出地形的起伏； 

(4)向摄像机发出启动信号，拍摄当前每个测针在刻度面板中的位置，并读取所述的摄像机传送的图像信号； 

(5)读取所述的摄像机传送的图像信号通过图像处理模块进行自动分析，识别其中的刻度线和测针，根据测针顶点在刻度线上的相对位置，计算测针顶点读数并保存该数据； 

(6)根据已保存的数据，计算床面地形变化的梯度，并根据梯度的大小，向所述的行走小车控制开关发出开关命令实时调整步进电机的下一步行走的步长； 

(7)按照调整后的步长，控制行走小车前进，重复步骤1-6，完成所有断面测量，获得三维地形数据； 

所述的图像处理模块按如下步骤执行刻度面板上的位置信号的分析： 

(1)读取支撑面板图像信号并计算色彩亮度特征量； 

(2)计算所述的色彩亮度特征量沿y方向的差分； 

(3)根据y方向差分计算结果，进行图像分割，区分刻度线和背景； 

(4)识别所述的图像分割后的刻度线； 

(5)将所述的刻度线过滤、合并并编号； 

(6)计算所述的色彩亮度特征量沿x方向的差分； 

(7)根据沿x方向的差分计算结果，进行图像分割，区分测针线和背景； 

(8)识别所述的测针线； 

(9)将所述的测针线过滤、合并并编号； 

(10)根据测针线顶点在刻度线上的相对位置，计算并输出其读数。 

采用本发明装置的有益效果是：与传统的单点人工地形测量相比，本装置最大的优点是提高了测量效率。假设水槽宽度为0.6m，测量段长度为5m，沿宽度的测量间距均为1cm，长度方向的测量间距均为5cm，则共有测点：60*100＝6,000个。设单点人工测量时每个点位移动测针、读数、记录的时间为6秒，则整个测量需要时间：6,000*6＝36,000秒＝10小时。这个时间是一般模型试验难以接受的。当使用本装置进行自动化测量时，测针每1cm设置一个，每个断面共60个测点，假设行走小车运动的没前进一个步长(5cm)需时3秒，测针提起和放下的时间共为3秒，计算机软件处理的时间可以忽略，则每个断面测量的时间为6秒，则整个测量需要时间：100*6＝600秒＝10分钟。速度提高了60倍，能够满足一般模型试验的要求。另外，如果测量段长度缩短为2m，则测量时间仅需4分钟，如果动床试验的地形演变 不是非常剧烈的话，测量时间可以忽略，基本能够满足实时测量的要求。 

与三维超声地形测量相比，本装置不需要价格昂贵的超声发射和接受器，只需要普通的计算机、CCD摄像机和简易的行走小车和测针排架，软件的编制也有成熟的技术，因此大大降低了技术的复杂度，同时降低了制作和使用费用，便于在一般水利工程实验室中普及。 

附图说明

图1是本发明的水槽三维地形自动测量装置的主视图； 

图2是图1所示的装置的侧视图； 

图3是本发明的图像处理模块的实现流程图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。 

如附图所示的本发明整套测量装置共由三部分组成：它包括其车轮9设置在水槽侧壁10顶面轨道15上的行走小车系统13，断面地形测针排和自动控制和判读系统。各部分组成和功能为：①断面地形测针排包括连接在行走小车系统上的支撑面2、连接在所述的支撑面板2侧壁并且其上设置有刻度线7的刻度面板3、沿水平方向设置在所述的刻度面板顶部的电磁铁1以及设置在支撑面板下部的其内沿竖直方向开有导向孔5的导向条12，在所述的导向孔内插有测针4，在所述的测针4顶部装有磁性测针帽6。本部件的功能是利用一系列整齐排列的测针的高低起伏反映出水下地形的起伏。其中，支撑面板起整体支撑作用，刻度面板为测针提供用于读数的刻度，用于反映地形起伏，电磁铁用于测针垂向运动的控制，上下两个导向条上均设有导向孔，设置在所述的支撑面板上的导向条优选的为上下两排。每个测针被限制在两个导向孔中，只能够作垂向运动。测量开始时，电磁铁通电，产生磁场，吸引磁性测针帽，将所有测针向上提起；然后，测针排沿水槽纵向移动，就位后，切断电磁铁电源，所有测针在自重作用下下落，直至遇到床面；此时测针帽在刻度面板上的读书即可反映出该断面地形的高低起伏。②行走小车系统：由行走小车支架、车轮、步进电机和传动装置组成， 所述的步进电机通过传动装置与所述的车轮相连。本部件的功能是为断面地形测针排提供安装支架，并带动断面地形测针排沿水槽纵向移动，以测量不同的断面。行走动力由步进电机提供，并通过传动装置传递给车轮，使得车轮在安装水槽边壁上方的轨道上行走。步进电机和电磁铁分别与一个控制开关相连。③自动控制和判读系统：由一台与所述的刻度面板相对设置的摄像机以及计算机组成，所述的摄像机可以为CCD(电荷耦合器)摄像机。其中，所述的控制开关的作用是接收计算机发出的控制信号，来控制断面地形测针排和行走小车的运动；CCD摄像机用于拍摄照片，显示测针在刻度面板的位置；计算机用于控制自动控制开关的开/闭，并分析刻度面板照片，完成读数和数据保存，所述的计算机中预置有运行控制模块，该控制模块执行如下步骤： 

(1)向电磁铁控制开关发出闭合指令，对测针帽形成电磁引力，将所有测针向上提起； 

(2)向行走小车控制开关发出闭合指令，小车带动测针排沿水槽轨道前进；到达指定位置后，行走小车控制开关开启，小车停止运动； 

(3)行走小车就位后，向电磁铁控制开关发出开启指令，测针在自重作用下下落至床面处，测针的高低起伏反映出地形的起伏； 

(4)向摄像机发出启动信号，拍摄当前每个测针在刻度面板中的位置，并读取所述的摄像机传送的图像信号； 

(5)读取所述的摄像机传送的图像信号通过图像处理模块进行自动分析，识别其中的刻度线和测针帽，根据测针线顶点在刻度线上的相对位置，计算测针线顶点读数并保存该数据； 

(6)根据已保存的数据，计算床面地形变化的梯度(即床面变化的缓急程度)，并根据梯度的大小，向所述的行走小车控制开关发出开关命令实时调整步进电机的下一步行走的步长；可以设置行走步长为当地地形变化梯度的减函数，即在地形变化剧烈的地方，减小行走步长，即局部加密测量断面；而在地形变化缓慢的地方，增大行走步长。从而实现地形测量过程的智能化控制。 

(7)按照调整后的步长，控制行走小车前进，重复步骤1-6，完成所有断面测量，获得 三维地形数据。 

所述的图像处理模块的工作原理如下：采用色彩/饱和度/亮度型颜色空间，即HSB(hue，saturation和brightness)颜色空间，并采用亮度(brightness)分量作为识别依据。 

由于地形仪图片背景复杂，色彩分布不均，很难用统一颜色分量进行阈值分割，区分网格刻度线、测针线和背景。根据网格刻度和测针的呈直线型的特点，采用差分阈值分割图像。例如，网格刻度线一般为横线，为了区分网格刻度线与背景，计算颜色分量沿y方向的差分： 

$D(x,y)=\max \left[\begin{array}{c}f(x,y)-f(x,y-1)\\ f(x,y)-f(x,y+1)\end{array}\right]$

其中，f(x，y)为(x，y)处图像像素的亮度值，取y方向差分阈值为D₀，当D(x，y)≥D₀时，该像素为刻度线图像，当D(x，y)＜D₀时，该像素为背景图像，这样，可以将图像分割为二值图像。 

图像分割后，利用区域生长法进行刻度线的识别。由于色彩的不均匀，利用区域生长法识别的刻度线往往是不连续的，尤其是在刻度线与测针线相交的区域，刻度线被测针线分割成散乱的线段。为了得到规则的刻度线，需要将各小段刻度线合并起来，构成完整的线条。合并的方法类似于区域生长法，对于任一线段，搜索与其距离偏差小于一定幅值的其它线段(两端点到直线的距离)，并将其合并到本线段中。由于图像存在变形，合并成一条直线的各小线段并不重合，为了提高测量精度，对构成一条刻度线的各小线段的端点进行线性拟合，设一条刻度线由n点构成，对于n个端点(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，…(x_n，y_n)，则y与x之间的关系可近似地看作是线性关系，因而可用线性方程表示； 

y＝a+bx+ε 

其中a，b为待定常数，ε为因随机波动而产生的偏差。 

用最小二乘法求出a与b的估计量 

与 

即可得到回归方程 

作为刻度线的最终位置。 

测针线一般为竖线，其识别方法与刻度线相同。 

刻度线和测针线识别后，根据测针线顶点在刻度线上的相对位置，即可计算出其读数。 

根据上述原理，所述的图像处理模块按如下步骤执行刻度面板上的位置信号的分析： 

(10)读取支撑面板图像信号并计算色彩亮度特征量； 

(11)计算所述的色彩亮度特征量沿y方向的差分； 

(12)根据y方向差分计算结果，进行图像分割，区分刻度线和背景； 

(13)识别所述的图像分割后的刻度线； 

(14)将所述的刻度线过滤、合并并编号； 

(15)计算所述的色彩亮度特征量沿x方向的差分； 

(16)根据沿x方向的差分计算结果，进行图像分割，区分测针线和背景； 

(17)识别所述的测针线； 

(18)将所述的测针线过滤、合并并编号； 

(19)根据测针线顶点在刻度线上的相对位置，计算并输出其读数。 

Claims (2)

1.水槽三维地形自动测量装置，它包括其车轮设置在水槽侧壁顶面轨道上的行走小车系统，断面地形测针排，其特征在于：它还包括自动控制和判读系统，所述的断面地形测针排包括连接在行走小车系统上的支撑面板、连接在所述的支撑面板侧壁并且其上设置有刻度线的刻度面板、沿水平方向设置在所述的刻度面板顶部的电磁铁以及设置在支撑面板下部的其内沿竖直方向开有多个导向孔的导向条，在所述的每一导向孔内插有测针，在所述的测针顶部装有磁性测针帽，所述的行走小车系统包括步进电机，所述的步进电机通过传动装置与所述的车轮相连，所述的步进电机和磁铁分别与一个控制开关相连，所述的自动控制和判读系统包括一台装有运行控制模块的计算机，一台与所述的刻度面板相对设置的摄像机，所述的运行控制模块执行如下步骤：

(1)向电磁铁控制开关发出闭合指令，对测针帽形成电磁引力，将所有测针向上提起；

(2)向行走小车控制开关发出闭合指令，小车带动测针排沿水槽轨道前进；到达指定位置后，行走小车控制开关开启，小车停止运动；

(3)行走小车就位后，向电磁铁控制开关发出开启指令，测针在自重作用下下落至床面处，测针的高低起伏反映出地形的起伏；

(4)向摄像机发出启动信号，拍摄当前每个测针在刻度面板中的位置，并读取所述的摄像机传送的图像信号；

(5)读取所述的摄像机传送的图像信号通过图像处理模块进行自动分析，识别其中的刻度线和测针，根据测针顶点在刻度线上的相对位置，计算测针顶点读数并保存该数据；

(6)根据已保存的数据，计算床面地形变化的梯度，并根据梯度的大小，向所述的行走小车控制开关发出开关命令实时调整步进电机的下一步行走的步长；

(7)按照调整后的步长，控制行走小车前进，重复步骤1-6，完成所有断面测量，获得三维地形数据；

所述的图像处理模块按如下步骤执行刻度面板上的位置信号的分析：

(1)读取支撑面板图像信号并计算色彩亮度特征量；

(2)计算所述的色彩亮度特征量沿y方向的差分；

(3)根据y方向差分计算结果，进行图像分割，区分刻度线和背景；

(4)识别所述的图像分割后的刻度线；

(5)将所述的刻度线过滤、合并并编号；

(6)计算所述的色彩亮度特征量沿x方向的差分；

(7)根据沿x方向的差分计算结果，进行图像分割，区分测针线和背景；

(8)识别所述的测针线；

(9)将所述的测针线过滤、合并并编号；

(10)根据测针线顶点在刻度线上的相对位置，计算并输出其读数。

2.根据权利要求1所述的水槽三维地形自动测量装置，其特征在于：设置在所述的支撑面板上的导向条为上下两排。

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