CN101718573A - 基于图像视觉的水位测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像视觉的水位测量系统和方法，用于水库、水电站等场所中大量程水位的测量。CCD摄像头设置于浮子装置的正上方进行视频采集；经视频A/D采集模块变换成数字图像帧，水位变化引起的浮子与CCD摄像头距离的改变影响动态图像中浮子图像面积；通过FPGA处理模块计算采集所得到的视频中浮子图像面积，得到浮子与CCD摄像头的相对距离测量出水位。本发明通过图像视觉技术测量视频中的浮子面积间接测量水位，无需昂贵的水位传感器，成本低；采用模块化的设计方法，安装简单，便于现场测试和系统维护，适应性强。

Description

基于图像视觉的水位测量系统和方法

技术领域

本发明属于电子测量领域，利用图像视觉处理技术实现水位的测量，可用于水库、水电站等场所中大量程水位的测量。

背景技术

针对各地区水量分布不均、洪涝灾害复杂、水体环境恶化等问题，必须对水资源优化配置，实现水资源的可持续利用，因此，需掌握水资源的基础信息，没有基本的水位等信息，水资源的优化配置与科学管理就失去了基础。在水位测量方面，国际上普遍采用了自记式水位计，根据感应水位原理不同可分为浮子式水位计、压力式水位计、气介或液介超声波水位计。

浮子式水位计在水情监测中的应用最为普遍。浮子水位计需要专用的测井，它的缺点就是安装较复杂，同时如果水流含泥沙较重，经过一段时间的运行，测井的进水管就会产生淤积的现象，易形成假水位。

压力式水位计是根据压力与水深成正比关系的静水压力原理，运用压敏元件作传感器，在不同的水深感应不同压力产生相应的电流而测出相应水位的高低，这种方式解决了浮子式水位计的缺点，但无法达到很高的精度，且易受环境温度和液体密度变化的影响。

气介式或液介式超声波式水位计应用超声波反射的原理来测量水位。两种形式均不需建测井，液介式易受水温、水压及水中浮悬粒子浓度影响，气介式易受气温影响，其优点是不受水中水草、泥沙等影响。这种方法有其先进性，但成本较高。

发明内容

针对现有水位测量设备的缺陷，本发明的目的是提供一种基于图像视觉的水位测量系统和水位测量方法，实现水位的快速、准确测量。

本发明水位测量系统采用的技术方案是：CCD摄像头设置于浮子装置的正上方，其输出连接视频A/D采集模块，视频A/D采集模块的输出连接FPGA处理模块，FPGA处理模块的输出分别连接LCD显示模块和扩展通信模块；浮子装置用于水位的物理标定；CCD摄像头和视频A/D采集模块采集图像并变换为便于数字设备处理的数字图像；FPGA处理模块获取图像、对图像边缘提取以及距离测量。

本发明水位测量方法采用的技术方案是：先在水面放置浮子装置，其正上方的CCD摄像头对浮子进行视频采集；经视频A/D采集模块变换成数字图像帧，水位变化引起的浮子与CCD摄像头距离的改变影响动态图像中浮子图像面积；再通过FPGA处理模块计算采集所得到的视频中浮子图像面积，得到浮子与CCD摄像头的相对距离，测量出水位；最后将测量结果通过外部LCD显示模块显示，或通过扩展通信模块传送至远端主机上。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明综合了嵌入式技术和视觉图像处理技术，将图像视觉技术应用于水位监测领域，通过图像视觉技术测量视频中的浮子面积，从而间接测量水位，无需昂贵的水位传感器，因而成本低；适用于各种测量水位、流体位置的情况。

2、采用模块化的设计方法，安装简单，便于现场测试和系统的维护；受环境影响小，适应性强。

附图说明

图1是本发明的系统组成示意图；

图2是图1中CCD摄像头2和浮子装置1中的浮子的位置关系模型示意图；

图3是图1的实际测量结果。

图中：1.浮子装置；2.CCD摄像头；3.视频A/D采集模块；4.外部LCD显示模块；5.FPGA处理模块；6.扩展通信模块。

具体实施方式

如图1，水位测量系统包括浮子装置1、CCD摄像头2、视频A/D采集模块3、外部LCD显示模块4、FPGA处理模块5和扩展通信模块6六个部分。浮子装置1主要用于水位的物理标定，CCD摄像头2和视频A/D采集模块3主要用于采集图像并变换为便于数字设备处理的数字图像，CCD摄像头2设置于浮子装置1的正上方，其输出连接视频A/D采集模块3。FPGA处理模块5即现场可编程门阵列核心处理模块，主要实现图像的获取、边缘提取、以及距离测量等功能，将视频A/D采集模块3的输出连接FPGA处理模块5，FPGA处理模块5的输出分别连接LCD显示模块4和扩展通信模块6，LCD显示模块4用于显示测量结果，扩展通信模块6为系统的外部通信接口，便于系统结果的在线显示。

上述系统在测量时，在水面放置浮子装置1，利用浮子装置1正上方的CCD摄像头2垂直监控浮子装置1中的浮子，对浮子进行视频采集，通过A/D芯片采集动态图像数据，经视频A/D采集模块3变换成数字图像帧后，并交由FPGA芯片处理，通过FPGA处理模块5计算采集所得到的视频中浮子装置1中的浮子图像面积，利用浮子与CCD摄像头2的相对距离，得到水位信息，利用水位变化所引起的浮子与CCD摄像头2距离的改变，进而影响动态图像中浮子图像面积的原理，通过计算浮子面积，得到浮子与CCD摄像头2的相对距离，从而测量到水位，最后，将最终测量结果通过外部LCD显示模块4显示，或通过扩展通信模块6传送至远端主机上。

为了进一步得到动态图像中浮子投影所占的面积，本发明采用Canny检测算子对于灰度分量进行边缘提取，步骤如下：

1)使用高斯滤波器来平滑图像，从而可以减少噪声。

2)在每一点处计算局部梯度如下：

$g(x,y)={[G_x^2+G_y^2]}^{1/2}---\left(1\right)$

和边缘方向如下：

∝(x，y)＝arctan(G_y/G_x)(2)

其中边缘点定义为梯度方向上其强度局部最大的点。

3)应用浮子在图像中的投影为圆形特征的先验知识，对整个边缘像素进行规整操作，选择能够覆盖绝大部分边缘像素点的最小圆，即寻找最佳的原点(x₀，y₀)，以及包含边缘像素的最小半径r，规整操作表示为：

$d(x_0,y_0,r_0)=\underset{x,y,r}{\arg \min }\left(P\right\{\sqrt{{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2}>r\}=\mathrm{\ϵ})---\left(3\right)$

上式中，(x₁，y₁)∈T，T代表所有的边缘像素的集合，P为概率，通过规整操作，实现浮子在灰度图像中的边缘提取，完成限定计算面积的区域的计算。

为了得到实际的水位，必须将实际得到灰度面积进行换算。图2描述了浮子装置1中的浮子和CCD摄像头2的位置关系模型。图2中l表示浮子和CCD摄像头2的相对距离，r表示浮子的半径，d表示在浮子的表面投影半径，α表示相对距离l与另一条边的夹角，f表示摄像头的焦距，d′表示由三角函数关系可得：

$\sin \mathrm{\α}=\frac{r}{l},\cos \mathrm{\α}=\frac{d}{r}---\left(4\right)$

所以

$d=r\·\sqrt{1-\frac{r^2}{l^2}}---\left(5\right)$

根据光学投影原理，浮子在图像中的投影半径为：

$d^{\′}=d\·\frac{f}{l}=\frac{f}{l}r\·\sqrt{1-\frac{r^2}{l^2}}---\left(6\right)$

由此可推导得到浮子图像面积与相对距离l的关系：

$S={\mathrm{\πd}}^{\′2}=\mathrm{\π}{(d\·\frac{f}{l})}^2=\mathrm{\π}{f}^2(\frac{r^2}{l^2}-\frac{r^4}{l^4})---\left(7\right)$

利用公式7，通过计算浮子图像的面积得到实际的浮子和CCD摄像头2的相对距离l。由于CCD摄像头2是固定的，因此CCD摄像头2高度与相对距离之差即为实际水位。实际水位测量曲线图如图3所示，CCD摄像头2和水面的距离与所摄浮子的面积呈平方反比关系，即呈一个由陡变缓的曲线，即浮子距CCD摄像头2越近，相同的水位变化，浮子面积变化越大。

Claims (3)

1.一种基于图像视觉的水位测量系统，包括浮子装置(1)，其特征是：CCD摄像头(2)设置于浮子装置(1)的正上方，其输出连接视频A/D采集模块(3)，视频A/D采集模块(3)的输出连接FPGA处理模块(5)，FPGA处理模块(5)的输出分别连接LCD显示模块(4)和扩展通信模块(6)；

浮子装置(1)用于水位的物理标定；

CCD摄像头(2)和视频A/D采集模块(3)采集图像并变换为便于数字设备处理的数字图像；

FPGA处理模块(5)获取图像、对图像边缘提取以及距离测量。

2.一种基于图像视觉的水位测量方法，其特征是采用如下步骤：

1)在水面放置浮子装置(1)，其正上方的CCD摄像头(2)对浮子进行视频采集；

2)经视频A/D采集模块(3)变换成数字图像帧，水位变化引起的浮子与CCD摄像头(2)距离的改变影响动态图像中浮子图像面积；

3)通过FPGA处理模块(5)计算采集所得到的视频中浮子图像面积，得到浮子与CCD摄像头(2)的相对距离，测量出水位；

4)将测量结果通过外部LCD显示模块(4)显示，或通过扩展通信模块(6)传送至远端主机上。

3.根据权利要求2所述的基于图像视觉的水位测量方法，其特征是：步骤3)具体为：

1)使用高斯滤波器平滑图像减少噪声；

2)计算图像中每一点处局部梯度和边缘方向；

3)应用浮子在图像中的投影为圆形特征的先验知识，对整个边缘像素进行规整操作，实现浮子在灰度图像中的边缘提取，完成限定计算面积的区域计算；

4)通过计算浮子图像的面积得到实际的浮子和CCD摄像头(2)的相对距离，CCD摄像头(2)高度与相对距离之差即为实际水位。

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