CN102051871A - 一种嵌入式河道漂浮污染物视觉检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种嵌入式河道漂浮污染物视觉检测装置，包括信息采集模块、电源模块、中央处理模块和控制实施模块，信息采集模块包括均与中央处理模块相连的红外摄像头和温度变送器；中央处理模块分别与电源模块和控制实施模块相连；红外摄像头用于采集河道上的图像；温度变送器用于采集河水的温度信息；中央处理模块对采集到的图像进行模糊分割处理，并与河面上无漂浮物的图像进行比较，判断河道上是否有漂浮污染物，并向控制实施模块发送控制信息；控制实施模块根据收到的控制信息进行打捞作业；电源模块用于为所述的中央处理模块提供电源。本发明实现了自动检测河道漂浮污染物，并能控制打捞设备对漂浮污染物进行处理。

Description

一种嵌入式河道漂浮污染物视觉检测装置

技术领域

本发明涉及机器视觉领域中的一种视觉检测装置，特别是涉及一种嵌入式河道漂浮污染物视觉检测装置。

背景技术

河道污染是一种严重的环境污染。漂浮污染物是河道污染重要污染源之一，不仅使得水质恶化，而且影响了环境美观。常见的漂浮污染物有废弃塑料，厨余垃圾，建筑装修垃圾，爆发生长的绿萍、水葫芦等。在城市河道及河湖景区，常在进水或者出水港道的闸门前安装漂浮物的打捞设备，如固液分离机等。打捞设备附近水域存在漂浮物时，就可以开启设备进行打捞。美中不足的是这些打捞设备主要是依赖人工控制，即由操作人员根据肉眼观察是否有污染物，不能自动检测目标，自主开启。如果能够加装自动检测系统，则既能将漂浮污染物及时打捞出水，又可以减少人力成本。

国内外都广泛开展了污染监控的研究。对大范围的水面监控，如湖泊蓝藻爆发、石油泄漏等等可以通过遥感技术实现。但是对于小范围的水面目标如河道，遥感技术是不适用的。目前对河道污染进行自动监控的方法和设备，主要的检测目标是水质，即水中的化学污染物，该方法和设备不能够实现漂浮污染物的自动检测，同样也没有利用漂浮污染物的监控信息，实现打捞设备的自动控制。如审定公告日为2007年10月24日、公开号为CN101059907的中国专利“基于无线传感器网络的河流流域污染监控系统和方法”，其解决的主要技术问题是对水质信息进行采集；审定公告日为2008年11月12日、公开号为CN101302042的中国专利“工业园区废水排放污染物智能化监控方法”，其检测目标主要是COD和氨氮指标；审定公告日为2007年07月04日、公开号为CN2919320的中国专利“污染治理设施在线监控装置”以及审定公告日为2008年06月11日、公开号为CN201072418的中国专利“环境污染物的自动监测系统”都不涉及具体的某种污染的检测方法，它们是一种能够实现监控的通信网络；审定公告日为2008年12月17日、公开号为CN201166907的中国专利“城市环境污染远程监控系统”主要是污染信息的收集、处理、显示发布，信息采集节点是噪声计和电流采集器。

国外的专利申请与国内类似，除遥感技术外，未发现能自动利用图像信息检测河道漂浮污染物的存在，进而采取打捞措施的专利。

目前，红外成像目前已经发展得比较成熟，运用红外热成像技术可以使人眼不能直接看到目标的表面温度分布，变成人眼可以看到的代表目标表面温度分布的热图像。用红外成像技术监测河道漂浮污染物，不受复杂可见光线变化和波浪的的影响，并且大气、烟云等对3～5μm和8～14μm的红外线是透明的，利用这两个波段，可以在完全无光的夜晚，或是在雨、雪等烟云密布的恶劣环境中，能够清晰地观察到所需监控的目标。利用这些特点，用红外摄像头真正做到24h全天候监控。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种嵌入式河道漂浮污染物视觉检测装置，能够自动检测漂浮污染物，并对漂浮污染物进行打捞作业。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种嵌入式河道漂浮污染物视觉检测装置，包括信息采集模块、电源模块、中央处理模块和控制实施模块，所述的信息采集模块包括红外摄像头和温度变送器；所述的红外摄像头和温度变送器均与所述的中央处理模块相连；所述的中央处理模块分别与所述的电源模块和控制实施模块相连；所述的红外摄像头用于采集河道上的图像；所述的温度变送器用于采集河水的温度信息；所述的中央处理模块对采集到的图像进行模糊分割处理，并与河面上无漂浮物的图像进行比较，判断河道上是否有漂浮污染物，并向所述的控制实施模块发送控制信息；所述的控制实施模块根据收到的控制信息进行打捞作业；所述的电源模块用于为所述的中央处理模块提供电源。

所述的红外摄像头为主动式红外摄像头或被动式红外摄像头，通常在气象条件恶劣地区(多沙尘、多大雾等)选用被动式红外摄像头，在气候条件较好的地区为降低成本优先选用主动式红外摄像头。

所述的中央处理模块采用ARM与DSP双核处理器。

所述的中央处理器还与无线数据传输模块相连；所述的无线数据传输模块与所述的电源模块相连；所述的无线数据传输模块通过内部的GPRS单元连接到GPRS网络进入互联网，并通过固定或动态IP与人机监控终端相连。

所述的红外摄像头通过USB线与所述的中央处理模块相连；所述的控制实施模块通过RS485总线与所述的中央处理模块相连；所述的无线数据传输模块通过串行接口RS-232与所述的中央处理模块相连。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明事先在不同温度下拍摄河面上无漂浮物的图像，经图像处理后作为背景类别的聚类中心，并存入存储器中。在工作时实时或者定时拍摄目标河道区域的红外图像，采集河水温度信息，并送入中央处理模块，利用检测算法，根据存储器中无漂浮物的图像判断河面上是否有漂浮污染物，实现了自动检测河道漂浮污染物，并能控制打捞设备对漂浮污染物进行处理。根据当地的气候条件选用主动式红外摄像头或者被动式红外摄像头，从而能够获得较大的灰度反差，易于区别目标和背景；选用带扩展存储器的ARM+DSP双核处理器能对大量的图像进行存储。本发明具有自动模式和人工模式两种工作状况，实现方式相当灵活。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种嵌入式河道漂浮污染物视觉检测装置，如图1所示，该检测装置包括信息采集模块、电源模块、中央处理模块、无线数据传输模块和控制实施模块。信息采集模块包括红外摄像头和温度变送器，其中，红外摄像头通过USB线与中央处理模块相连，温度变送器直接与中央处理模块相连。电源模块给中央处理模块与无线传输模块提供电源保障。控制实施模块通过RS485总线与中央处理模块相连，接收中央处理模块的控制信息，根据控制信息启动与停止打捞装置。无线传输模块通过串行接口RS-232与中央控制模块相连，无线传输模块通过内部的GPRS单元连接GPRS移动网络，然后再进入互联网，通过固定或动态IP与人机监控终端相连。所以无线传输模块能够使中央处理模块与人机监控终端进行通信，把河道漂浮物的情况以及处理情况传给监控终端，同时监控终端可以通过无线传输模块查询河道漂浮物的情况。

由于红外成像有主动成像和被动成像两种方式，被动式红外摄像头价格高、抗干扰能力强，主动式红外摄像头造价低、抗扰物能力较弱，故本发明根据工作环境的差异，选用不同种类的摄像头。又因为本发明需要较强的图像处理能力，且有大量的图像需要存储，故中央处理模块选用带扩展存储器的ARM和DSP双核处理器。

红外摄像头采集到的图像一般是灰度图像，无需灰度化处理。采集的图像有两种，一种是事先在不同温度下拍摄河面上无漂浮物时候的图像，经过去噪平滑后计算出像素点的平均灰度值(通常取256个等级)，作为背景类别的聚类中心，并存入中央处理模块的存储器中，由于ARM和DSP双核处理器带有扩展存储器接口，因此这种图像可存储在扩展存储器中。另一种图像就是在装置工作时实时或定时拍摄到的目标河道区域的图像，该图像信息通过USB线送入中央处理模块。与此同时，温度变送器将采集到的河水温度同时送入中央处理模块。中央处理模块接收到红外摄像头拍摄到的图像后采用模糊分割的方法表示出该图像各个像素属于不同类别的程度并将每个像素唯一地划分到某个类别中去。本发明采用2个类别，即背景类别与非背景类别，过程如下：

步骤1.确定聚类数目c＝2与加权指数b(b∈[1，+∞))；设定停止阈值ε为一小正数；初始化迭代次数l＝0；设置c×n的糊聚类矩阵U的初始值U⁽⁰⁾(n为像素数)，并对该随机矩阵进行归一化处理，使得

步骤2.将U^(l)代入下式，计算两类的的聚类中心。背景类别的聚类中心为3.1求得的平均灰度值m₁，保持不变，按照下式计算非背景类别的聚类中心m₂ ^(l)：

$m_2^{\left(l\right)}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(u_{\mathrm{ij}}\right)}^b{x}_i/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(u_{\mathrm{ij}}\right)}^b,$

步骤3.按照如下方法用步骤2中的聚类中心m₁与m₂ ^(l)更新U^(l)。

计算I_i，I_i＝{j|1≤j≤c，d_ji＝0}，d_ji为第i个像素到第j类的聚类中心的距离内积。

如果I_i＝φ，则

否则，u_ji＝0

步骤4.检查||U^(L+1)-U^(L)||是否小于预先设定的阈值ε。如果小于，则停止，否则转至步骤2。

对经过模糊分割处理的图像，计算其像素点的个数(即计算非背景类别中的像素点)，像素点的个数与面积的关系需要事先标定。再根据温度变送器采集的温度，得到该温度下的背景类别中的像素点阈值q，当非背景类别中的像素点个数超过阈值q时，中央处理模块则向控制实施模块发出控制信息，控制实施模块收到控制信息后实行打捞作业。在进行打捞期间中央处理模块定时或实时要求信息采集模块传回一张实时图像(比如每过一分钟传回一张实时图像)，并对该图像进行模糊分割处理，计算像素点个数，并与背景类别的像素点阈值q进行比较，当非背景类别中的像素点个数小于等于阈值q时，即表明漂浮污染物已被处理完全，中央处理模块向控制实施模块发出停止打捞作业的命令，控制实施模块收到命令后则停止打捞作业。最后中央处理模块把最后一张判断漂浮污染物被处理完全的图像通过无线数据传输模块传送到人机监控终端。

上述工作模式为本发明的自动模式，本发明的另一种工作模式为人工模式，即中央处理模块将图像用无线数据传输模块发送到人工监控终端(手机或者PC)，管理者通过人工监控终端查询河道漂浮污染物的情况，并远程控制打捞设施的运行。

不难发现，本发明事先在不同温度下拍摄河面上无漂浮物的图像，经图像处理后作为背景类别的聚类中心，并存入存储器中。在工作时实时或者定时拍摄目标河道区域的红外图像，采集河水温度信息，并送入中央处理模块，利用检测算法，根据存储器中无漂浮物的图像判断河面上是否有漂浮污染物，实现了自动检测河道漂浮污染物，并能控制打捞设备对漂浮污染物进行处理。

Claims (5)

1.一种嵌入式河道漂浮污染物视觉检测装置，包括信息采集模块、电源模块、中央处理模块和控制实施模块，其特征在于，所述的信息采集模块包括红外摄像头和温度变送器；所述的红外摄像头和温度变送器均与所述的中央处理模块相连；所述的中央处理模块分别与所述的电源模块和控制实施模块相连；所述的红外摄像头用于采集河道上的图像；所述的温度变送器用于采集河水的温度信息；所述的中央处理模块对采集到的图像进行模糊分割处理，并与河面上无漂浮物的图像进行比较，判断河道上是否有漂浮污染物，并向所述的控制实施模块发送控制信息；所述的控制实施模块根据收到的控制信息进行打捞作业；所述的电源模块用于为所述的中央处理模块提供电源。

2.根据权利要求1所述的嵌入式河道漂浮污染物视觉检测装置，其特征在于，所述的红外摄像头为主动式红外摄像头或被动式红外摄像头。

3.根据权利要求1所述的嵌入式河道漂浮污染物视觉检测装置，其特征在于，所述的中央处理模块采用ARM与DSP双核处理器。

4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的嵌入式河道漂浮污染物视觉检测装置，其特征在于，所述的中央处理器还与无线数据传输模块相连；所述的无线数据传输模块与所述的电源模块相连；所述的无线数据传输模块通过内部的GPRS单元连接到GPRS网络进入互联网，并通过固定或动态IP与人机监控终端相连。

5.根据权利要求4所述的嵌入式河道漂浮污染物视觉检测装置，其特征在于，所述的红外摄像头通过USB线与所述的中央处理模块相连；所述的控制实施模块通过RS485总线与所述的中央处理模块相连；所述的无线数据传输模块通过串行接口RS-232与所述的中央处理模块相连。

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