CN102288778B - 基于网格对象跟踪的实时泥石流表面速度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于网格对象跟踪的实时泥石流表面速度测量方法，在由网络摄像头、路由器和计算机组成的监测系统中，采用图像输入和网格化；网格对象跟踪。再经计算速度及其分布等步骤，实现实时泥石流表面速度监测。本发明可以在泥石流发生时，实时地测量泥石流表面速度及其分布，能够保证较高的测量精度。此外，本发明的方法还可用于测量其他流体表面流速，只要这些流体表面具备一定的纹理特征。

Description

基于网格对象跟踪的实时泥石流表面速度测量方法

技术领域

本发明涉及地质灾害监测，尤其是泥石流发生地位置探测技术及计算机图形图像处理领域。

背景技术

泥石流表面流速是泥石流流体动力学研究的重要参数。通过测量泥石流表面流速，并根据泥石流运动模型可以估计出泥石流的平均流速和流量。目前，国内外关于流体测速的研究取得了一些研究成果。

Albrecht在“Laser doppler and phase doppler measurementtechniques”中介绍了激光多普勒和相位多普勒测量技术，Kalkert等人在“Laser Doppler Velocimetry”中进一步说明了激光多普勒测速方法及其应用。但是，激光多普勒方法属于单点测速技术，难以测量流体表面的速度分布。中科院成都山地所于上世纪90年代末采用近距离立体摄影方法测量泥石流表面流速和泥石流阵流三维图像等。但是，这些方法不仅需要复杂的设备安装和调试，也不能实时地进行计算和分析。

随着计算机视觉技术的发展，通过视频图像来分析运动对象，由于其方法简单有效，因而越来越受到国内外学者的重视。其中典型的方法是PIV粒子图像测速，它是一种瞬态、多点、无接触式的流体力学测速方法，能在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性，具有较高的测量精度。Verestoy在“Digital PIV A Challenge for Feature Based Tracking”中进一步介绍了基于图像自身特征的PIV分析方法。但是，由于一方面实际泥石流测速中一般情况下不可能投放所需的示踪粒子，另一方面，泥石流表面形态和运动的复杂性，使得难以在整个空间范围得到稳定的特征用于分析。因此，PIV测速方法在实验环境下可以取得较为满意的结果，但用于实际泥石流的测速时则相当困难。

发明内容

鉴于以上陈述的已有方案的不足，本发明旨在提供一种泥石流表面速度测量方法，实现实时地测量泥石流表面速度及其分布。

本发明的目的通过如下手段来实现。

基于网格对象跟踪的实时泥石流表面速度测量方法，在由网络摄像头、路由器和计算机组成的监测系统中，各部分之间通过以太网连接，网络摄像头作为视频采集装置将泥石流视频图像数据通过网络传输给计算机，计算机通过对这些图像数据进行分析和处理，初始化后，采用如下的主要手段监测泥石流的实时表面流速：

(1)图像输入和网格化

计算机根据设置的获取速率，从摄像头获取连续两帧图像，作为输入图像；根据设置的网格单元格大小，将输入的第一帧图像网格化；

(2)网格对象跟踪

将网格中的每个单元格作为跟踪对象，在输入的第二帧图像中进行跟踪；

通过如下的迭代计算公式计算位移D：

D₀＝0，

$D_{k+1}=D_k+\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\left(w\left(x\right)\frac{\∂F_{2,i}(x+D_k)}{\∂x}(F_{1,i}\left(x\right)-F_{2,i}(x+D_k))\right)/\underset{x}{\mathrm{\Σ}}w\left(x\right)$

${\left(\frac{\∂F_{2,i}(x+D_k)}{\∂x}\right)}^2.$

经一定次数的迭代计算之后，得到该单元格在两帧图像间的位移；

(3)计算速度及其分布

根据(2)的结果，按照图像位移与实际位移的比例关系换算成实际的位移值，并用该位移值除以两帧时间间隔Δt，得到流体表面各个区域的速度组成了整个流体表面的速度分布；

(4)输出计算结果

将计算结果，即该时刻的流体表面速度及其分布数据输出并存储；继续进行下一时刻的计算，跳转到初始化；否则结束；

经以上(1)-(4)的处理后，当有泥石流发生时，实时监测计算出泥石流表面速度及其分布。

采用本发明基于网格对象跟踪的实时泥石流表面速度测量方法，可以在泥石流发生时，实时地测量泥石流表面速度及其分布，能够保证较高的测量精度。此外，本发明的方法还可用于测量其他流体表面流速，只要这些流体表面具备一定的纹理特征。

附图说明如下：

图1、本发明方法所使用设备的连接图。

图2、图像网格化示例图。

图3、本发明测量方法执行流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施作进一步的描述。

(1)设备安装与连接

本发明方法所需设备仅包含依次连接地网络摄像头、路由器和计算机，它们之间通过以太网连接。设备连接如图1所示，其中1表示网络摄像头，2表示路由器，3表示计算机，4表示泥石流沟床。网络摄像头以合适的高度安装在泥石流沟床的上方，同时镜头以适合的角度对准泥石流沟床。路由器和计算机可以在机房工作站或者远程监控室。因此，网络摄像头作为视频采集装置将泥石流视频图像数据通过网络传输给计算机，计算机通过对这些图像数据进行分析和处理，计算得到泥石流表面速度及其分布。

(2)初始化

根据实际应用情况，设置计算机图像获取速率(如20fps)，该速率应低于摄像头图像采集速率。设置图像位移与实际位移比例关系，该比例关系应在摄像头安装后，通过图像标定等方式确定。根据具体应用环境，设置网格单元格大小，例如，如果摄像头距离泥石流较近或者速度分布计算要求不是太密，则可将单元格设置大一些；如果摄像头距离泥石流较远或者速度分布计算要求比较密，则可将单元格设置小一些。

(3)图像输入

计算机根据设置的获取速率，从摄像头获取连续两帧图像，作为输入图像。

(4)图像网格化

根据设置的网格单元格大小，将输入的第一帧图像网格化，如图2所示。

(5)网格对象跟踪

将网格中的每个单元格作为跟踪对象，在输入的第二帧图像中进行跟踪。

设F_1，i(x)表示输入的第一帧图像中第i个单元格图像，其中i＝1，2，...，n，n为单元格的个数。F_1，i(x)的值为该图像在X位置的像素值。X是一个向量，在这里由图像的横坐标x和纵坐标y组成，即X＝(x，y)。设F_2，i(x+D)表示第一帧图像中第i个单元格经运动后在第二帧图像中得到的结果，其中向量D为该单元格在两帧图像间的位移。通过如下的迭代计算公式计算位移D：

D₀＝0，

$D_{k+1}=D_k+\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\left(w\left(x\right)\frac{\∂F_{2,i}(x+D_k)}{\∂x}(F_{1,i}\left(x\right)-F_{2,i}(x+D_k))\right)/\underset{x}{\mathrm{\Σ}}w\left(x\right)$

${\left(\frac{\∂F_{2,i}(x+D_k)}{\∂x}\right)}^2.$

其中w(x)为像素的权重，如w(x)＝1。

因此，经过一定次数的迭代计算之后，可以得到该单元格在两帧图像间的位移。同理，可以计算出网格中其它单元格的图像位移。显然，对于处在图像静止区域中的单元格位移D＝0。

(6)计算速度及其分布

根据计算得到的各个单元格图像位移，按照图像位移与实际位移的比例关系换算成实际的位移值，并用该位移值除以两帧时间间隔Δt，得到各个单元格对应的流体表面各个区域的流速，即流体表面各个区域的速度组成了整个流体表面的速度分布。

(7)输出计算结果

将计算结果，即该时刻的流体表面速度及其分布数据输出并存储。继续进行下一时刻的计算，跳转到(2)。否则，结束。

本发明方法的技术流程图如图3所示。经过以上(3)-(7)的处理后，当有泥石流发生时，本发明方法将实时的计算出泥石流表面速度及其分布。

本发明的方法可用于泥石流野外原型和室内实验的实时表面流速测量及其应用。此外，还可用于测量其他流体表面流速，只要这些流体表面具备一定的纹理特征。本发明方法可通过任何计算机程序设计语言(如C语言)编程实现。

Claims (1)

1.基于网格对象跟踪的实时泥石流表面速度测量方法，在由网络摄像头、路由器和计算机组成的监测系统中，各部分之间通过以太网连接，网络摄像头作为视频采集装置将泥石流视频图像数据通过网络传输给计算机，计算机通过对这些图像数据进行分析和处理，初始化后，采用如下的主要手段监测泥石流的实时表面流速：

（1）图像输入和网格化

计算机根据设置的获取速率，从摄像头获取连续两帧图像，作为输入图像；根据设置的网格单元格大小，将输入的第一帧图像网格化；

（2）网格对象跟踪

将网格中的每个单元格作为跟踪对象，在输入的第二帧图像中进行跟踪；

通过如下的迭代计算公式计算位移D：

D₀=0,

$D_{k+1}=D_k+\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\left(w\left(x\right)\frac{\∂F_{2,i}(x+D_k)}{\∂x}(F_{1,i}\left(x\right)-F_{2,i}(x+D_k))\right)/\underset{x}{\mathrm{\Σ}}w\left(x\right)$

${\left(\frac{\∂F_{2,i}(x+D_k)}{\∂x}\right)}^2.$

经一定次数的迭代计算之后，得到该单元格在两帧图像间的位移；式中，F_1,i(x)表示输入的第一帧图像中第i个单元格图像，F_1，i(x)的值为该图像在X位置的像素值，F_2,i(x+D)表示第一帧图像中第i个单元格经运动后在第二帧图像中得到的结果，向量D为该单元格在两帧图像间的位移，w(x)为像素的权重；

（3）计算速度及其分布

根据（2）的结果，按照图像位移与实际位移的比例关系换算成实际的位移值，并用该位移值除以两帧时间间隔Δt，得到流体表面各个区域的速度组成了整个流体表面的速度分布；

（4）输出计算结果

将计算结果，即该时刻的流体表面速度及其分布数据输出并存储；继续进行下一时刻的计算，跳转到初始化；否则结束；

经以上（1）-（4）的处理后，当有泥石流发生时，实时监测计算出泥石流表面速度及其分布。

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