CN102768054B - 基于监控视频及激光标识的水位测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于监控视频及激光标识的水位测量装置及测量方法，属于电子测量的技术领域。所述水位测量装置包括摄像机、视频监控器、图像采集器、DSP视频处理器、显示通信模块。所述水位测量方法中，在摄像机侧壁上固定扇形分布的激光头，DSP视频处理器处理每个采样周期获取的激光标识，计算激光标识像素距离进而利用几何关系求解实际水位变化量。本发明在保证河流行洪通常的前提下，从视频监控器的输入线路引一路信号给图像采集器，在监控室内共享摄像机拍摄的视频画面，水位测量图像处理装置直接对视频画面进行处理获得水位，避免了水位监测点到监控室的通信线，提高了装置的利用率和可靠性。

Description

基于监控视频及激光标识的水位测量装置及测量方法

技术领域

本发明公开了基于监控视频及激光标识的水位测量装置及测量方法，属于电子测量的技术领域。

背景技术

目前，公知的区域河流、湖泊水位的非接触式测量方法是通过激光、超声波、电磁波的回波来测量区域河流、湖泊水位，通过对被测水面发射激光（或电磁波、超声波），利用发送和接收激光（或电磁波、超声波）之间时间差Δt来确定水位，即水位

（其中，H₀为发送和接收激光或电磁波位置高度，V为激光或电磁波或超声波速度）。这些方法尽管其具有较高的测量精度，但它需要高速处理器或FPGA对信号进行现场处理，对仪器的工作环境有较高的要求，另外还需铺设通信线路将水位数据送入监控中心。也有通过视频观察水位浮子的位置来确定水位。这都需要在河流、湖泊附近大量施工，但是在有些场合现场施工很困难。特别对一些已有电视监控区域的工程进行改造时，要想增加水位测量装置，并将信号传到监控中心将特别困难；增加水位测量装置必将增加水位监控成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了基于监控视频及激光标识的水位测量装置及测量方法。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

基于监控视频及激光标识的水位测量装置，包括摄像机，视频监控器，顺序连接图像采集器、DSP视频处理器、显示通信模块，所述摄像机的输出端、视频监控器的输入端、图像采集器的输入端通过三通连接器连接，所述摄像机侧壁上安置有n个激光头，n为大于等于2的自然数；其中：

所述摄像机将拍摄到的画面传输至视频监控器；

所述图像采集器从视频监控器的输入线路采集图像，将模拟视频信号转换为数字帧信号；

所述DSP视频处理器用于处理数字帧信号，处理激光标识图像，计算实际水位变化量；

所述显示通信模块用于显示DSP计算出的实际水位变化值，将显示的实际水位变化值传输至上位机。

所述基于监控视频及激光标识的水位测量装置，所述基于监控视频及激光标识的水位测量装置还包括视频切换器，所述视频切换器的输入端接多个摄像机，输出端通过三通连接器与图像采集器、视频监控器连接。

基于监控视频及激光标识的水位测量方法，包括如下步骤：

步骤1，在待测水域岸基上垂直立杆，将摄像机固定在立杆上，调整激光头之间的夹角使得n个光束源端相交与一点；

步骤2，图像采集器将视频信号转换为数字帧图像；

步骤3，DSP视频处理器处理每个采样周期获取的数字帧图像的激光标识位置，并提取激光标识特征点，再计算激光表示特征点之间的实际距离；

步骤4，对于两个采样周期内DSP视频处理器计算得到的激光标识之间的实际距离，利用三角形边长与夹角的关系计算出两个采样周期内实际水位的变化量；

步骤5，显示通信模块显示计算出的实际水位变化量，将显示的实际水位变化量传输至上位机。

所述基于监控视频及激光标识的水位测量方法中，步骤3的具体实施如下：

步骤3-1，将数字帧图像转换为RGB图像，利用高通滤波器对RGB图像进行滤波处理;

步骤3-2，将滤波后的RGB图像转换为灰度图像，再设置阈值对灰度图像做二值化处理得到激光标识高亮度像素聚集区：

步骤3-3，在数字帧图像区域内，自上而下搜索激光标识高亮度像素聚集区，对每一个激光标识高亮度像素聚集区做如下处理：

步骤a，在激光标识高亮度像素聚集区的边缘上任取两点，计算两点确定的直线方程，统计各直线方程的参数，所述参数包括直线方程的斜率和截矩；

步骤b，在以直线方程斜率、截矩为坐标轴建立的二位坐标系中，确定参数坐标，计算每个参数坐标聚集区的中心点坐标，所述中心点即为激光标识的特征点；

步骤3-4，计算对应的激光标识特征点之间的像素距离，再根据摄像机放大系数获得对应激光标识特征点之间的实际距离。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：从视频监控器的输入线路获取图像采集器的输入信号，使得水位测量装置在现场不增加大量施工的前提下，在监控室内共享摄像机拍摄的视频画面，水位测量图像处理装置直接对视频画面进行处理获得水位，避免了水位监测点到监控室的通信线路；在不占用河床位置的情况下安装激光头，保证了河流行洪通畅；通过视频切换器接入不同视频画面，实现了一个水位测量装置测量多个监视点的水位，提高了装置的利用率和可靠性。

附图说明

图1为基于监控视频及激光标识的水位测量装置的示意图。

图2为基于监控视频及激光标识的水位测量方法的示意图。

图3为提取激光标识特征点的示意图。

图4为包含多个摄像机以及视频切换器的水位测量装置的示意图。

图中标号说明：1为岸基，2为立杆，3为摄像机，4、5、6为红色波段激光头，7、8、9为激光束。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示的基于监控视频及激光标识的水位测量装置，包括摄像机3，视频监视器，顺序连接的图像采集器、DSP视频处理器、显示通信模块，三个安装在摄像机3侧壁上的激光头4、5、6，摄像机3的输出端、视频监控器的输入端、图像采集器的输入端通过三通连接器连接。

图像采集器从视频监控器输入线路处通过三通连接器分取一路视频信号，将视频信号转换为数字帧图像。

DSP视频处理器选用了德州仪器公司的TMS320DM6467芯片。通过对TMS320DM6467芯片编程，实现了对数字帧图像的滤波处理，识别出激光标识后提取激光标识特征点，计算激光标识特征点之间的距离，再由三角形边长和夹角的关系计算出激光束发射点到水面的垂直距离，TMS320DM6467芯片根据自带的定时器设置的采样周期实时计算出实际水位值，两次采样周期计算的实际水位值之差即为水位差。

显示通信模块实时显示DSP每个采样周期计算的得到的实际水位变化量。

如图2所示，基于监控视频及激光标识的水位测量方法包括如下步骤：

步骤1，在待测水域岸基1上垂直固定立杆2，将摄像机3固定在立杆2上，调整激光头4、5、6之间的夹角（∠AOB、∠BOC、∠AOC的数值均已知）使得3个激光束7、8、9的源端相交，激光束7、8、9呈扇形分布。

步骤2，图像采集模块将视频信号转换为数字帧图像；

步骤3，DSP视频处理器对数字帧图像中的激光标识滤波处理、特征值提取操作后得到激光标识特征点，计算出图像上激光标识特征点之间的距离，再乘以一系数获得水面上激光标识特征点之间的实际距离：

步骤3-1，将数字帧图像转换为RGB图像，利用红色（激光标识是红色）高通滤波器对图像进行滤波，滤波表达式如式（1）所示：

其中：u，v为RGB图像像素垂直和水平坐标，D(u,v)表示坐标为u，v的像素单元，R(*),G(*),B(*)分别表示像素单元的红色，绿色，蓝色分量值，R₀为红色阈值（实例中取R₀=170），k为比例系数（实例中k=2）

步骤3-2，利用表达式（2）将滤波后的图像转换为灰度图像，以灰度图像最大灰度值的70%为灰度阈值二值化处理滤波后的灰度图像，舍去孤立离散点得到三个激光标识高亮度像素聚集区；

Gray(u，v)=0.299R(D(u，v))+0.578G(D(u，v))+0.114B(D(u，v))  （2），

步骤3-3，在数字图像区域内，自上而下搜索第一至第三个激光标识高亮度像素聚集区，对每一个激光标识高亮度像素聚集区做如下处理：

步骤a，激光标识高亮度像素聚集区图像的边缘上任意取两点(u₁,v₁)、(u₂,v₂)带入方程（3），解出直线参数{(a₁,b₁),(a₂,b₂)，....,(a_m,b_m)}，m为自然数：

au₁+bv₁＝1                                                  （3），

au₂+bv₂=1

其中：m为直线个数，a_m、b_m表示第m条直线的斜率和截矩；

步骤b，统计参数{(a₁,b₁),(a₂,b₂)，....,(a_m,b_m)}，参数将在斜率——截矩构成的直角坐标平面上呈现三个聚集区，求取三个参数聚集区的三个中心点坐标作为三角形三条边的直线参数{(a_1c,b_1c),(a_2c,b_2c),(a_3c,b_3c)},获得三条直线方程（4）：

a_1cu+b_1cv=1

a_2cu+b_2cv=1                                                        （4）

a_3cu+b_3cv=1

利用三条边的直线方程可解出三角形三个顶点坐标，取整获得图像上的像素坐标值，激光标识高亮度像素聚集区的特征点如图3所示。

步骤3-4，在数字帧图像区域内，自上而下计算两两不同激光标识高亮度像素聚集区对应顶点间像素距离，根据各个激光标识对应顶点之间的距离计算激光标识特征点之间距离的平均值；根据激光标识特征点之间距离的平均值以及摄像机的放大倍数计算激光标识特征点之间的实际距离，进而计算出激光束源端到水面的实际距离。

利用公式（5）计算AB、BC、AC、DE、EF、DF之间的实际距离：

$L_{\mathrm{AB}}=\frac{1}{3}K(N_{A_1{B}_1}+N_{A_2{B}_2}+N_{A_3{B}_3})$

$L_{\mathrm{BC}}=\frac{1}{3}K(N_{B_1{C}_1}+N_{B_2{C}_2}+N_{B_3{C}_3})$

$L_{\mathrm{AC}}=\frac{1}{3}K(N_{A_1{C}_1}+N_{A_2{C}_2}+N_{A_3{C}_3})---\left(5\right)$

$L_{\mathrm{DE}}=\frac{1}{3}K(N_{D_1{E}_1}+N_{D_2{E}_2}+N_{D_3{E}_3})$

$L_{\mathrm{EF}}=\frac{1}{3}K(N_{E_1{F}_1}+N_{E_2{F}_2}+N_{E_3{F}_3})$

$L_{\mathrm{DF}}=\frac{1}{3}K(N_{D_1{F}_1}+N_{D_2{F}_2}+N_{D_3{F}_3})$

其中：

表示第u个激光标识高亮度像素聚集区中特征点X、Y之间的距离，u＝1，2，3，K是画面中标识间距离与水面上标识间距离关系系数，K的取值与摄像机镜头放大倍数有关。

在ΔABO中，在已知边长AB长度为L_AB，且角度∠AOB,∠OAB,∠ABO已知情况下，可以利用余弦定理计算出边长AO、BO的长度L_AO和L_BO。解方程组（6）得到边长AO、BO的长度L_AO和L_BO：

L² _AO＝L² _AB+L² _BO-2L_ABL_BOcos∠ABO

L² _BO＝L² _AB+L² _AO-2L_ABL_AOcos∠OAB                                (6)

利用公式（1）至公式（6）可以获得L_DO,L_EO,L_FO,L_CO。

步骤4，由表达式（7）可计算出两个采样周期内实际水位变化量：

$\mathrm{\ΔH}=\frac{1}{3}((L_{\mathrm{DO}}-L_{\mathrm{AO}})\sin \∠\mathrm{ODE}+(L_{\mathrm{EO}}-L_{\mathrm{BO}})\sin \∠\mathrm{OEF}+(L_{\mathrm{FO}}-L_{\mathrm{CO}})\sin \∠\mathrm{OFP})---\left(7\right)$

这里计算的结果是水位的变化量。如果要计算绝对水位，可以利用GPS标定基准水位的海拔高度H_基准，然后再利用基准水位H_基准加相对基准水位的变化量ΔH来计算绝对水位，如表达式（8）所示：

H=H_基准+ΔH                                                （8）

步骤5，显示通信模块显示计算出的实际水位变化量，将显示的实际水位变化量传输至上位机。

如图4所示，在图像采集模块之前加上视频切换器后，多个摄像机可以通过视频切换器将多个监测点的图像传输给图像采集模块，DSP视频处理器与视频切换器连接件。激光头的个数原则上同时激光头的个数越多，

综上所述，本发明从视频监控器的输入线路获取图像采集器的输入信号，使得水位测量装置在现场不增加大量施工的前提下，在监控室内共享摄像机拍摄的视频画面，水位测量图像处理装置直接对视频画面进行处理获得水位，避免了水位监测点到监控室的通信线路；在不占用河床位置的情况下安装激光头，保证了河流行洪通畅；通过视频切换器接入不同视频画面，实现了一个水位测量装置测量多个监视点的水位，提高了装置的利用率和可靠性。上述具体实施例仅为本发明的一个优化实时方案，激光头的数目大于等于2就可以实现本发明，水面激光标识就越多，进入视频画面的标识就愈多，视频图像采集的标识个数越多，测量精度越高。所有符合本发明宗旨的实施方案均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于监控视频及激光标识的水位测量装置，包括摄像机，视频监控器，顺序连接图像采集器、DSP视频处理器、显示通信模块，其特征在于：所述摄像机的输出端、视频监控器的输入端、图像采集器的输入端通过三通连接器连接，所述摄像机侧壁上安置有n个激光头，n为大于等于2的自然数；其中： 

所述摄像机将拍摄到的画面传输至视频监控器； 

所述图像采集器从视频监控器的输入线路采集图像，将模拟视频信号转换为数字帧信号； 

所述DSP视频处理器用于处理数字帧信号，处理激光标识图像，计算实际水位变化量； 

所述显示通信模块用于显示DSP计算出的实际水位变化值，将显示的实际水位变化值传输至上位机。 

2.根据权利要求1所述的基于监控视频及激光标识的水位测量装置，其特征在于：所述基于监控视频及激光标识的水位测量装置还包括视频切换器，所述视频切换器的输入端接多个摄像机，输出端通过三通连接器与图像采集器、视频监控器连接。 

3.基于监控视频及激光标识的水位测量方法，利用权利要求1所述基于监控视频及激光标识的水位测量装置实现，其特征在于包括如下步骤： 

步骤1，在待测水域岸基上垂直立杆，将摄像机固定在立杆上，调整激光头之间的夹角使得n个光束源端相交与一点； 

步骤2，图像采集器将视频信号转换为数字帧图像； 

步骤3，DSP视频处理器处理每个采样周期获取的数字帧图像的激光标识位置，并提取激光标识特征点，再计算激光表示特征点之间的实际距离； 

步骤4，对于两个采样周期内DSP视频处理器计算得到的激光标识之间的实际距离，利用三角形边长与夹角的关系计算出两个采样周期内实际水位的变化量； 

步骤5，显示通信模块显示计算出的实际水位变化量，将显示的实际水位变化量传输至上位机。 

4.根据权利要求3所述的基于监控视频及激光标识的水位测量方法，其特征在于所述步骤3的具体实施如下： 

步骤3-1，将数字帧图像转换为RGB图像，利用高通滤波器对RGB图像进行滤波处理; 

步骤3-2，将滤波后的RGB图像转换为灰度图像，再设置阈值对灰度图像做二值化处理得到激光标识高亮度像素聚集区： 

步骤3-3，在数字帧图像区域内，自上而下搜索激光标识高亮度像素聚集区，对每一个激光标识高亮度像素聚集区做如下处理： 

步骤a，在激光标识高亮度像素聚集区的边缘上任取两点，计算两点确定的直线方程，统计各直线方程的参数，所述参数包括直线方程的斜率和截矩； 

步骤b，在以直线方程斜率、截矩为坐标轴建立的二位坐标系中，确定参数坐标，计算每个参数坐标聚集区的中心点坐标，所述中心点即为激光标识的特征点；

步骤3-4，计算对应的激光标识特征点之间的像素距离，再根据摄像机放大系数获得对应激光标识特征点之间的实际距离。 

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