CN103206947A - 一种基于水准泡的倾角测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水准泡的倾角测量方法及装置，该方法用于对某设备较小的倾斜角度值做出测量，所述方法具体为：采集放置于待测设备平面上的水准泡的图像，当设备平面发生倾斜时，通过处理采集的水准泡的图像获取该水准泡中的气泡相对于所述平面水平时该气泡所在的平衡位置的移动距离，将移动距离转化为被测平面设备的倾斜角度。可选的，所述水准泡为圆形水准泡和管状水准泡。当倾斜角度较小时所述气泡的移动距离与倾斜角度间的关系是线性的，具体采用下式将气泡的位置变化量转换为待测设备的倾斜角度：α＝(θ/2)×d，其中，d为气泡的移动距离d，单位为mm；θ是水准泡的角值。本发明的技术方案对小倾角的测量有更高的精度和更短的测量稳定时间。

Description

一种基于水准泡的倾角测量方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种倾角测量的方法及其装置，特别涉及一种基于水准泡的倾角测量方法及其装置。

背景技术

在安装大型设备时，为保证设备的安全使用，一般都需要对设备的倾斜程度和倾斜角度进行测量。比较传统并且目前还比较常用的测量方法就是利用水平尺或经纬仪放置在设备平面上，通过人眼来观察倾斜的程度，无疑这种方法是不精确、误差极大的。为了提高测量的精度，不少的组织和个人尝试了一些利用现代电子科学和计算机技术的方法，如一些使用新型的敏感元器件，把角度变化转化为电信号输出的方法。但是由于敏感电子元件大多存在的温漂和时漂、易受环境干扰等问题，使得测量的结果不稳定，或者精度达不到要求。

中国专利说明书CN200820016057.0公开了一种视觉方法倾角测量装置。该装置包括壳体和倾角显示装置，壳体包括上、下端盖，壳体内安装有隔板，隔板上部的壳体内安装有倾角测量标志物及倾角传感器，测量电路板安装在隔板下部的壳体内，倾角传感器与倾角测量电路板电连接，倾角测量电路板与显示装置电连接。该装置确实可以较为有效的测量倾角值，但是由于该装置的倾角测量标志物采用的是重力摆，因此测量时所需要的稳定时间很长，极易受到细微干扰的影响，测量精度不高。

此外，目前的倾角传感器的主要工作原理有三种：采用重力摆结构，通过对重力方向的敏感来实现倾斜角度的测量；第二种是采用电感测量传感器，用于确定可以相对于固定外壳移动的物体的位置测量倾角；还有一种是电磁式倾角传感器。其中后两种由于原理以及测量方法的局限，精度都不高。而重力摆式的倾角传感器按期敏感介质分，可分为固体摆、液体摆以及气体摆，其中以液体摆的精度最为高。现在很多的倾角传感器正是采用了液位的变化引起电感、电容、阻抗的变化来实现高精度的倾角测量，但是由于电子元器件的温漂和时漂，造成了只能在温度环境好的情况下用于短时间的测量。

水准泡实际上就是一种以液体为敏感介质的传感器，它广泛应用于各种光电仪器如水平仪、电子称、经纬仪等。这些仪器中，水准泡的作用主要是用来指示某一轴线是否处于水平或铅垂位置，而很少有直接用于对倾角的测量的。本发明的工作就是利用水准泡的高精度以及对倾斜的高灵敏度的特点，通过处理CCD摄像头获得的水准泡图像，从而实现对倾角的测量。

本发明基于上述专利，创造性的改进了该专利的不足，有效提高了对设备的倾斜程度和倾斜角度进行测量的精度并节省了测量时间。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有技术存在的上述问题，提供一种测量倾角值的方法及装置。

为实现上述技术目的，本发明提供了一种基于水准泡的倾角测量方法，该方法用于对某设备较小的倾斜角度值做出测量，所述方法具体为：

采集放置于待测设备平面上的水准泡的图像，当设备平面发生倾斜时，通过处理采集的水准泡的图像获取该水准泡中的气泡相对于所述平面水平时该气泡所在的平衡位置的移动距离，将移动距离转化为被测平面设备的倾斜角度。

上述技术方案中，所述水准泡为圆形水准泡和管状水准泡。

上述技术方案中，当倾斜角度较小时所述气泡的移动距离与倾斜角度间的关系是线性的，具体采用下式将气泡的位置变化量转换为待测设备的倾斜角度：

α＝(θ/2)*d                (1)

其中，d为气泡的移动距离d，单位为mm；θ是水准泡的角值。

所述圆形水准泡的气泡移动距离d通过以下步骤获取：采集圆形水准泡的图像并进行截取，对截取的图像进行去噪、增强和细化处理提取水准泡上的分划圈以及水准泡里的气泡轮廓，依据提取的分划圈及气泡轮廓建立坐标系确定分划圈及气泡轮廓各自对应的圆心的坐标值，根据计算的两个圆心的坐标值最终确定气泡移动的距离d；其中，所述分划圈及气泡均为圆形。

所述管状水准泡的气泡移动距离d通过以下步骤获取：

步骤101)图像采集装置获取水准泡图像；

步骤102)将获取的水准泡图像分成三部分，第一部分和第三部分分别包含左右分划线，所述第二部分包含部分或全部的气泡；

步骤103)对第一和第三部分分别进行处理提取左分划线和右分划线，对第二部分采用带有增强效果的灰度化策略提取出其所包含的气泡轮廓；

步骤104)通过搜索策略从提取的气泡轮廓上搜索获取气泡的端点；

步骤105)依据搜索的气泡端点与左分划线或右分划线的距离确定气泡的移动距离d。

优化的，步骤103)所述提取左分划线和右分划线的处理方法具体为依次执行如下处理：对采集的包含左右分划线的第一和第三部分的彩色图像灰度化、阈值化处理、图像二值化、去噪处理及细化平滑；所述提取气泡轮廓的处理方法具体为依次执行如下处理：对采集的包含气泡的第二部分的彩色图像灰度化、阈值化处理、图像二值化及去噪处理。

优化的，所述对采集的包含气泡的第二部分的彩色图像灰度化策略进一步包含如下子步骤：

首先，计算R、G、B三分量对x和y的偏微分以得到各个分量的梯度图，所述偏微分分别用如下两个模板来进行偏微分计算：

$\∂/\∂x=\left[\begin{array}{ccc}0& -\sqrt{2}& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& \sqrt{2}& 0\end{array}\right]$ $\∂/\∂y=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 0\\ -\sqrt{2}& 0& \sqrt{2}\\ 0& 0& 0\end{array}\right];$

其次，用R、G、B三分量的图像分别与两个偏微分算子模板作卷积，即可得到图像三分量在两个方向上的梯度图R_x、R_y、G_x、G_y、B_x、B_y，记图像的雅可比矩阵为：

$J=\left[\begin{array}{cc}\∂R/\∂x& \∂R/\∂y\\ \∂G/\∂x& \∂G/\∂y\\ \∂B/\∂x& \∂B/\∂y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{R}_x& R_y\\ G_x& G_y\\ B_x& B_y\end{array}\right];$

然后，再引入一变量DV²表示图像在{dx，dy}方向上的变化率，

DV²＝(dx dy)M(dx dy)^T；

$M=J^{T}J=\left[\begin{array}{cc}{M}_{\mathrm{xx}}& M_{\mathrm{xy}}\\ M_{\mathrm{xy}}& M_{\mathrm{yy}}\end{array}\right];$

依据得到的图像三分量在两个方向上的梯度图R_x、R_y、G_x、G_y、B_x、B_y，采用如下3个公式确定M_xx、M_yy和M_xy：

$M_{\mathrm{xx}}=R_x^2+G_x^2+B_x^2;$

$M_{\mathrm{yy}}=R_y^2+G_y^2+B_y^2;$

M_xy＝R_x×R_y+G_x×G_y+B_x×B_y；

其中，M_xx表示R、G、B三通道对x方向偏微分的平方和，M_yy表示R、G、B三通道对y方向偏微分的平方和，M_xy表示R、G、B三通道对x方向偏微分和对y方向偏微分的乘积和

最后，依据计算图像的梯度即为最大化DV²的幅度，进一步可以转化为求M在其特征向量方向上的极值即M的极大的特征值，采用如下公式得到整幅包含管状水准泡的梯度图，最终完成采集的彩色图像的灰度化；

$V=(M_{\mathrm{xx}}+M_{\mathrm{yy}}+\sqrt{{(M_{\mathrm{xx}}+M_{\mathrm{yy}})}^2-4\×(M_{\mathrm{xx}}\×M_{\mathrm{yy}}-M_{\mathrm{xy}}^2)})/2.$

基于上述方法本发明还提供了一种基于水准泡的倾角测量装置，该装置用于对某设备较小的倾斜角度值做出测量，所述倾角测量装置包含：壳体和倾角显示单元，其特征在于，所述倾角测量装置还包含：水准泡、图像采集单元和倾角测量计算单元；

所述壳体轴向从上向下进一步包含：上盖板、中间隔层、平的底盖板；所述水准泡固定于底盖板的中心，所述图像采集单元设置在隔板下表面正对所述水准泡的上方，所述倾角测量计算单元固定于隔板的上表面，该倾角测量计算单元的输入端和输出端分别与所述图像采集单元和倾角显示单元电连接；

其中，所述倾角测量计算单元通过对图像采集单元采集的水准泡的图像进行处理，得到水准泡中的气泡相对于其平衡位置处的位置变化量，最终计算出待测设备的倾斜的角度并进行输出；所述平衡位置为当水准泡放置在水平平面上时其包含的气泡所在的位置。

优化的，所述的倾角测量装置还包含若干光源，所述光源均匀布设于隔板下表面的最外圆周上与所述倾角测量计算单元电连接。

可选的，所述水准泡为圆形水准泡或管状水准泡。

上述技术方案中，所述倾角测量计算单元进一步包含：

采集图像截取模块，用于每隔一定的时间对图像采集单元传送的视频图像截取成单幅的BMP或JPG格式的图片；

气泡移动距离d获取模块，用于对截取的图片进行相关处理获取气泡移动距离d；其中，当采用管状水准泡时所述相关处理包含：对截取的彩色图像进行分段、基于分段提取分划线及气泡轮廓、搜索气泡轮廓的端点位置及依据该端点值与左右分划线的距离值最终确定气泡的移动距离d；当采用圆形水准泡时所述相关处理包含：对截取的图像进行处理提取水准泡上的分划圈以及水准泡里的气泡轮廓，依据提取的分划圈及气泡轮廓建立坐标系确定分划圈及气泡轮廓各自对应的圆心的坐标值，根据计算的两个圆心的坐标值最终确定气泡移动的距离d；和

倾角生成模块，用于依据得到的气泡的移动距离d及已知的气泡的角值根据下式确定待测设备的倾角值；

α＝(θ/2)*d                     (1)

其中，d为气泡的移动距离，单位为mm；θ是水准泡的角值。

与现有技术相比，本发明的技术优势在于：

本发明的技术方案与现有技术的用于小角度倾角测量的设备相比具有更高的测量精度和更短的测量稳定时间。

附图说明

图1是本发明实施方式的构成原理图；

图2-a是本发明实施例获取的圆形水准泡的示意图；

图2-b是本发明实施例获取的管状水准泡的示意图；

图3-a是本发明实施例分段的管状水准泡的最左端到管状水准泡1/3处的示意图(包含左分划线)；

图3-b是本发明实施例分段的管状水准泡的第1/3处到2/3处包含气泡部分的示意图；

图3-c是本发明实施例分段的管状水准泡的包含右端的分划线的后1/3的示意图；

图4是本发明实施例对第一和第三部分图像的处理流程框图；

图5-a是本发明实施例阈值化处理第一部分包含左划线的后的示意图；

图5-b是本发明实施例阈值化处理第三部分包含右划线的后的示意图；

图6-a是本发明实施例二值化左分划线得到的该分划线的示意图；

图6-b是本发明实施例二值化右分划线得到的该分划线的示意图；

图7-a是本发明实施例二值化后再进行去噪后的左分化线的示意图；

图7-b是本发明实施例二值化后再进行去噪后分的右分划线的示意图；

图8-a是本发明实施例二值化后进行去噪后再细化的最终的左分化线的示意图；

图8-b是本发明实施例二值化后进行去噪后再细化的最终的右分划线的示意图；

图9是采用本发明算法增强处理的气泡图像的结果：

图10是采用现有的sobel算子增强处理的气泡图像的结果；

图11是对图像再进行进一步的阈值处理、二值化处理以及去噪后得到的气泡的图像；

图12是本发明实施例的气泡有部分移动出第二部分后经过上述图像处理后的结果示意图；

图13为本发明实施例的水准泡分段处理好后再组合的最终图像；

图14是本发明针对圆形水准泡提取当待测平面水平时分化圈(即参照圆)和气泡所在的圆的相互位置关系的图像，且此时气泡所在的位置为平衡位置；

图15为本发明实施例采用圆形水准泡时的气泡移动时(相对于平衡位置处)建立的直角坐标系的示意图；

图16为本发明实施例采用管状水准泡时气泡相对于平衡位置移动前后的关系示意图；

图17为本发明实施例采用管状水准泡的时提取包含气泡部分的图像处理流程图。

附图标识：

1、壳体             2、倾角显示单元     3、隔层

4、水准泡           5、图像采集设备     6、光源

7、倾角测量计算单元 8、上盖板           9、底盖板

10、分化圈          11、左分划线        12、右分划线

13、气泡            14、气泡端点        15、气泡移动距离d

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细描述。

本发明的技术方案该方法利用水准泡作为敏感源，利用图像处理的方法，对小角度的倾角值作出较为精确地测量。

本发明的另一个要解决的技术问题是提供一种倾角测量装置，该装置利用图像采集设备采集水准泡图像，经过图像处理技术处理采集到的图像计算出倾角值并显示出来，该装置主要针对小角度精确测量。

本发明的倾角值测量的方法为：把水准泡的角值θ标定好，利用图像采集装置固定在水准泡正上方对其进行图像采集，把采集到的图像进行中值去噪、阈值增强、二值化、细化等处理，提取出水准泡上的分划线11/12以及气泡的轮廓，然后利用提取的分划线和气泡轮廓计算出水准泡中的气泡相对于该气泡平衡位置时的移动距离d，再根据公式α＝d*θ/2，可以计算出倾角值，其中d的单位为mm，α和θ的单位都为度；其中所述的平衡位置为当放置水准泡的待测设备平面水平时气泡的所在的位置。

上述技术方案所述水准泡可采用圆形水准泡(万向水准泡)，采用圆形水准泡测量设备的倾斜角度时可以测量一个设备的平面朝任意方向倾斜。

所述水准泡也可以采用管状水准泡，当采用管状水准泡时可以通过多个水准泡的组合来测定设备朝不同方向的倾斜。

如图1所示，该图给出了本发明的基于水准泡的倾角测量装置的具体实施方式的结构原理图，该倾角测量装置包含：壳体1和倾角显示单元2，壳体1的底盖板9必须是平的、须防爆防震、不易撞击变形，在该底盖板9正中安放水准泡；所述壳体中的内部还设置有一隔层3，把图像采集设备5安装在隔层3下的壳体内正对这水准泡4的隔层3的下表面上，优化的可以在隔层3旁边安装若干个光源6；在隔层3上的上表面安放倾角测量计算单元7，该倾角测量计算单元7进一步包括：电源模块、测量控制模块、图像采集模块以及图像处理模块等；壳体1的顶部是一个可拆卸的顶盖，可以把倾角显示单元2安在顶盖上，也可以把倾角显示单元2连接在壳体1以外；图像采集设备5、光源6以及倾角显示单元2均与倾角测量计算单元7电连接。

其中，所述图像采集模块每隔一定的时间对视频图像进行截取，截取成单幅的BMP或JPG格式的图片输送到倾角测量计算单元7包含的图像处理模块进行图像处理，根据处理结果计算水准泡所在平面的倾角值，把计算值输出到倾角显示单元2进行显示，最终获取待测设备的倾斜角度。

上述技术方案中，所述水准泡倾角测量装置中的倾角测量计算单元7采用如下策略计算放置水准泡的平面的倾斜角度，以下所有的描述以圆形水准泡和管状水准泡为例对倾角测量进行详细介绍。

1)测量原理如下所述：

水准泡是依靠封闭在容器内的气泡移动来读取测量数值，当被测物发生倾斜时，气泡向升高的一端移动，水准泡内壁曲率半径决定仪器的测量读数精度。水准泡按形状分可分为圆形水准泡和管状水准泡(如图2-a和图2-b所示)。圆形水准泡又叫万向水准泡，可以用于测量一个平面朝任意方向倾斜。对于管状水准泡，则可以通过多个水准泡的组合或者一个管状水准泡的多次多方向放置(例如，所述组合可以采用两个管状水准泡垂直使用，同时测定两个垂直方向上的倾斜情况)来测定不同方向的倾斜。

角值和灵敏度是水准泡的两个主要技术参数：所述角值是指气泡移动(圆形水准泡指由分划圈中心沿任意径向，管状水准泡指沿轴向)2mm时水准泡的倾角；灵敏度是将水准泡缓慢倾斜直到静止的气泡刚开始移动并能被觉察出来时水准泡倾斜的微小角度。当倾角变化较小时，气泡的移动距离与倾角间的关系可以看成是线性的，因此可以利用这种线性关系，通过测量气泡的移动距离得到所要待测设备的倾角：

α＝(θ/2)*d                 (1)

其中，α为待测的倾角(单位为度)；d为气泡相对于其平衡位置移动的距离(单位为mm)；θ是水准泡的角值单位为度，且该角值为已知的值。

如果对θ的精度要求较高是还可以采用实验的方法获取角值的精确值，所述的角值物理意义具体指水准泡中的气泡相对于平衡位置移动2mm时的水准泡的倾角值，且采用圆形水准泡时该角值指气泡由分划圈中心沿任意径向移动2mm时的水准泡的倾角值，当采用管状水准泡时该角值指气泡沿轴向移动2mm时的水准泡的倾角值，可以依据上述定义通过实验手段获取水准泡精确的角值。

本发明利用水准泡在待测设备的平面的倾斜角度不同时，水准泡中气泡位置的变化来对待测倾角α进行测量。具体的测量方法为：为了把气泡位置的变化直接转化为倾角α的变化，能直观的读取出倾角α值，同时也为了减少在测量过程中人为造成的误差，该装置使用CCD图像传感器对水准泡进行图像采集，然后将采集到的数字图像进行处理，通过数字图像处理从图像上获取气泡的位置变化d进而采用公式将该位置变化转换为角度的关系(在较小的角度范围内，气泡的位置d与倾角α是一个线性的关系)。其中，所述数字图像处理为：由于管状和圆形水准泡是不同的，管状水准泡的气泡是一个类椭圆形，在气泡的两端分别标有分划线，在计算气泡变化位置d时，就是根据气泡端点到分划线的距离来确定的。圆形水准泡的气泡则是一个圆形，其分划圈也是一个圆形，气泡随着倾角α由小到大的变化，与分划圈的关系可为内含、相交、相离等，通过建立坐标系，计算两圆心的距离，可以得到被测物的倾角值α，再根据气泡圆心在新建坐标系的坐标值，可以得知倾斜的方向。

在现有技术多采用配合专门的电极、液体、线圈、光电发射和接收组合等，利用电阻、电容、电感、光电等原理可以实现气泡移动距离和电学量之间的转换，但是这样各种量间的转化运算是比较繁琐的，并且各种电子元器件会对测量效果有较大影响。因此为了得到一个较为直接倾角测量的结果，并尽可能的消除上述元器件的影响，本发明采用CCD摄像头对水准泡进行图像采集，然后再通过对图像的处理，直接从图上获得气泡的移动距离。

下面结合附图对本发明的技术方案进一步说明。

1、图2-a中圆形水准泡白色部分里的大圆是水准泡的分划圈10，当被测物体处于平衡状态时，气泡13的圆心与分划圈10的圆心重合，在气泡13发生移动时，就可以通过在图像提取出分划圈10和气泡13的圆心坐标来计算气泡的移动距离d。而对于管状水准泡如图2-b所示，两条黑色的线是其左右分划线11、12，当被测物水平时，气泡13处于两分划线11和12的正中间位置，当气泡13移动时，可根据气泡13端点14(如图11和12所示)到左分划线11或右分划线12的距离来确定管状水准泡的气泡的移动的距离d。

2、采用圆形水准泡确定待测设备倾斜角的步骤如下：

步骤101)用于计算圆心坐标的步骤，从采集的图像上的两个圆上分别取出一些标准点来解圆方程(如图14和15所示)，进而求出两个圆的圆心坐标。

步骤102)建立坐标系的步骤，当两个圆心位置确定好后，以参照圆的圆心坐标为原点建立坐标系，所建立的坐标系如图15所示.

步骤103)用于确定气泡的倾斜方向和角度的步骤，该步骤根据得到的气泡圆心坐标可以计算出Δx，Δy以及d；所述d就是所要求的气泡移动距离，可根据Δx和Δy的正负判断气泡偏向哪一个象限来判断倾斜的方向，进一步确定待测设备的平面朝任意那个方向倾斜；根据公式(1)计算待测设备的倾角值。

3、采用管状水准泡确定待测设备倾斜角的步骤如下：

与圆形水准泡相比，管状的水准泡图像会由于光照以及装置本身的原因，使得得到的图像气泡轮廓极不清楚，此外由于气泡也不是一个标准的形状，因此采用管状水准泡确定待测设备的倾角时采用的具体策略如下。

从图2-b可以看出，对于整个管状水准泡而言，由于左分化分划线11和右分化分划线12是比较明显的因此中要提取分划线11、12也比较简单，而由于气泡13的轮廓则是比较模糊，因此要提取出清晰的气泡13的轮廓相对较难。为了解决管状水准器的气泡13轮廓的提取，本发明将采集得到的管状水准泡的图像进行了分段处理，该分段处理的策略用于确定左右分划线的位置和气泡轮廓的位置，最后依据左右分划线的位置和气泡轮廓的位置可确定移动距离d。

经观察当气泡居中时，管状水准泡的图像可大致等分为三部分，如图3-a、3-b和3-c所示。其中图3-a表示第一部分即图像最左端到图像1/3处，该部分包含左端分划线；图3-b表示第二部分是图像1/3处到2/3处，主要包含气泡部分；图3-c表示剩下的第三部分，该部分包含右端的分划线。当气泡13发生移动时，第一或第三部分可能会包含气泡，但是只要气泡有一端点处于第二部分中，就将移到其它部分(即第一部分和第三部分)的气泡视为该部分的噪声进行相关处理；因为为了确定气泡所在的部分还需要采用搜索的方法。

3.1基于分段的思想提取包含分划线部分的步骤如下所述：

如图4所示，该图为对第一和第三部分进行图像处理流程框图，所述的处理流程包含依次执行的灰度化、二值化、细化处理，且所述灰度化、二值化和细化均采用常规的处理方法，此外本发明还在灰度化及二值化之间改进了阈值化处理的策略，在二值化和细化处理步骤之间增加了去噪处理。

为了更好的提取左右分划线的效果本发明中采用的阈值化处理是指把灰度图像中灰度值小于某一阈值的像素值用0代替，因为分划线是图像中像素值较低的部分，这样处理可以使得分划线更明显，从而在下一步的二值化处理时不用考虑二值化的阈值，直接把灰度值大于0的像素的值设为1即可。

在确定阈值处理的阈值时，使用了一种自动确定的方法，其步骤如下：

步骤1)统计整部分图像的灰度均值m；

步骤2)统计图像中灰度值小于m的像素个数，然后计算其占整幅图像素的百分比r。

步骤3)阈值t＝r*m，把图中小于t的像素设为0，即得到处理好的图像。图5-a和图5-b所示为对第一部分和第三部分阈值化处理后的示意图。

为了进一步优化提取的左右分划线的清晰图本发明采用的去噪处理具体描述如下：

从图6-a和6-b看到，图像二值化后，得到的分划线图像会有一些小噪声点，去除噪声点的方法可以有许多：均值滤波，中值滤波，形态学滤波等等，但这些方法大多会造成图像的模糊，随后还要进行图像的锐化处理。因此本发明便采用一种区域图像的算法去除这些噪声点：统计这些小点以及分划线的所处的连通区域的面积，也就是各连通区域的像素个数，由于分划线构成的连通区域最大，只要把面积小于最大连通区域的其它部分删除掉就可以得到去除噪声点后的最终图像，如图7-a和图7-b所示为去噪后的左分划线和右分划线的图像，此外这种除噪方法在下面对气泡的图像处理时还会用到。得到图7-a与图7-b后，再用击中击不中方法对左分化线与右分划线做细化处理得到图8-a与图8-b，作为分划线的最终处理结果。

3.2基于分段的思想提取气泡轮廓的步骤如下所述：

步骤201)用于气泡检测的步骤，该步骤提出一种优化的彩色图像轮廓自动提取算法，具体描述如下：

由于气泡的轮廓是比较模糊的，如果直接让其灰度化后提取，在灰度化的过程中将会损失许多的有用细节，因此本发明将直接对彩色图像进行气泡检测。现有图像增强以及轮廓探测的处理方法中，对彩色图像直接处理的方法是较少的，而且大多效果不是很好。其中，Yangxing LIU，Takeshi IKENAG and Satoshi GOTO.A FullyAutomatic Approach of Color Image Edge Detection.2006 IEEE International Conferenceon Systems，Man，and Cybernetics.October 8-11，2006，Taipei，Taiwan的文献中介绍了一种较为有效地彩色图像轮廓自动提取算法，该算法可简单的概括为三步骤：1、计算彩色图像三通道的梯度；2、根据梯度图像的幅值及梯度方向确定图像轮廓的候选点；3、根据图像一定区域内的像素值大于某一阈值的像素数的百分比确定最终的轮廓图像。由于该算法实现起来要进行逐点的扫描以及多次的栅格运算，算法较为复杂，耗时较长，并不适用于本发明这种需要实时处理、快速反应的情况，于是本发明的技术方案对该算法进行优化，使其更适应本发明的使用情况。

上述文献中对梯度的运算是：把每一个像素值看成由R、G、B三个分量组成的一个向量，然后分别计算各个分量对x(水平方向)和y(竖直方向)的偏微分，引入一个差分向量DV＝(dx dy)J^T，其中J为雅克比矩阵：

$J=\left[\begin{array}{cc}\∂R/\∂x& \∂R/\∂y\\ \∂G/\∂x& \∂G/\∂y\\ \∂B/\∂x& \∂B/\∂y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{R}_x& R_y\\ G_x& G_y\\ B_x& B_y\end{array}\right]---\left(2\right)$

DV²＝(dx dy)M(dx dy)^T表示的是在(dx dy)方向上图像的变化率。其中

$M=J^{T}J=\left[\begin{array}{cc}{M}_{\mathrm{xx}}& M_{\mathrm{xy}}\\ M_{\mathrm{xy}}& M_{\mathrm{yy}}\end{array}\right]---\left(3\right)$

使DV²最大化就转化成一个求矩阵特征值的问题。则图像每一像素点的梯度值即矩阵M中较大的特征值可表示成：

$v=(M_{\mathrm{xx}}+M_{\mathrm{yy}}+\sqrt{{(M_{\mathrm{xx}}+M_{\mathrm{yy}})}^2-4\×(M_{\mathrm{xx}}\×M_{\mathrm{yy}}-M_{\mathrm{xy}}^2)})/2---\left(4\right)$

梯度方向角度为：

Θ＝arctan((V-M_xx)/M_xy)                    (5)

该方法处理出来的图像对图像边缘梯度敏感，但对噪声却是不敏感的，而且处理过程中不用人为设定阈值。原方法是逐点的计算每个像素的梯度值，用以检测图像的边缘，而本发明将从全图的区域范围来计算图像的梯度，对图像进行增强处理。首先还是要计算R、G、B三分量对x和y的偏微分以得到各个分量的梯度图，在这里分别用两个模板来代替两个偏微分算子：

$\∂/\∂x=\left[\begin{array}{ccc}0& -\sqrt{2}& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& \sqrt{2}& 0\end{array}\right]$ $\∂/\∂y=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 0\\ -\sqrt{2}& 0& \sqrt{2}\\ 0& 0& 0\end{array}\right]---\left(6\right)$

这里采用的模板是借鉴了sobel算子的模板，但又不完全等同于sobel模板，因为sobel算子是以扩宽图像边缘为代价对图像进行增强的，而本发明采用的模板并没有很明显的扩宽图像边缘。

然后用R、G、B三分量的图像分别与两个偏微分算子模板作卷积，即可得到图像三分量在两个方向上的梯度图R_x、R_y、G_x、G_y、B_x、B_y。按照(4)式同样可以得到整幅图的梯度值，而此时始终的各个参数不再是一个单独的数值，而是一个矩阵，其中：

$M_{\mathrm{xx}}=R_x^2+G_x^2+B_x^2---\left(7\right)$

$M_{\mathrm{yy}}=R_y^2+G_y^2+B_y^2---\left(8\right)$

M_xy＝R_x×R_y+G_x×G_y+B_x×B_y                 (9)

由于接下来的运算中并不需要用到图像梯度角的信息，所以没有计算角度。图9是用该算法直接对彩色图像进行处理后得到的结果，图9和图10是两种算法的一个对比。得到图9的图像后，对图像再进行进一步的阈值化处理、二值化处理以及去噪处理，如图17所示。其中阈值化处理处理与圆形水准泡中的处理方法相同，所述的去噪处理去噪时删除的连通量不再是除面积最大以外的其余部分，而是小于某一阈值的部分，这个阈值取所有连通量面积的均值，对图像二值化取的阈值是图像的灰度均值。具体处理后的结果如图11所示。

当对彩色图像处理到这里，接下来再进行边缘提取、断线连接、平滑细化等处理，但在本发明中，由于气泡至少一边的端点已经是完全的处理出来了，所以也就没有必要进行下一步的处理，接下来就是对图像的气泡端点位置进行搜索，计算出气泡的移动距离。

3.3根据确定的分划线和气泡的轮廓位置确定气泡的移动距离d

根据气泡的轮廓确定气泡的端点，并计算左右端点至左右分划线的距离d，将d作为公式(1)的参量计算倾角值；

图11的处理结果是气泡的两边端点都在第二部分的结果，在前面给图像分段的时候曾提到过气泡一端的端点因为移动可能跑到其它的部分上去，在处理分划线时被当成噪声处理掉，而第二部分只剩下气泡的部分图像，如图12所示：

在这种情况下，只要计算气泡端点到一端分划线的距离也可以得到倾角的值，如图16所示。具体的端点搜索以及移动距离计算步骤如下：

步骤21)在第二部分中搜索像素值为1的横坐标的极大值maxx及极小值minx；

步骤22)如若搜索到的maxx＞＝n-10，n是图像的宽度的像素数，则说明气泡朝右边移动，令右边端点到右边分划线的距离l2为0，只需要计算左端点到左分划线的距离；若搜索到的minx＜＝10，则说明气泡朝左移动，令左边端点到左边分划线的距离l1为0，只需要计算右端点到右分划线的距离；其余的情况则可视为气泡完全处于第二部分，两端点到两分划线的距离都可以计算。

步骤23)在图像横中轴线±10个像素的范围内搜索除中轴线处外像素值为1的横坐标的极大值maxx1与极小值minx1，在计算得到的这些极大极小值的均值

和

然后与中轴线上的横坐标极大值maxx0与极小值minx0作差取绝对值，如果该绝对值小于3，则取中轴线上的点作为搜索到的气泡的端点；如果绝对值大于3，则分别搜索中轴线以上10个像素以及以下10个像素的极大极小值取均值后再与中轴线上的极大极小值作差取绝对值，如果所得到的两个绝对值都大于3，则取前面算得到的

和

作为气泡的端点横坐标；如果只有一个绝对值大于3，那么依然取maxx0与minx0作为气泡端点横坐标。这样处理的目的是为了降低端点由于噪声干扰而发生偏移造成的误差。

步骤24)由第二步得到的结果确定计算左端还是右端或是两端到分划线的距离。然后再用第三步骤得到的端点横坐标对应的纵坐标值maxy和miny，相应的在两条分划线上有相同的纵坐标值的线上，搜索到像素值为1的点，从而得到对应的横坐标值x1或x2。

步骤25)把所得到的步骤23)、步骤24)中得到的各个横坐标还原到未分段前的值，用mx1表示还原后的气泡左端点横坐标，mx2表示气泡右端点横坐标，x1和x2分别表示左分划线和右分划线对应的横坐标。然后根据下式计算气泡端点到两分划线的距离：

左端点到左分划线距离：l1＝|mx1-x1|×(L/N)           (10)

右端点到右分划线距离：l2＝|mx2-x2|×(L/N)           (11)

如果在步骤22)中已经把某一端的距离标为0了，则不用计算这一端距离了。其中L为水准泡的有效长度，N是整个水准泡图像宽度的像素数。

步骤26)把步骤25)计算得到的距离减去气泡处于平衡位置时得到的端点到分划线的距离，就可以得到气泡移动的距离d1和d2，如式(12)、(13)：

气泡向左边移动的距离：d1＝l1-l0                     (12)

气泡向右边移动的距离：d2＝l2-l0                     (13)

在处理得好的情况下，d1与d2的绝对值是相等的，即可得到气泡移动距离d＝|d1|＝|d2|，|.|表示取绝对值。

再根据式(1)就可计算出倾角值，其中图13为水准泡分段处理好后再组合的完整的管状水准泡的图像。

此外，对本发明提出的倾角测量的装置做出以下几点说明：

1、由于测量时是以水准泡处于平衡状态时的参数作为参考的，因此一定要保证安放水准泡的平面的平整，并且要具有一定的抗震防爆能力。水准泡可以选择管型或这圆形水准泡。

2、为了保证得到较高质量的图像，避免由于光照的不均匀引起的噪声干扰，该装置采用了辅助光源，在盒子顶上的四个角(以及四个竖直面上的中点处)放置个光源，用以减小水准泡的本影，得到光照均匀的图像。

3、CCD图像传感器的技术指标直接影响装置的测量精度，而其中最重要的指标就是传感器的像素值。例如对于一个有效直径为20mm，角值为0.5°/2mm的圆形水准泡，要达到0.01°的测量精度的话，CCD传感器的像素值至少应为500*500。

4、对于采集得到的图像，可以经过一个处理模块，处理出最终结果，然后在盒子的顶部安放一个显示器件，把最终结果显示出来。

实验过程及结果：水准泡在生产时，是有一个标准的(《GB/T 1146-2009水准泡》)

表1是对管状水准泡实验的结果：

表2是对圆形水准泡实验的处理结果：

上述表1的管状水准泡的实验中，所使用的图像像素值为1065*270，水准泡的角值为0.5°，有效长度为29mm，从图像像素的角度上能达到的测量分辨率为0.007°。其测量范围为使气泡刚触碰到两个端点的角度值，针对实验用的水准泡约为-2°～2°。从实验的角度看，该情况下的测量精度能达到0.04°。

上述表2对于圆形水准泡，其角值为0.3°，直径为20mm，使用的图像像素值为660*660，则能达到的测量分辨率为0.005°。其测量范围较上一组实验要小一些，约为-1°～1°之间，其测量精度能达到0.02°以内，如果能规范实验过程以及提高系统的稳定性，这个精度也是还能提高的。

总是，本发明提供了一种通过采集水准泡图像，对图像进行处理以得到倾角值的倾角测量方法以及实现该方法的装置。本发明的方案是把水准泡安装在平板上，然后对水准泡进行图像采集，对采集到的图像处理，计算水准泡气泡的位置变化，从而对应的得到倾角值。本发明适用于小倾角的测量，根据水准泡选择的不同，测量范围也会有所变化；测量的精度高，分辨率由图像的采集设备决定。

以上所述仅为本发明的一个具体实施方式，并非用于限定本发明的保护范围，本领域的技术人员应当理解，在不脱离发明原理的前提下，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围中。

Claims (10)

1.一种基于水准泡的倾角测量方法，该方法用于对某设备较小的倾斜角度值做出测量，所述方法具体为：

采集放置于待测设备平面上的水准泡的图像，当设备平面发生倾斜时，通过处理采集的水准泡的图像获取该水准泡中的气泡相对于所述平面水平时该气泡所在的平衡位置的移动距离，将移动距离转化为被测平面设备的倾斜角度。

2.根据权利要求1所述的基于水准泡的倾角测量方法，其特征在于，所述水准泡为圆形水准泡和管状水准泡。

3.根据权利要求2所述的基于水准泡的倾角测量方法，其特征在于，当倾斜角度较小时所述气泡的移动距离与倾斜角度间的关系是线性的，具体采用下式将气泡的位置变化量转换为待测设备的倾斜角度：

α＝(θ/2)*d；

其中，d为气泡的移动距离d，单位为mm；θ是水准泡的角值。

4.根据权利要求3所述的基于水准泡的倾角测量方法，其特征在于，所述圆形水准泡的气泡移动距离d通过以下步骤获取：采集圆形水准泡的图像并进行截取，对截取的图像进行去噪、增强和细化处理提取水准泡上的分划圈以及水准泡里的气泡轮廓，依据提取的分划圈及气泡轮廓建立坐标系确定分划圈及气泡轮廓各自对应的圆心的坐标值，根据计算的两个圆心的坐标值最终确定气泡移动的距离d；

其中，所述分划圈及气泡均为圆形。

5.根据权利要求3所述的基于水准泡的倾角测量方法，其特征在于，所述管状水准泡的气泡移动距离d通过以下步骤获取：

步骤101)图像采集装置获取水准泡图像；

步骤102)将获取的水准泡图像分成三部分，第一部分和第三部分分别包含左右分划线，所述第二部分包含部分或全部的气泡；

步骤103)对第一和第三部分分别进行处理提取左分划线和右分划线，对第二部分采用带有增强效果的灰度化策略提取出其所包含的气泡轮廓；

步骤104)通过搜索策略从提取的气泡轮廓上搜索获取气泡的端点；

步骤105)依据搜索的气泡端点与左分划线或右分划线的距离确定气泡的移动距离d。

6.根据权利要求5所述的基于水准泡的倾角测量方法，其特征在于，

步骤103所述提取左分划线和右分划线的处理方法具体为依次执行如下处理：对采集的包含左右分划线的第一和第三部分的彩色图像灰度化、阈值化处理、图像二值化、去噪处理及细化平滑；所述提取气泡轮廓的处理方法具体为依次执行如下处理：对采集的包含气泡的第二部分的彩色图像灰度化、阈值化处理、图像二值化及去噪处理。

7.根据权利要求6所述的基于水准泡的倾角测量方法，其特征在于，所述对采集的包含气泡的第二部分的彩色图像灰度化策略进一步包含如下子步骤：

首先，计算R、G、B三分量对x和y的偏微分以得到各个分量的梯度图，所述偏微分分别用如下两个模板来进行偏微分计算：

$\∂/\∂x=\left[\begin{array}{ccc}0& -\sqrt{2}& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& \sqrt{2}& 0\end{array}\right]$ $\∂/\∂y=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 0\\ -\sqrt{2}& 0& \sqrt{2}\\ 0& 0& 0\end{array}\right];$

其次，用R、G、B三分量的图像分别与两个偏微分算子模板作卷积，即可得到图像三分量在两个方向上的梯度图R_x、R_y、G_x、G_y、B_x、B_y，记图像的雅可比矩阵为：

$J=\left[\begin{array}{cc}\∂R/\∂x& \∂R/\∂y\\ \∂G/\∂x& \∂G/\∂y\\ \∂B/\∂x& \∂B/\∂y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{R}_x& R_y\\ G_x& G_y\\ B_x& B_y\end{array}\right];$

然后，再引入一变量DV²表示图像在{dx，dy}方向上的变化率，

DV²＝(dx dy)M(dx dy)^T；

$M=J^{T}J=\left[\begin{array}{cc}{M}_{\mathrm{xx}}& M_{\mathrm{xy}}\\ M_{\mathrm{xy}}& M_{\mathrm{yy}}\end{array}\right];$

依据得到的图像三分量在两个方向上的梯度图R_x、R_y、G_x、G_y、B_x、B_y，采用如下3个公式确定M_xx、M_xy和M_xy：

$M_{\mathrm{xx}}=R_x^2+G_x^2+B_x^2;$

$M_{\mathrm{yy}}=R_y^2+G_y^2+B_y^2;$

M_xy＝R_x×R_y+G_x×G_y+B_x×B_y；

最后，依据计算图像的梯度即为最大化DV²的幅度，进一步可以转化为求M在其特征向量方向上的极值即M的极大的特征值，采用如下公式得到整幅包含管状水准泡的梯度图，最终完成采集的彩色图像的灰度化；

$V=(M_{\mathrm{xx}}+M_{\mathrm{yy}}+\sqrt{{(M_{\mathrm{xx}}+M_{\mathrm{yy}})}^2-4\×(M_{\mathrm{xx}}\×M_{\mathrm{yy}}-M_{\mathrm{xy}}^2)})/2.$

8.一种基于水准泡的倾角测量装置，该装置用于对某设备较小的倾斜角度值做出测量，所述倾角测量装置包含：壳体和倾角显示单元，其特征在于，所述倾角测量装置还包含：水准泡、图像采集单元和倾角测量计算单元；

所述壳体轴向从上向下进一步包含：上盖板、中间隔层、平的底盖板；所述水准泡固定于底盖板的中心，所述图像采集单元设置在隔板下表面正对所述水准泡的上方，所述倾角测量计算单元固定于隔板的上表面，该倾角测量计算单元的输入端和输出端分别与所述图像采集单元和倾角显示单元电连接；

其中，所述倾角测量计算单元通过对图像采集单元采集的水准泡的图像进行处理，得到水准泡中的气泡相对于其平衡位置处的位置变化量，最终计算出待测设备的倾斜的角度并进行输出；所述平衡位置为当水准泡放置在水平平面上时其包含的气泡所在的位置。

9.根据权利要求8所述的基于水准泡的倾角测量装置，其特征在于，所述的倾角测量装置还包含若干光源，所述光源均匀布设于隔板下表面的最外圆周上与所述倾角测量计算单元电连接；

其中，所述水准泡为圆形水准泡或管状水准泡。

10.根据权利要求8所述的基于水准泡的倾角测量装置，其特征在于，所述倾角测量计算单元进一步包含：

采集图像截取模块，用于每隔一定的时间对图像采集单元传送的视频图像截取成单幅的BMP或JPG格式的图片；

气泡移动距离d获取模块，用于对截取的图片进行相关处理获取气泡移动距离d；其中，当采用管状水准泡时所述相关处理包含：对截取的彩色图像进行分段、基于分段提取分划线及气泡轮廓、搜索气泡轮廓的端点位置及依据该端点值与左右分划线的距离值最终确定气泡的移动距离d；当采用圆形水准泡时所述相关处理包含：对截取的图像进行处理提取水准泡上的分划圈以及水准泡里的气泡轮廓，依据提取的分划圈及气泡轮廓建立坐标系确定分划圈及气泡轮廓各自对应的圆心的坐标值，根据计算的两个圆心的坐标值最终确定气泡移动的距离d；和

倾角生成模块，用于依据得到的气泡的移动距离d及已知的气泡的角值根据下式确定待测设备的倾角值；

α＝(θ/2)*d；

其中，d为气泡的移动距离，单位为mm；θ是水准泡的角值。

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