CN105181082B - 一种基于可见激光和图像处理的液位检测方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于可见激光和图像处理的液位检测方法和装置，该方法包括：步骤1：建立测量坐标系；背景为存储液体的容器的竖直方向的内壁；摄像头和用于发出可见激光的激光头设置在液面之上；摄像机相对于水平面斜向下面对背景；摄像机的光轴相对于水平面的夹角为θ；步骤2：通过可见激光点运动目标检测，获取可见激光点运动的运动轨迹；步骤3：基于所述的运动轨迹图像获得对应液面位置的角点坐标；并基于该角点坐标求取实际的液位值AC″＝AC*sin(∠ACC″)/sin(180°‑θ‑∠ACC″)。该基于可见激光和图像处理的液位检测方法和装置易于实施，抗干扰能力强。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于可见激光和图像处理的液位检测方法和装置。
背景技术
液位检测是指用一定的方法对液体的高度进行测量。这种技术广泛应用于日常生活、工业生产、石油运输、发电站及城市排污电机的节能控制等许多方面。
现阶段的水位检测大致可分为接触式和非接触式两种方法。一是采用浮子式液位计，浮子式液位计属于机械模式，易出故障。二是采用压阻式液位变送器，对液位进行检测，这种检测方法是依据液面下某处的压强与其离液面的距离成正比关系的原理而设计。目前使用的大多为进口产品，价格高、抗扰性较差，器件的非线性和液体中的杂质对测量精度影响很大，例如对同一高度的清水与含泥沙的水进行检测时，检测结果却不一样。同时，由于检测器与被测液体直接接触，造成检测器件本身被有害物质侵蚀、影响了检测精度和使用寿命，从而一定程度上限制了其应用范围。
在非接触式的检测装置中，目前有超声波，红外线、激光液位测量仪表等。其中超声波具有代表性，超声波液位测量仪表具有非接触的特点，性能可靠，具有实用价值，因而成为液位检测仪表的一个发展方向，在国内外均得到较为光泛而深入的研究和应用。但是，受自身特点(如受温度变化影响较大、模拟量转换精度不足，受检测液面的波动影响较大)等因素的制约，超声波液位测量仪表在大量程范围内难以达到高精度，安装要求高，需要专业人员安装，而且当检测液面有悬浮物、泡沫、波动时，检测精度大幅降低。
公开号为CN102147281A的中国专利公开了一种基于机器视觉的液位检测装置及其方法，该专利实施测量时存在以下不足：
①抗干扰能力不足：由于日照亮度的变化，以及白昼的变化，使得液位线的对比度降低，导致液位线的提取存在一定难度，同时当环境周围存在其它干扰物体的投影时，会引起液位线的误检，误将其他物体的投影当作液位线，从而检测错误；
②安装不便：考虑到上面的因数，安装时要避免阳光的直射，以及避开其他突出的遮挡物，需要增加安装一块白色背板；
③维护周期短：由于安装时需加装一白色的背板，此白色的背板易受到液体的污染而形成干扰，当液体比较脏时，在浸泡后易形成黑色的污渍线条，当液位下降后，容易被误检为实际的液位线，因此需要定期清洗白色背板，此周期受液体的污染程度增强而变短。
因此，有必要设计一种新型的液位检测方法和装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于可见激光和图像处理的液位检测方法和装置，该基于可见激光和图像处理的液位检测方法和装置易于实施，抗干扰能力强。
发明的技术解决方案如下：
一种基于可见激光和图像处理的液位检测方法，包括以下步骤：
步骤1：建立测量坐标系；
沿竖直方向建立用于表征实际液位变化的液位一维坐标AB″；一维坐标AB″位于背景所在的平面中；背景为存储液体的容器的竖直方向的内壁；
摄像头和用于发出可见激光的激光头设置在液面之上；摄像机相对于水平面斜向下面对背景；摄像机的光轴相对于水平面的夹角为θ；
建立投影一维坐标AB，投影一维坐标AB与液位一维坐标AB″之间的夹角为θ；
记摄像机所在位置为O点，激光头的扫描面为平面，该扫描面与O AB″平面存在一个非零的夹角；【即扫描面与O AB″平面不重合，这样就保证激光点的运动轨迹就不会是一条直线】
A为投影一维坐标AB与液位一维坐标AB″的公共原点；
步骤2：通过可见激光点运动目标检测，获取可见激光点运动的运动轨迹；
将可见激光在液面的上下位置进行扫描，可见激光在所述的背景上形成激光点，由摄像机捕捉激光点的运动轨迹图像；
步骤3：基于所述的运动轨迹图像获得对应液面位置的角点坐标；并基于该角点坐标求取实际的液位值；
所述的角点坐标为投影一维坐标AB的坐标，角点的位置为C，角点在投影一维坐标AB内C的坐标为AC；
基于以下公式求取液位值AC″：
AC″＝AC*sin(∠ACC″)/sin(180°-θ-∠ACC″)；
所述的*号为乘号；
∠ACC″的计算方法为：
ΔOAC内，AO、AC、∠OAC已知，根据三角函数关系求出∠OCA，于是有∠ACC″＝180°-∠OCA。【∠OAC＝∠OAC″-θ】
在步骤1中，对摄像机的图像畸变进行校正，校正方法为：选择标准多色方格图片，摄像头对标准图片垂直成像，与标准图片比较后得到此摄像头或相机成像后畸变部分像素点偏移值，形成畸变校正表，对每幅液位图片处理前首先进行校正。
在步骤1中，采用标尺对投影一维坐标AB与液位一维坐标AB″进行标定。
所述的激光头设置在云台上，由云台带动激光头实现扫描。
一种基于可见激光和图像处理的液位检测装置，包括摄像头、激光头和用于实现数值计算的数据处理模块；
背景为存储液体的容器内壁；
摄像头和用于发出可见激光的激光头设置在液面之上；摄像机相对于水平面斜向下面对背景；摄像机的光轴相对于水平面的夹角为θ；
采用前述的基于可见激光和图像处理的液位检测方法实现液位测量。
所述的激光头设置在云台上。
所述的数据处理模块采用ARM处理器。
ARM处理器与触摸显示屏相连。
ARM处理器与通信单元相连。
ARM处理器集成于UT6410CV05核心板上，液位检测装置还包括与数据处理模块相连的网口，所述的通信单元为无线通信单元或串口。
系统硬件由摄像机或相机、云台控制的可见激光发射器和嵌入式系统组成。嵌入式系统包括有线、无线、控制接口以及人机接口。
图像畸变校正：选择标准多色方格图片，每个应用摄像头或相机对标准图片垂直成像，与标准图片比较后得到此摄像头或相机成像后畸变部分像素点偏移值，形成畸变校正表，检测中每幅液位图片处理前首先进行校正。
构造一维坐标：轴向为液位变化方向，即坐标轴最小刻度间为n像素，n取值为(0，1，2，3，...)中的任意整数，数值越大表明坐标精度越高，但值太大在坐标变换时会引入舍入误差以及测量范围小，根据摄像头的分辨率，n一般选取5-20个像素点，每刻度间的实际间距会因成像图片的远近成比例的放大缩小，然后对坐标系以轴上部顶端为原点向前方旋转0-90度，可得到相应各种角度下的坐标系；因现场安装时摄像头以一定的角度向下拍摄液位图片，位置关系见附图4和附图3，液位变化方向为AB″方向，在镜头中成像的投影坐标轴为AB方向而实际的坐标轴为AB″方向，AB″和AB之间的夹角为θ，因此需要将投影坐标轴向前方旋转θ角度，得到现场的一维坐标轴，然后以旋转后的坐标轴来计算液位的高度)。在实际测量过程中，先在室内预拍一张摄像头与标尺垂直的图片，并存储在系统存储设备中，然后利用图像分割算法，计算得到标尺的投影坐标轴AB，因摄像头与标尺垂直，所以投影坐标轴AB和实际坐标轴AB″重合。在现场安装设备时，将标尺置于待测液位的最高点，此时的标尺成为实际坐标轴AB″，调整摄像头，保证液位变化方向为坐标的轴向。在设备显示屏上的参数调整界面调整角度参数，旋转屏幕上虚拟的投影坐标系AB，当旋转θ角度后的投影坐标系AB与此时放置在待测液位的最高点的标尺刻度线重合时，即旋转θ角度后的虚拟投影坐标轴AB与实际坐标轴AB″重合，表明旋转角度已匹配，得到了液位测量的实际坐标系AB″，此后测量液位高度不需要标准刻度标尺，此时可移开标准刻度标尺。然后只需要利用后面的图像处理方法检测出液位线的像素高度，再根据实际坐标轴AB″就可以计算出实际的液位高度。
可见激光点运动目标检测：在开始液位检测后，该系统中摄像头固定不动，可见激光发射器按照预设的路线在云台的控制下上下运动，可见激光发射器以一定的角度射出激光点到背景物体上。在一个检测周期内，背景和液位可以看作是不变的，只有可见激光点是一个运动的目标，此步骤即检测运动目标的过程，在此利用了基于帧间差分法的运动目标检测算法，能够快速的检测到运动目标的坐标，并结合特征点提取算法，提取出运动目标，即可见激光点。液面、背景、激光、摄像头的位置关系见附图2，摄像头与激光头固定在墙壁或柱子上，正面对着液位和背景，背景一般为池壁等。
其中激光头固定在云台上，摄像头固定在安装支架上，最后一并安装在墙壁或柱子上，并且可以分别调整它们与背景面的角度，而且激光头和摄像头不一定平行，而是成一定的夹角。激光头器件在云台的旋转带动下，按照预设的轨迹，激光头整体做上下运动，对池壁和液面做上下扫描。
可见激光点轨迹合成：在提取出可见激光点后，利用激光轨迹合成的方法将所有激光点合成一张连续的激光运动轨迹图片。激光轨迹合成的方法即在上一步骤得到激光点的移动坐标序列后重新生成一张二值图片，因激光点是一个小范围的光斑，因此将整个光斑所在的像素值赋值为1，其他赋值为0，最后在图像上显示效果为一条宽度为n像素的白色线条，n大于1小于图像的宽度，一般与摄像头到背景的距离成反比，距离越近，n越大，白色线条越粗，为了提高检测的精度和检测范围，调整摄像头与背景距离，使得n的取值范围为5-10为宜。
液位线提取：激光点的位置从背景物运动到液面上时，当摄像头和激光头与池壁垂直时，摄像头拍摄到的上下扫描的轨迹为一条直线，即激光点在在液面上的轨迹是在池壁上的轨迹的平行延伸。如图3所示，而当激光点向左水平偏移L距离，激光头发出的激光射线与池壁成α角度时，激光点在池壁上的轨迹仍然是一条直线(OA)，而激光点从液面分界线到激光头的垂足点的线条也是一条直线(OC)，但两条直线合起来是一条折线，即摄像头拍摄到的激光点上下扫描的轨迹为一条折线(AOC)，同时在液面上还有一条OA直线关于液位线对称的直线OB(即OA在水中的反射倒影)，以及OC直线关于液位线对称的直线OD(即OC反射到池壁上的点)，如图3左边轨迹线条。因此最终的轨迹是4条直线的合成轨迹，OB、OD线条为反射直线，AOC和AOD线条为折线。此步骤的任务是找到AOC和AOD折线的共有拐角，即可以找到液位线。安装激光头器件和云台时，要求激光头与背景(池壁)不垂直，而是成α角度。利用上一步可见激光点轨迹合成方法对激光点的运动轨迹提取后，即得到白色的折线条如图3左边4条相交线条，最后对白色的折线条进行角点特征点的提取，找到拐角的坐标也就得到了液位线的位置。角点特征点的提取算法是图像处理领域中常见的一种算子，比如Harris角点检测。
所述相机采用摄像头。
激光发射器为可见光激光发射器。
激光发射器由云台控制实现扫描。
所述嵌入式系统，以ARM系列或其它高性能CPU为主芯片，处理采集到系统中的数据。
所述嵌入式液位检测装置人机交互采用触摸屏、彩色/黑白液晶显示屏。
利用触摸屏设定预警液位高度等系统参数。
利用液晶显示屏显示液位高度数值和液位变化曲线。
利用有线和无线模块将采集到的图像信息传送到系统存储模块。
该检测方法中，需要对坐标进行标定。
设定标定坐标步骤如下：
a)构造一维坐标，轴向为液位变化方向，刻度为像素n；
b)依不同的测量精度对n进行标定，刻度进行同比例缩放；
c)坐标系以轴上部顶端为原点向前方旋转0-90度时，得到相应各种角度下的坐标系；
用旋转测量坐标得到校正后的测量坐标系如下：
a)调整摄像头，保证液位变化方向为坐标的轴向；
b)选择液位变化的最高高度为坐标的顶点；
c)设置一含有儿格标准刻度的标尺在液位变化顶端；
d)旋转测量坐标并调整测量刻度，当坐标变化与设置的标准刻度标尺一致时，就得到了液位测量的坐标系；
e)可移除标准刻度标尺；
使用摄像模块将不同激光点位置的图像集合采集并通过通信模块输入到系统存储单元，利用可见激光点目标检测方法提取出所有的可见激光点集合，从而形成轨迹。
对所有的可见激光点集合使用激光轨迹合成以及角点提取算法得到液位线位置。
结合标定坐标、激光轨迹合成以及角点提取算法提取出的实际液位信息、计算实际液位高度。
本发明采用了帧间差分法来检测运动的可见激光点，由于相邻两帧间的时间间隔非常小，完全可以排除由光照变化引起的图像动态变化，同时安装简便，不需要安装白色的背板，以及特意的避开其他遮挡物，最后由于不要安装白色的背板，因此不需要定期的维护白色背板，减少了维护的难度。
有益效果：
本发明的基于可见激光和图像处理的液位检测方法和装置，采用图像处理的方法，将摄像头获取的含有可见激光点和液位的图片，经简单的图像处理，得到液位实时高度信息，从而检测到液位的即时高度。为准确、高效获得液位的高度信息、本装置采用ARM系列单片机为主处理器，使用彩色液晶显示与触摸屏为输出输入设备，云台控制的可见激光发射器作为辅助液位检测的装置，接口部分包括有线、无线通讯控制和视频接口。由于采用了自适应坐标设定，该装置不仅适合开放式和/或封闭式的液位检测环境，也适用于机械设备定位和产品计数，具有非常广泛的应用前景。
本发明的基于可见激光和图像处理的液位检测方法和装置是具有非接触，抗扰性强，测量精度高的特点，检测精度能达到毫米级别，误差能达到千分之一以内，具有动态检测，成本低，安装简便，故障率低等优点。而且由于所用的器材是通用的，便于选材，检测的精度与所选摄像机的像素精度和算法的计算精度直接相关，因而可以根据需要的检测精度进行量体裁衣，节省成本。特别是可以对于有悬浮物、泡沫、液位波动强的液面进行准确的检测。能够对流动的、无光照的液面进行检测，同时做到无人值守24小时不间断的检测。通过无线装置能够实施远程监控检测，如河流、水池等，减轻了监控人员的工作量，并能够在抗洪抢险中对水位进行预估，这对工业生产、工业检测、抗洪抢险、城市排污、城市供水，准确检测提供了一种新型、稳定而高效的检测手段，对社会的发展有着重大的现实意义。
附图说明
图1为基于可见激光和图像处理的液位检测装置的嵌入式系统硬件原理图；
图2为基于可见激光和图像处理的液位检测装置在实施测量时的示意图。
图3为激光点的运动轨迹图(虚线为液位线，实线为轨迹)。
图4为坐标标定原理图。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：
实施例1：
一种基于可见激光和图像处理的液位检测方法，包括以下步骤：
步骤1：建立测量坐标系；
沿竖直方向建立用于表征实际液位变化的液位一维坐标AB″；一维坐标AB″位于背景所在的平面中；背景为存储液体的容器的竖直方向的内壁；
摄像头和用于发出可见激光的激光头设置在液面之上；摄像机相对于水平面斜向下面对背景；摄像机的光轴相对于水平面的夹角为θ；
建立投影一维坐标AB，投影一维坐标AB与液位一维坐标AB″之间的夹角为θ；
记摄像机所在位置为O点，激光头的扫描面为平面，该扫描面与O AB″平面存在一个非零的夹角；【即扫描面与O AB″平面不重合，这样就保证激光点的运动轨迹就不会是一条直线】
A为投影一维坐标AB与液位一维坐标AB″的公共原点；
构造一维坐标时，轴向为液位变化方向，最小刻度对应n个像素，n取值为(0，1，2，3，...)中的任意整数，数值越大表明坐标精度越高，但值太小在坐标变换时会引入舍入误差，根据摄像头的分辨率，n一般选取5-20个像素点，每刻度间的实际间距会因成像图片的远近成比例的放大缩小，然后对坐标系以轴上部顶端为原点向前方旋转0-90度的某一个角度，可得到相应各种角度下的坐标系如图4)。在实际测量过程中，首先调整摄像头，保证液位变化方向为坐标的轴向，先预拍一张标尺的图片，利用图像分割算法，计算得到标尺的刻度坐标系，然后将标尺置于待测液位的最高点，调整角度参数旋转刻度坐标系，当刻度坐标系的变化与此时放置在待测液位的最高点的标尺刻度线重合时，表明旋转角度已匹配，就得到了液位测量的坐标系，此时可移开标准刻度标尺。当摄像头安装后，这种坐标旋转匹配的方法能很快得到测量图片中液位变化坐标，克服了以往根据像素点现场标定液位线所要花费人力物力，如果液位不能快速从最高点到最低点变化，像素点现场标定法还不能即时标定测量坐标。当摄像头发生移动时本发明的方法能很快进行校正。
步骤2：通过可见激光点运动目标检测，获取可见激光点运动的运动轨迹；
将可见激光在液面的上下位置进行扫描，可见激光在所述的背景上形成激光点，由摄像机捕捉激光点的运动轨迹图像；
步骤3：基于所述的运动轨迹图像获得对应液面位置的角点坐标；并基于该角点坐标求取实际的液位值；
所述的角点坐标为投影一维坐标AB的坐标，角点的位置为C，角点在投影一维坐标AB内C的坐标为AC；
基于以下公式求取液位值AC″：
AC″＝AC*sin(∠ACC″)/sin(180°-θ-∠ACC″)；
所述的*号为乘号；
∠ACC″的计算方法为：
ΔOAC内，AO、AC、∠OAC已知，根据三角函数关系求出∠OCA，于是有∠ACC″＝180°-∠OCA。【∠OAC＝∠OAC″-θ】
测量原理说明：
如图4所示：摄像机的视角为∠AOB(为定值，由相机参数可得到)，AB为标尺，且AB平行摄像机的成像平面A′B′。假设A、B为图像平面的上下端点，即AB为摄像头的成像范围，有OA＝OB，所以三角形OAB是等腰三角形，所以可以得到∠OAB和∠OBA的值，且∠OBA＝∠OAB。另外，标尺AB旋转一个角度θ后，记为AB″，则有AB＝AB″。设点C″为AB″上的任意一点，点C′为C″在成像平面上的投影，点C为直线OC″与AB的交点。
现在目标是根据A′C′及其他已知条件和三角关系计算出AC″的长度。
求解过程如下：
又摄像头垂直于平面AB，因此可以根据像素高度A′C′求出AC的实际高度。(因为垂直条件下物体成像畸变较小，可看成线性)
ΔOAC内，AO、AC、∠OAC已知，根据三角函数关系可求出∠OCA，于是∠ACC″＝180°-∠OCA。
在ΔACC′内，已知∠ACC″、边AC，如已知∠CAC″即角θ，则可以根据三角函数算出边AC″的实际高度。由正弦定理，AC″/sin(∠ACC″)＝AC/sin(180°-θ-∠ACC″)，可以求得AC″的值。
在步骤1中，对摄像机的图像畸变进行校正，校正方法为：选择标准多色方格图片，摄像头对标准图片垂直成像，与标准图片比较后得到此摄像头或相机成像后畸变部分像素点偏移值，形成畸变校正表，对每幅液位图片处理前首先进行校正。畸变校正保证了待处理图片的真实性，即保证了测量精度。
在步骤1中，采用标尺对投影一维坐标AB与液位一维坐标AB″进行标定。
所述的激光头设置在云台上，由云台带动激光头实现扫描。
一种基于可见激光和图像处理的液位检测装置，包括摄像头、激光头和用于实现数值计算的数据处理模块；
背景为存储液体的容器内壁；
摄像头和用于发出可见激光的激光头设置在液面之上；摄像机相对于水平面斜向下面对背景；摄像机的光轴相对于水平面的夹角为θ；
采用前述的基于可见激光和图像处理的液位检测方法实现液位测量。
所述的数据处理模块采用ARM处理器。
ARM处理器与触摸显示屏相连。
ARM处理器与通信单元相连。
ARM处理器集成于UT6410CV05核心板上，液位检测装置还包括与数据处理模块相连的网口，所述的通信单元为无线通信单元或串口。
可见激光点运动目标检测：在开始液位检测后，该系统中摄像头固定不动，可见激光发射器按照预设的路线在云台的控制下上下运动，可见激光发射器以一定的角度射出激光点到背景物体上。在一个检测周期内，背景和液位可以看作是不变的，只有可见激光点是一个运动的目标，此步骤即检测运动目标的过程，在此利用了基于帧间差分法的运动目标检测算法，能够快速的检测到运动目标的坐标，并结合特征点提取算法，提取出运动目标，即可见激光点。
可见激光点轨迹合成：在提取出可见激光点后，利用激光轨迹合成的方法将所有激光点合成一张连续的激光运动轨迹图片。
液位线提取：激光点的位置从背景物运动到液面上时，激光点的轨迹将形成拐角，即激光点运动的轨迹是一条折线。然后利用灰度值的变化和颜色的变化对激光点的运动轨迹提取，最后对轨迹线条进行角点特征点的提取，找到拐角的坐标也就得到了液位线的位置。保证液位线的准确提取。
对分割的图像滤波处理，计算实时液位高度h1，与上次采集的液位高度h2比较，得到液位变化率v，当v大于设定的最大变化率Vmax时，需重新采集一次并计算，如满足条件，则采集结果有效，保存结果。
在各种环境下有较高的检测精度，如果摄像头的分辨率达到要求，在液位相对平稳时，检测精度可小于1mm，检测结果不会像超声波检测随温度变化而变化。
数据通信及控制：液位高度检测结果通过有线或无线方式发送到上位机，同时进入控制流程，根据需求对外部装置进行控制。该嵌入式装置可保存超过百万次的计算和控制结果，可通过触摸屏查询。
如图1所示，本嵌入式装置有如下部分，摄像头或相机，云台控制的可见光激光发射器和嵌入式检测装置，包含液晶显示及触摸屏、有线无线通信接口以及控制接口等，被检测对象。
应用步骤：嵌入式ARM视频液位检测器由固定在液位区域上方的摄像头采集液位图像，通过AV采集板将图像传输至ARM处理器处理。处理流程如下：对摄像头畸变进行校正，建立转换坐标，然后采集图像、图像预处理(滤波，裁减)、可见激光点运动目标检测、可见激光点轨迹合成、轨迹角点特征提取、图像边缘检测、液位线提取，计算液位高度、预估和校正液位高度、LCD显示液位高度。
跟踪扫描步骤如下：
a)调整摄像头，保证液位变化方向为坐标的轴向；
b)选择液位变化的最高高度为坐标的顶点；
c)设置一含有儿格标准刻度的标尺在液位变化顶端；
d)设置一标准刻度于待测液位的最高点，如现场要求精度为1cm，设置一20cm的标尺，每1cm处有一条刻度线，先预拍一张标尺的图片，利用图像分割算法，计算得到标尺的刻度坐标系，然后将标尺置于待测液位的最高点，调整角度参数旋转刻度坐标系，当刻度坐标系的变化与此时放置在待测液位的最高点的标尺刻度线重合时，表明旋转角度已匹配，计算出每1cm间距所占的像素点，就得到了液位测量的坐标系；
e)可移除标准刻度标尺；
使用摄像模块将不同激光点位置的图像集合采集并通过通信模块输入到系统存储单元，利用可见激光点目标检测方法提取出所有的可见激光点集合。
对所有的可见激光点集合采用激光轨迹合成以及角点提取算法，轨迹合成算法是综合了特征点提取算法的自主设计的图像合成算法；激光轨迹合成的方法即在[0015]所述的step3中得到激光点的移动坐标序列后重新生成一张二值图片，因激光点是一个小范围的光斑，因此将整个光斑所在的像素值赋值为1，其他赋值为0，最后在图像上显示效果为一条宽度为n像素的白色线条，n大于1小于图像的宽度，一般与摄像头到背景的距离成正比，距离越近，n越大，白色线条越粗，为了提高检测的精度和检测范围，调整摄像头与背景距离，使得n的取值范围为5-10为宜；角点是两个边缘的交点，比如十字交叉口和丁字路口的拐角。如图2所示，粗实线为激光轨迹合成路径，虚线为液位线。角点提取算法是计算机视觉和数字图像处理领域中常用的一种算子。
结合标定坐标、角点提取算法提取出的实际液位信息、以及位置跟踪算法，计算实际液位高度，其基本原理见附图4。
Claims (10)
1.一种基于可见激光和图像处理的液位检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立测量坐标系；
沿竖直方向建立用于表征实际液位变化的液位一维坐标AB〞；一维坐标AB〞位于背景所在的平面中；背景为存储液体的容器的竖直方向的内壁；
摄像头和用于发出可见激光的激光头设置在液面之上；摄像机相对于水平面斜向下面对背景；摄像机的光轴相对于水平面的夹角为θ；
建立投影一维坐标AB，投影一维坐标AB与液位一维坐标AB〞之间的夹角为θ；
记摄像机所在位置为O点，激光头的扫描面为平面，该扫描面与O AB〞平面存在一个非零的夹角；
A为投影一维坐标AB与液位一维坐标AB〞的公共原点；
步骤2：通过可见激光点运动目标检测，获取可见激光点运动的运动轨迹；
将可见激光在液面的上下位置进行扫描，可见激光在所述的背景上形成激光点，由摄像机捕捉激光点的运动轨迹图像；
步骤3：基于所述的运动轨迹图像获得对应液面位置的角点坐标；并基于该角点坐标求取实际的液位值；
所述的角点坐标为投影一维坐标AB的坐标，角点的位置为C，角点在投影一维坐标AB内C的坐标为AC；
基于以下公式求取液位值AC〞：
AC"＝AC*sin(∠ACC")/sin(180°-θ-∠ACC")；
所述的*号为乘号；
∠ACC"的计算方法为：
ΔOAC内，AO、AC、∠OAC已知,根据三角函数关系求出∠OCA，于是有∠ACC"＝180°-∠OCA。
2.根据权利要求1所述的基于可见激光和图像处理的液位检测方法，其特征在于，在步骤1中，对摄像机的图像畸变进行校正，校正方法为：选择标准多色方格图片，摄像头对标准图片垂直成像，与标准图片比较后得到此摄像头或相机成像后畸变部分像素点偏移值，形成畸变校正表，对每幅液位图片处理前首先进行校正。
3.根据权利要求1所述的基于可见激光和图像处理的液位检测方法，其特征在于，在步骤1中，采用标尺对投影一维坐标AB与液位一维坐标AB〞进行标定。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于可见激光和图像处理的液位检测方法，其特征在于，所述的激光头设置在云台上，由云台带动激光头实现扫描。
5.一种基于可见激光和图像处理的液位检测装置，其特征在于，包括摄像头、激光头和用于实现数值计算的数据处理模块；
背景为存储液体的容器内壁；
摄像头和用于发出可见激光的激光头设置在液面之上；摄像机相对于水平面斜向下面对背景；摄像机的光轴相对于水平面的夹角为θ；
采用权利要求1-4任一项所述的基于可见激光和图像处理的液位检测方法实现液位测量。
6.根据权利要求5所述的基于可见激光和图像处理的液位检测装置，其特征在于，所述的激光头设置在云台上。
7.根据权利要求6所述的基于可见激光和图像处理的液位检测装置，其特征在于，所述的数据处理模块采用ARM处理器。
8.根据权利要求7所述的基于可见激光和图像处理的液位检测装置，其特征在于，ARM处理器与触摸显示屏相连。
9.根据权利要求8所述的基于可见激光和图像处理的液位检测装置，其特征在于，ARM处理器与通信单元相连。
10.根据权利要求9所述的基于可见激光和图像处理的液位检测装置，其特征在于，ARM处理器集成于UT6410CV05核心板上，液位检测装置还包括与数据处理模块相连的网口，所述的通信单元为无线通信单元或串口。
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