CN105865421A - 基于照相机图像处理技术的水槽三维地形测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于照相机图像处理技术的水槽三维地形测量装置及基于该装置的测量方法，该系统至少包括两台拍照装置和两个激光发射装置，以及激光发射装置的匀速移动装置；该方法拍照装置通过无线遥控的方式拍摄水槽泥沙床面照片。然后将拍摄的照片或录制影像拷入计算机中，用图像处理软件和计算程序计算获得三维床面地形。本发明不仅经济实用，而且获得的三维地形可靠性与精度高，另外，本发明通过视频模式测量床面二维地形随时间变化；本发明是非接触式测量地形，不会干扰水流泥沙运动；本发明还可测量中低泥沙浓度的河床地形，而且不需要暂停实验。

Description

基于照相机图像处理技术的水槽三维地形测量装置

技术领域

本发明涉及水利工程、环境工程和海洋工程实验室中进行环境泥沙实验的水槽三维地形测量技术领域。

背景技术

在推移质输移、河床演变、海岸泥沙输移、泥石流运动等实验研究中，需要精确地测量实验水槽内的水下三维地形变化。目前，测量水槽内三维地形变化的方法众多，可采用单点测针法、光电反射式、阻抗式地形仪、跟踪式地形仪、超声地形仪、激光扫描仪等。

单点测针通过测针标尺读数测量床面高程，方法简单易操作，但是效率低，费人力，不实时，而且动水条件下判定浑浊床面较难。断面地形的测针排提供可控制的自动测量装置（白玉川和许栋，专利申请号200910228046），这种改进方法显著提高效率，但是三维地形的精度仍受制于测针排列间距和测针判读，空间分辨率不够。

类似的改进方法，如光强度测试仪测量水沙界面地形也是单点测量，且人工读数，效率低（初新杰等的实用新型专利：一种用于实验室的水沙界面地形测量装置）。曲兆松的发明专利（专利申请号200710062775）利用CCD摄像机录制水下地形，应用三维数字重构水下三维水波模型，提高了测量效率，但图像灰度受地形高低等因素影响，而且需要通过大量的率定工作以提高测量的可靠性和精度。光电反射式地形仪，测量精度较高，但是接触式测量，测量时会干扰局部地形，不易控制（唐洪武 等，1995）。

阻抗式地形仪利用电阻式探头在不同介质中电阻值的变化测量床面高程，测量精度达±1mm，但依赖于探头的构造形状，而且也属于接触式测量，易干扰泥沙床面（陈诚 等，2009），类似的跟踪式地形仪是对阻抗式地形仪的改进，也有同样的可靠性问题（王雅丽和李旺兴，2006）。利用水下超声波的地形测量设备（李先华等，发明专利：水下数字地形模型的声纳遥感数字图像的地形变换方法，王振先等，发明专利：实验室用水下超声地形测量仪），这类无接触式测量，测量速度快，精度高，但制作成本高，易受外界干扰信号影响。

激光扫描仪是最新的地形测量技术，利用发射和接收脉冲式激光原理，以大量空间点重建被测物体颜色和三维地形，可大范围高精度地测量，但购买这样的设备，价格昂贵，数据处理工作量很大且复杂（陈诚 等，2009）。采用第二代声学多普勒流速仪（Vectrino+）也可以用于实验水槽的地形测量，只是其测量精度、环境噪音和测量范围需要进一步提高（郭荣 等，2012）。

发明内容

本发明的目的在于为了解决实验水槽的三维地形自动测量的效率低，造价高，精度低，可靠性低等问题，提供一种运用照相机和激光技术的简单、可靠、快速测量水槽三维地形装置。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

本发明是这样一种基于照相机和激光技术的水槽三维地形测量系统，它至少包括两台拍照装置和两个激光发射装置，并包括激光发射装置的匀速移动装置；拍照装置通过无线遥控的方式拍摄水槽床面照片。其中，两个激光发射装置在水槽上方等距相向移动。

两台拍照装置优选为照相机，每台照相机设有至少一个无线遥控器，每台照相机固定于一个挂篮中，两个挂篮分别位于水槽上方两侧，每个挂篮各固定在一个连接钢杆上。

激光发射装置为激光器，两个激光器从水槽上方向水槽纵向发射红色激光线。优选的，该系统还设有用于校核激光器的水位位置的水准仪和标示激光器移动距离的毫米刻度尺。

进一步的，激光器通过滚轮携带进行横向均匀移动，滚轮安置于水平卡槽（8）内。水平卡槽和连接钢杆均固定安置在位于水槽上方的水平钢架上。水平钢架通过一根垂直悬杆悬挂于水槽上方，垂直悬杆上方通过活动钢铰铰接在一根水平钢梁上，水平钢梁固定设置在实验室顶部。

基于该系统的水槽三维地形测量方法包括如下步骤：

步骤1：将水平钢架固定在水槽上方某个位置后，固定并调节照相机，设定一个激光器在水槽中间，设定另一个激光器在水槽另一侧，固定并打开激光器；

步骤2：按下照相机的无线遥控器，拍摄第1组自然光照片，关闭室内灯光，拍摄第2组照片；

步骤3：然后向相向方向，水平移动两个激光器一定距离，再拍摄第3组照片，继续相向移动两个激光器相等间距，继续拍摄第4组照片，如此这样直至两个激光器靠近，拍摄最后一组照片；

步骤4：移动水平钢架至下一个水槽，继续前面相同的操作，直至完成整个水槽的拍照工作；

步骤5：取下照相机的存储卡，拷入计算机中，用软件和程序计算出三维地形。

本发明的优点主要有以下方面：本发明经济实用，造价低，两台照相机，两个激光器，加上钢架制作，滚轮，卡槽，连接钢杆等，总制作成本并不高。而且本发明获得的三维地形可靠性高，水平和垂向精度由照相机最大分辨率决定，几何精度可达0.3mm，横向分辨度由激光器移动间距决定，受激光线宽度决定，可达3mm。另外，本发明通过视频模式测量床面二维地形随时间变化；本发明是非接触式测量地形，不会干扰水流泥沙运动；本发明还可测量中低泥沙浓度的河床地形，而且不需要暂停实验。

附图说明

图1是本发明的内部剖面图；

图2是本发明的俯视结构图。

附图标记说明：1-沙床，2-激光线，3-自由水面，4-水槽壁面，5-激光器，6-水准仪，7-毫米刻度尺，8-水平卡槽，9-挂篮，10-照相机，11-水平钢梁，12-活动钢铰，13-无线遥控器，14-连接钢杆，15-水平钢架，16-滚轮，17-水平连接杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的这种水槽三维地形测量系统的主要用途在于测量如图1和图2所示的实验室沙床水槽的地形，从图1中我们能够看到，该实验室水槽底部为由泥沙堆积而成的沙床1，水槽中的水淹没沙场1，使自由水面3高出沙床1的顶部许多。本发明的这种水槽三维地形测量系统设置于水槽的上方，并不与水槽本身及水槽中的沙床1直接接触，而是通过向水槽中的自由水面3下方的沙床1发射激光线2的方式进行地形测量。因此，本发明的技术方案主要是基于照相机和激光技术，该系统主要结构部件组成包括照相机10（优选Nikon7200）、储存卡、无线遥控器13、激光器5、水准仪6、滚轮16及水平卡槽8、水平钢架15、毫米刻度尺7、垂直悬杆、相机挂篮9等。

下面结合图1和图2分别说明各个部件的设置及在本发明的系统中的用途。

照相机10：主要用于拍摄床面照片，其设置在水槽壁面4两侧上方，通过挂篮9固定。

储存卡：插入照相机10，用于存取照片。

无线遥控器13：用来无线控制照相机10拍照。

激光器5：固定于水槽上方向水槽纵向发射红色激光线。

水准仪6：用于校核激光器5的水位位置。

滚轮16及水平卡槽8：滚轮16用于携带激光器5横向均匀移动，滚轮16安置于水平卡槽8内，一个激光器5对应两个滚轮16，两个滚轮16分别位于激光器5两侧的水平卡槽8中，两个滚轮16之间通过一根水平连接杆17进行连接，激光器5设置在水平连接杆17上。

水平钢架15：用于固定安置激光器5、滚轮16及水平卡槽8、照相机10。

垂直悬杆：用于在水槽上方悬挂水平钢架15。

挂篮9：用于安置照相机10，设置在连接钢杆14上，连接钢杆14固定连接在水平钢架15上。

如图1所示，部件整体运行时是这样实施的：水平钢架15固定在水槽上方某个位置后，固定并调节照相机10，设定一个激光器5在水槽中间，设定另一个激光器5在水槽另一侧，固定并打开激光器5。按下照相机10的无线遥控器13，拍摄第1组自然光照片，关闭室内灯光，拍摄第2组照片。然后向相向方向，水平移动两个激光器5一定距离（如1厘米），再拍摄第3组照片，继续相向移动两个激光器5相等间距，继续拍摄第4组照片，如此这样直至两个激光器5靠近，拍摄最后一组照片，即完成水槽纵向长度2米范围三维地形拍照工作。移动水平钢架15至下一个水槽，继续前面相同的操作，直至完成整个水槽的拍照工作。最后，取下照相机10的存储卡，拷入计算机中，用软件和程序计算出三维地形。

具体实施方法包括率定、拍照和数据后处理等三大步骤，下面分别详细说明：

步骤1：率定操作步骤如下：

步骤1.1：在水平钢架15和照相机10相对于水槽玻璃的轴线方向，用黑色签字笔在玻璃外壁面标记一个竖向垂直线，并标记已知高度和长度的记号。沿水槽方向第2米标记相同的记号。同时，在水槽水平方向放置已知高度和长度的铝块。

步骤1.2：安置2个照相:10，使其位置水平且中心线与水槽的玻璃壁面上垂直标记线重合。同时保证两个照相机10完全相同的参数设置。

步骤1.3：对应每个铝块，通过调节照相机:1的不同焦距，拍照，从而获得一个铝块高度与琉璃外壁面标记线的线性相关关系。

步骤1.4：沿水槽横向水平移动铝块一定距离（1cm），继续步骤:1.3，获得一系列线性相关关系。

步骤1.5：取出存储卡，拷出照片后，运用Photoshop软件剪切和纠正照片，分别读取玻璃外壁面的标记高度和长度的像素值，和已知高度和长度的铝块的像素值。

步骤1.6：分别建立标记的高度和长度与铝块的高度与长度的线性相关关系。

步骤1.7：将整个线性相关关系函数写入程序，完成这个率定工作。

步骤2：拍照操作步骤如下：

步骤2.1：从水槽一端移动水平钢架15，固定在水槽上方某个固定位置，这个位置正对水槽壁面4的垂直线。

步骤2.2：固定照相机10在挂篮9上，打开并调节照相机10与水槽壁面4水平且照相机10轴线与水槽壁面4的垂直线重合。

步骤2.3：固定一个激光器5在水槽中间，固定另一个激光器5在水槽另一侧，同时打开激光器5。

步骤2.4：按下照相机10的无线控制器13，拍摄第1组自然光照片。关闭室内灯光，拍摄第2组照片。

步骤2.5：然后以相以方向，水平移动每个激光:5一定距离（如1厘米），再拍摄第3组照片，继续相向移动两个激光器5相等间距，继续拍摄第4组照片，如此这样直至两个激光器5靠近，拍摄最后一组照片，即完成水槽纵向长度2米范围三维地形拍照工作。

步骤2.6：移动水平钢:15至下一个水槽，继续前面相同的操作，直至完成整个水槽的拍照工作。

步骤3：数据后处理操作步骤如下：

步骤3.1：取下存储卡，将全部照片拷入计算机中。

步骤3.2：运用Photoshop裁剪和纠正第1张自然光照片，同时运用批处理命令处理全部照片。运用第1张自然光照片，读出玻璃外壁面的标记线的长度和高度的像素值。

步骤3.3：运用已编写好的图像处理程序计算2条激光线所在二维坐标（长度和高度）。

步骤3.4：将水槽床面的横向每条激光线的物理坐标拼在一起，即组成床面三维地形，此三维地形的高度和长度精度受照相机的分辨率决定，精度可达0.3mm，水槽横向分辨率受激光器横向移动的间距决定，由于激光线的宽度约为3mm，因此三维地形的横向最大分辨率可达3mm。同时，为了减少工作量，可以增加横向间距，如5cm和1cm水平间距。

实施例1：本发明的这种产品使用时，操作简单易行，具体实施步骤如下：

步骤（1）：图1中先放整个水平钢架15在水槽中心线上方用活动钢铰12固定于水平钢梁11上；

步骤（2）：通过水准仪6调节活动钢架15达到水平；

步骤（3）：固定2个激光器5在水平钢架15中间位置，固定2个照相机10在挂蓝9中，并调节照相机10达到水平并与水槽玻璃外壁面垂线标记线重合；

步骤（4）：保持水槽水面无明显波动，打开照相机10，通过滚轮16在卡槽8中移动，调节激光器5横向位置，分别固定两个激光器5到水槽两侧边缘；

步骤（5）：运用无线遥控器13拍一组白光照片，一组较黑暗环境（不影响激光线）照片；

步骤（6）：水平方向上分别相向移动两个激光器5某个固定距离（1cm），再依步骤（5）拍照两组；

步骤（7）：继续水平移动激光器5，依步骤（6）拍照两组，直至两个激光器5贴近为止，此时完成全部拍照工作；

步骤（8）：如果水槽宽度为30cm，激光器5水平间距为1cm，则只需要移动15次即可完成三维地形拍照工作。因为在卡槽内水平移动滚轮，非常简便，位置固定后，按下无线遥控器13，即完成一组，15组白照片加上15组激光线照片，熟练掌握后，15分钟即可完成2米长的全部拍照工作。沿水槽纵向水平移动整个水平钢架15至下一个2米测量范围，重复步骤（5）-（7），直至完成整个水槽地形测量。如果水槽泥沙床面是平整床面或二维地形，只需要在水槽横向1/4，1/2和3/4拍照3组照片高程数据取平均即可。

本发明采用左右两个照相机，还有一个重要优点在于如果床面地形起伏很大，三维性很强，一侧照相机10看不见另一侧的激光线2（被沙床1地形遮挡），而这一侧的照相机10可以看见。两台照相机10具有互补作用，既可弥衩激光线2遮挡问题，又可以将两个照相机10计算出来的地形，取平均值，还可以彼此验证测量精度。

本发明可以在只要水面无明显波动条件下，不必停止实验，实时测量三维地形；本发明可以在泥沙浓度允许激光穿透的条件下，实时测量三维地形，即只要泥沙浓度不影响照相机10拍到激光线2。

本发明的这种水槽三维地形测量系统还可从以下几个方面进行进一步改进：

（1）为了测量水槽某段地形随时间变化，可以在水平钢架15上增加若干排激光器5，照相机10可以开启录制视频模式，再将视频依时间步长解译成照片，进行后处理分析；

（2）为了不移动整个水平钢架15，激光器5和照相机10，可以在水槽纵向增加几组相同设计的水平钢架15，激光器5和照相机10，运用无线摇控器13同时拍照，即可完成整个水槽地形拍照；

（3）如果在水平钢架15上方的水平钢梁11上安装水平滑轮匀速运动系统，即可以通过开启录制视频模式，在水平钢架15沿水槽纵向缓慢均匀移动过程中完成整个水槽二维地形测量。

（4）如果床面是二维地形，则只需要在一侧设置一台照相机15即可完成二维地形测量。

当然，以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于照相机图像处理技术的水槽三维地形测量系统，其特征在于：它至少包括两台拍照装置和两个激光发射装置，并包括激光发射装置的匀速移动装置；拍照装置通过无线遥控的方式拍摄水槽床面照片。

2.根据权利要求1所述的基于照相机和激光技术的水槽三维地形测量系统，其特征在于：两个激光发射装置在水槽上方等距相向移动。

3.根据权利要求2所述的基于照相机和激光技术的水槽三维地形测量系统，其特征在于：所述两台拍照装置为照相机（10），每台照相机（10）设有至少一个无线遥控器（13），每台照相机（10）固定于一个挂篮（9）中，两个挂篮（9）分别位于水槽上方两侧，每个挂篮（9）各固定在一个连接钢杆（14）上。

4.根据权利要求3所述的基于照相机和激光技术的水槽三维地形测量系统，其特征在于：所述激光发射装置为激光器（5），两个激光器（5）从水槽上方向水槽纵向发射红色激光线（2）。

5.根据权利要求4所述的基于照相机和激光技术的水槽三维地形测量系统，其特征在于：该系统还设有用于校核激光器（5）的水位位置的水准仪（6）。

6.根据权利要求4所述的基于照相机和激光技术的水槽三维地形测量系统，其特征在于：所述激光器（5）通过滚轮（16）携带进行横向均匀移动，滚轮（16）安置于水平卡槽（8）内。

7.根据权利要求6所述的基于照相机和激光技术的水槽三维地形测量系统，其特征在于：所述水平卡槽（8）和连接钢杆（14）均固定安置在位于水槽上方的水平钢架（15）上。

8.根据权利要求7所述的基于照相机和激光技术的水槽三维地形测量系统，其特征在于：所述水平钢架（15）通过一根垂直悬杆悬挂于水槽上方，垂直悬杆上方通过活动钢铰（12）铰接在一根水平钢梁（11）上。

9.一种基于权利要求1-8中任意一项所述的系统的水槽三维地形测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

步骤1：将水平钢架（15）固定在水槽上方某个位置后，固定并调节照相机（10），设定一个激光器（5）在水槽中间，设定另一个激光器（5）在水槽另一侧，固定并打开激光器（5）；

步骤2：按下照相机（10）的无线遥控器（13），拍摄第1组自然光照片，关闭室内灯光，拍摄第2组照片；

步骤3：然后向相向方向，水平移动两个激光器（5）一定距离，再拍摄第3组照片，继续相向移动两个激光器（5）相等间距，继续拍摄第4组照片，如此这样直至两个激光器（5）靠近，拍摄最后一组照片；

步骤4：移动水平钢架（15）至下一个水槽，继续前面相同的操作，直至完成整个水槽的拍照工作；

步骤5：取下照相机（10）的存储卡，拷入计算机中，用图像处理软件和自编程序计算出三维地形。