CN106851218B - 一种造波机运行状态的视频监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于运动监测领域，提供了一种造波机运行状态的视频监测装置及方法。在造波机运行状态监测时，首先对摄像机采集的图像进行标志点检测，并计算中心位置。然后在动态的视频中追踪每个标志点的位置，并根据标志点的运动状态来评估每块造波板的运行情况。本发明将造波板运行监测独立于造波控制系统之外，并通过非接触的图像测量方式实时监测造波板的运行情况。以LED来标识造波板，通过图像透视校正和二值化分析来获取每帧图像中标识点的位置，并根据不同时刻、不同空间位置标识点之间的对比来判断造波板的运行状态，有效地降低了造波控制系统对造波板运行监测的出错率，大幅度提高了模拟造波的实验效率。

Description

一种造波机运行状态的视频监测装置及方法

技术领域

本发明属于运动监测领域，涉及到造波机中造波板运行状态的监测问题，特别涉及一种造波机运行状态的视频监测装置及方法。

背景技术

在海洋工程研究领域，无论是海洋采油平台的设计、海洋能发电装置的研制、还是海底管线的铺设以及海洋安防工程的建设往往都离不开实验室研究阶段，即均需要将实验模型放在波流水槽、水池中进行设计验证。造波机便是此过程中必不可少的一种实验仪器设备^[1-4]，该设备可以在有限的空间内模拟出海洋中多种类型的波浪形式，为海洋装备的研制提供实验验证的仿真环境。

模拟波浪的过程中，造波系统中多块造波板被协同控制运动，从而产生不同的波浪形式。然而无论是推板式还是摇板式造波，其控制的原理是一致的：首先对目标谱设定波浪模拟的参数，上位机根据系统的传递函数，计算出每块造波板运行的时间序列值控制信号，同时将该信号通过专用网络传送到相应的下位机。当下位机接收到上位主控机的控制信号后，启动造波程序开始造波。下位机通过专用运动控制接口，将每块造波板运行的时间序列值控制信号转换成不规则的位置脉冲控制信号，并输出到伺服电源，同时驱动伺服作动器带动造波板作相应的运动，从而推动水体产生波浪。伺服电机编码器实时测出推板的运动轨迹，并反馈到伺服电源，以确保推波板能准确地跟踪计算机给定信号运行，该反馈信号同时反馈到运动控制接口，下位机可以据此监测造波板的运行状态，并供上位机查询。

从上面的造波机运行机理可以看出，造波板的运动质量直接影响到了波浪模拟的品质以及造波实验的合理性。同时也可以看出，当造波板运行出现故障时，驱动器向下位控制机报警，下位机在停止本机控制的电机运转的同时通知上位机错误号。当上位机接到故障后，停止所有下位机，并在报警的同时显示故障类型。然而，这是正常情况下的故障处理方式。在海工实验中，造波机长时间运行，在有些情况下，当驱动器损坏或控制程序异常退出时，由于应用层程序之间的连接断掉，致使上位机无法获得错误信息，而依然继续造波。这种情况下，实验水池内的波浪数据是不准确的，实验结论是无效的，需要即时停机。然而，对于现今的造波控制系统而言，均利用编码器或位移传感器的信息反馈，从下位机到上位机的数据传输方式。这种故障反馈的方式，完全集成在控制回路内部，一旦出现异常情况，则控制上位机的实验人员无法及时得到故障信息，以致于降低实验效率。为此，需要一种造波机运行状态的监测方法来实时评测运行中的造波状态。而采用视频监控的方法不仅独立于造波控制系统，而且具有安装方便、非接触、全场测量的特点，因此较适宜于造波现场的监测。

参考文献：

[1]杨洪齐,李木国,柳淑学,等.伺服电机驱动的水槽主动吸收式造波机原理与实现.大连理工大学学报,2013,53(3):423-428.

[2]朱萍,黄晶华,赵丽君.水槽造波机的参数确定及结构设计.现代电力,2011,28(4):44-48.

[3]柳淑学,吴斌,李木国,等.无反射不规则波造波机系统的研究.水动力学研究与进展,2003,18(5):532-539.

[4]李俊,陈刚,杨建民,等.海洋工程试验中多单元造波机波浪模拟方法.海洋工程,2011,29(3):37-42.

发明内容

针对海洋工程实验室中造波系统的运行状态监测问题，本发明将图像处理技术与造波板运动追踪相结合，提出了一种造波机运行状态的视频监测方法。

本发明的技术方案：

一种造波机运行状态的视频监测装置，包括计算机、带有定焦镜头的摄像机、带云台的三角支架、多个圆形红色LED灯以及驱动控制电路板；摄像机固定在三角支架上，布置在实验水池的外侧，其光轴与造波板的运动方向互成一定的角度，并通过传输导线与计算机相连；在可视区内的每块造波板上布置一个圆形红色LED灯，并将每个LED连接到驱动控制电路板上，LED的驱动控制电路板通过RS232接口与计算机相连；每块造波板即为一个标志点，在造波机运行状态监测时，首先对摄像机采集的图像进行标志点检测，并计算中心位置；然后在动态的视频中追踪每个标志点的位置，并根据标志点的运动状态来评估每块造波板的运行情况。

一种造波机运行状态的视频监测方法，步骤如下：

步骤A：在造波板上安装好圆形红色LED灯后，对摄像机的拍摄位置进行布置，使得造波板的运动与摄像机的光轴形成一定的角度；再调整镜头的物距与光圈，使得现场成像清晰；

步骤B：首次运行时需要进行系统定标，PC机控制驱动控制电路板点亮所有的圆形红色LED灯，同时控制造波板回到初始位置；摄像机采集现场一帧图像，通过图像二值化的方法提取造波板初始化状态时所有发光标志点的坐标P_a，并按照由近及远的顺序对标志点进行编号；之后，PC机控制造波板运动到最大行程处，拍摄现场图像，并提取所有标志点的坐标P_b；与此同时，将此次识别的标志点的位置与标识点编号相对应；每个编号下记录的两个坐标位置形成一个线段P_aP_b ⁱ,i＝1,2,3...N，其中N为标识点的数量；由于每块造波板的运动将限制在线段上，所以称P_aP_b ⁱ为行程线段；另外，由初始位置的点集P_a形成直线l_a，而由终止位置点集P_b形成直线l_b。将l_a与l_b之间的区域设置为分析区域W_ROI；接下来，使用透视变换P′＝M_3×3P(P为l_a与l_b上的标识点坐标的集合，P′为校正后点的坐标集合，M_3×3为透视变换矩阵)对图像中标识点的坐标进行校正，使得由P′所组成的两条直线平行l_a′//l_b′，即新的行程线段彼此相等|P_a′P_b′¹|＝|P_a′P_b′²|＝...＝|P_a′P_b′^N|。与此同时记录透视变换矩阵M_3×3。设定二维坐标平面，其x轴与l_a′重合，y轴与P_a′P_b′ⁱ重合。当完成这些操作后，PC机控制LED驱动板关闭所有的标识灯，进入分析等待状态。

步骤C：启动造波程序的同时，点亮所有的圆形红色LED灯；设置摄像机进入等间隔连续采集模式。

步骤D：对当前图像进行二值化分析，并在W_ROI区域内进行标识点的位置提取，同时利用透视变换矩阵M_3×3对标识点的位置进行修改。

步骤E：将当前标识点的位置与前一时刻的位置进行对比，若没有发生位置改变则对该编号的标识点进行首次记录；沿y轴向将当前时刻每个标识点的位置与近邻的标识点位置进行对比，计算之间的位置差异，若近邻位置差异大于设定阈值T，则对该编号的标识点进行二次记录。

步骤F：若某标识点被连续记录两次，则该编号的造波板出现故障，而与之依次邻接的仅进行第一次记录的编号下的造波板同样认定出现故障。

步骤G：当有故障发生时，计算机显示报警，同时关闭造波程序，此时控制驱动控制电路板关闭除有故障发生造波板所有标识灯。若没有故障发生，则反复运行步骤D-E，直到造波实验完毕，关掉所有标识灯，监测程序停止运行。

综上所述，在监测前首先在各个造波板的相同位置安装LED标识点；然后布置摄像机并进行系统定标；之后开始进行程序的自动监测，测量时不断检测标识点并获取其位置；最后根据当前标识点位置与前一时刻位置以及空间近邻位置之间的关系对造波板的运行状态进行判断。

本发明的有益效果：将造波板运行监测独立于造波控制系统之外，并通过非接触的图像测量方式实时监测造波板的运行情况。以LED来标识造波板，通过图像透视校正和二值化分析来获取每帧图像中标识点的位置，并根据不同时刻、不同空间位置标识点之间的对比来判断造波板的运行状态，有效地降低了造波控制系统对造波板运行监测的出错率，大幅度提高了模拟造波的实验效率。

附图说明

图1是本发明的视频监测装置结构示意图。

图中：1计算机；2摄像机；3LED驱动板；4三角支架；5LED灯；6实验水池；7造波板。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

一种造波机运行状态的视频监测方法，其结构示意如附图1所示：由一台计算机1；一台带有定焦镜头的摄像机2；一支带云台的三角支架4；多个LED圆形灯珠5以及驱动控制电路板3所组成。摄像机2固定在三角架4上，并布置在实验水池6的外侧，其光轴与造波板7的运动方向互成一定的角度，并通过传输导线与计算机1相连。在可视区内的每块造波板7上布置一个圆形红色LED灯5，并将每个LED连接到驱动控制电路板3上。LED的驱动控制板3通过RS232接口与计算机1相连。在造波机运行状态监测时，首先对摄像机2采集的图像进行标志点检测，并计算中心位置。然后在动态的视频中追踪每个标志点的位置，并根据标志点的运动状态来评估每块造波板7的运行情况。具体方法描述如下：

步骤A：在造波板7上安装好LED灯5后，对摄像机2的拍摄位置进行布置，使得造波板7的运动与摄像机2的光轴形成一定的角度。与此同时，调整镜头的物距与光圈，使得现场成像清晰。

步骤B：首次运行时需要进行系统定标。计算机1控制LED驱动板3点亮所有的LED标识灯5，同时控制造波板7回到初始位置。摄像机2采集现场一帧图像，通过图像二值化的方法提取造波板7初始化状态时所有发光标志点5的坐标P_a，并按照由近及远的顺序对标志点5进行编号。之后，PC机1控制造波板7运动到最大行程处，拍摄现场图像，并提取所有标志点5的坐标P_b。与此同时，将此次识别的标志点的位置与标识点编号相对应。这样每个编号下记录的两个坐标位置便形成一个线段P_aP_b ⁱ,i＝1,2,3...N，其中N为标识点的数量。由于每块造波板7的运动将限制在这线段上，所以称P_aP_b ⁱ为行程线段。另外，由初始位置的点集P_a可形成直线l_a，而由终止位置点集P_b可形成直线l_b。将l_a与l_b之间的区域设置为分析区域W_ROI。接下来，使用透视变换P′＝M_3×3P(P为l_a与l_b上的标识点坐标的集合，P′为校正后点的坐标集合，M_3×3为透视变换矩阵)对图像中标识点的坐标进行校正，使得由P′所组成的两条直线平行l_a′//l_b′，即新的行程线段彼此相等|P_a′P_b′¹|＝|P_a′P_b′²|＝...＝|P_a′P_b′^N|。与此同时记录透视变换矩阵M_3×3。设定二维坐标平面，其x轴与l_a′重合，y轴与P_a′P_b′ⁱ重合。当完成这些操作后，PC机1控制LED驱动板3关闭所有的标识灯，进入分析等待状态。

步骤C：启动造波程序的同时，点亮所有的标识灯5。设置摄像机2进入等间隔连续采集模式。

步骤D：对当前图像进行二值化分析，并在W_ROI区域内进行标识点5的位置提取。同时利用透视变换矩阵M_3×3对标识点的位置进行修改。

步骤E：将当前标识点的位置与前一时刻的位置进行对比。此时，若没有发生位置改变则对该编号的标识点进行首次记录。沿y轴向将当前时刻每个标识点的位置与近邻的标识点位置进行对比，计算之间的位置差异。此时，若近邻位置差异大于设定阈值T，则对该编号的标识点进行二次记录。

步骤F：若某标识点5被连续记录两次，则该编号的造波板7出现故障，而与之依次邻接的仅进行第一次记录的编号下的造波板7同样认定出现故障。

步骤G：当有故障发生时，计算机显示报警，同时关闭造波程序，此时控制LED驱动板3关闭除有故障发生造波板7所有标识灯5。若没有故障发生，则反复运行步骤D-E，直到造波实验完毕，关掉所有标识灯5，监测程序停止运行。

综上所述，在监测前首先在各个造波板7的相同位置安装LED标识点5；然后布置摄像机2并进行系统定标；之后开始进行程序的自动监测，测量时不断检测标识点5并获取其位置；最后根据当前标识点位置与前一时刻位置以及空间近邻位置之间的关系对造波板7的运行状态进行判断。

Claims (1)

1.一种造波机运行状态的视频监测方法，该视频监测方法所用的视频监测装置包括计算机、带有定焦镜头的摄像机、带云台的三角支架、多个圆形红色LED灯以及驱动控制电路板；摄像机固定在三角支架上，布置在实验水池的外侧，其光轴与造波板的运动方向互成一定的角度，并通过传输导线与计算机相连；在可视区内的每块造波板上布置一个圆形红色LED灯，并将每个LED灯连接到驱动控制电路板上；LED灯的驱动控制电路板通过RS232接口与计算机相连；每块造波板即为一个标志点，在造波机运行状态监测时，首先对摄像机采集的图像进行标志点检测，并计算中心位置；然后在动态的视频中追踪每个标志点的位置，并根据标志点的运动状态来评估每块造波板的运行情况；

视频监测方法，其特征在于，步骤如下：

步骤A：在造波板上安装好圆形红色LED灯后，对摄像机的拍摄位置进行布置，使得造波板的运动与摄像机的光轴形成一定的角度；再调整镜头的物距与光圈，使得现场成像清晰；

步骤B：首次运行时需要进行系统定标，计算机控制驱动控制电路板点亮所有的圆形红色LED灯，同时控制造波板回到初始位置；摄像机采集现场一帧图像，通过图像二值化的方法提取造波板初始化状态时所有发光标志点的坐标P_a，并按照由近及远的顺序对标志点进行编号；之后，计算机控制造波板运动到最大行程处，拍摄现场图像，并提取所有标志点的坐标P_b；与此同时，将此次识别的标志点的位置与标识点编号相对应；每个编号下记录的两个坐标位置形成一个线段P_aP_b ⁱ,i＝1,2,3...N，其中N为标识点的数量；由于每块造波板的运动将限制在线段上，所以称P_aP_b ⁱ为行程线段；另外，由初始位置的点集P_a形成直线l_a，而由终止位置点集P_b形成直线l_b；将l_a与l_b之间的区域设置为分析区域W_ROI；接下来，使用透视变换P′＝M_3×3P对图像中标识点的坐标进行校正，使得由P′所组成的两条直线平行l_a′//l_b′，即新的行程线段彼此相等P_a′P_b′¹＝P_a′P_b′²＝...＝P_a′P_b′^N，与此同时记录透视变换矩阵M_3×3；P为l_a与l_b上的标识点坐标的集合，P′为校正后点的坐标集合，M_3×3为透视变换矩阵；设定二维坐标平面，其x轴与l_a′重合，y轴与P_a′P_b′ⁱ重合；当完成这些操作后，计算机控制驱动控制电路板关闭所有的标识灯，进入分析等待状态；

步骤C：启动造波程序的同时，点亮所有的圆形红色LED灯；设置摄像机进入等间隔连续采集模式；

步骤D：对当前图像进行二值化分析，并在W_ROI区域内进行标识点的位置提取，同时利用透视变换矩阵M_3×3对标识点的位置进行修改；

步骤E：将当前标识点的位置与前一时刻的位置进行对比，若没有发生位置改变则对该编号的标识点进行首次记录；沿y轴向将当前时刻每个标识点的位置与近邻的标识点位置进行对比，计算之间的位置差异，若近邻位置差异大于设定阈值T，则对该编号的标识点进行二次记录；

步骤F：若某标识点被连续记录两次，则该编号的造波板出现故障，而与之依次邻接的仅进行第一次记录的编号下的造波板同样认定出现故障；

步骤G：当有故障发生时，计算机显示报警，同时关闭造波程序，此时控制驱动控制电路板关闭除有故障发生造波板所有标识灯；若没有故障发生，则反复运行步骤D-F，直到造波实验完毕，关掉所有标识灯，监测程序停止运行。

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