CN108020679A - 深海原位微颗粒流速测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深海原位微颗粒流速测量系统及方法，测量系统包括位于深海处的密封腔体和位于岸上的远程计算机，密封腔体内设有显微镜、设置于显微镜后端的高速相机、SoC FPGA单元和网络模块，SoC FPGA单元连接高速相机，SoC FPGA单元通过网络模块连接所述远程计算机，高速相机用于拍摄经显微镜放大后的原始颗粒图像并传输至SoC FPGA单元，SoC FPGA单元包括相互连接的FPGA和处理器，FPGA用于对原始颗粒图像进行第一图像处理并传输至处理器，处理器用于对第一颗粒图像进行第二图像处理和数据压缩并传输至远程计算机，远程计算机用于将第一颗粒信息进行第三图像处理以得到包括颗粒流速的第二颗粒信息。本发明实现微颗粒流速的测量，并可远程实时在线监控颗粒信息。
Description
技术领域
本发明涉及深海原位微颗粒流速测量系统及方法。
背景技术
目前主流的流体流速测量技术主要依赖于图像处理技术，市面上已有成熟的图像处理技术，可以做到对高清图像(典型分辨率为1920*1080，帧率为60fps)实时地编码、解码。为了获取精确度更高的微颗粒流速信息，缩短图像采集时间间隔是必要的。然而，现有的软硬件技术对于同一级别分辨率但更高帧率的图像的实时处理则存在不足，其中瞬时海量数据的传输、存储和信息提取与计算是主要面临的问题。
颗粒识别和数据分析计算是微颗粒流速测量的基础；传统的PIV(Particle ImageVelocimetry)仪器的图像采集、图像处理和后期的数据分析、数据可视化是独立完成的，这些传统的PIV仪器虽然可以进行高速摄像(大于200fps)，但是，由于数据量巨大，很难在线实时处理数据，从而存在诸多潜在局限，如信息处理不及时、流速测量精确度低和远程监控不方便等问题。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种深海原位微颗粒流速测量系统及方法，实现微颗粒流速的测量，并可远程实时在线监控颗粒信息。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明公开了一种深海原位微颗粒流速测量系统，包括位于深海处的密封腔体和位于岸上的远程计算机，所述密封腔体内设有显微镜、设置于所述显微镜后端的高速相机、SoC FPGA单元和网络模块，所述SoC FPGA单元连接所述高速相机，所述SoC FPGA单元通过所述网络模块连接所述远程计算机，其中：所述显微镜用于通过所述密封腔体上的透明视窗放大深海处的微颗粒物体，所述高速相机用于拍摄经所述显微镜放大后的原始颗粒图像并传输至所述SoC FPGA单元，所述SoC FPGA单元包括相互连接的FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)和处理器，所述FPGA用于对所述原始颗粒图像进行第一图像处理以得到第一颗粒图像并将所述第一颗粒图像传输至所述处理器，所述处理器用于对所述第一颗粒图像进行第二图像处理和数据压缩以得到第一颗粒信息并将所述第一颗粒信息通过所述网络模块传输至所述远程计算机，所述远程计算机用于将所述第一颗粒信息进行第三图像处理以得到第二颗粒信息，所述第二颗粒信息包括颗粒流速。
优选地，所述第一图像处理包括按照预设模式对所述原始颗粒图像进行图像采集，并进行降噪和二值化处理，优选地，所述预设模式为间隔a帧采集一帧图像，如此采集m帧为一组，间隔b帧采集下一组，如此采集n组。
优选地，所述第二图像处理包括颗粒识别和跟踪，所述第一颗粒信息包括每个颗粒的颗粒大小、颗粒形状和颗粒位置的信息。
优选地，所述第三图像处理包括颗粒形状参数提取、粒径分布统计以及PIV或PTV算法，所述第二颗粒信息还包括每个颗粒的颗粒大小、颗粒形状、颗粒位置和颗粒浓度的信息。
优选地，所述显微镜与所述SoC FPGA单元连接，所述SoC FPGA单元还用于调节所述显微镜的放大倍数。
优选地，所述SoC FPGA单元采用ARM+FPGA架构电路板，其中所述处理器为ARM处理器，且所述FPGA和所述ARM处理器集成在一个芯片上。
优选地，所述FPGA与所述处理器通过总线接口AXI-HP连接。
优选地，所述深海原位微颗粒流速测量系统还包括存储器，所述存储器连接所述SoC FPGA单元，设置于位于深海处的密封腔体内，所述SoC FPGA单元还用于将所述原始颗粒图像存储在所述存储器中。
本发明还公开了一种深海原位微颗粒流速测量方法，其特征在于，采用上述的深海原位微颗粒流速测量系统对深海原位微颗粒的流速进行测量，包括以下步骤：
S1：所述显微镜通过所述密封腔体上的透明视窗放大深海处的微颗粒物体；
S2：所述高速相机拍摄经所述显微镜放大后的原始颗粒图像并传输至所述SoCFPGA单元；
S3：所述FPGA对所述原始颗粒图像进行第一图像处理以得到第一颗粒图像并将所述第一颗粒图像传输至所述处理器；
S4：所述处理器对所述第一颗粒图像进行第二图像处理和数据压缩以得到第一颗粒信息并将所述第一颗粒信息通过所述网络模块传输至所述远程计算机；
S5：所述远程计算机将所述第一颗粒信息进行第三图像处理以得到第二颗粒信息，所述第二颗粒信息包括颗粒流速。
优选地，所述深海原位微颗粒流速测量方法还包括：所述SoC FPGA单元还将若干个所述原始颗粒图像和所述第一颗粒信息传输至所述远程计算机，所述远程计算机根据所述原始颗粒图像和所述第一颗粒信息进行可视化展示。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提供的深海原位微颗粒流速测量系统及方法，通过在密封腔体内设置包括FPGA和处理器的SoC FPGA单元，得到的最终数据量比高速相机采集到的图像数据量大大降低，使得系统得到的数据在本地存储和实时网络传输成为可能，并可由远程计算机进一步归档、可视化，同时，由于采用高速相机，大大缩短了图像采集间隔，提高了微颗粒流速测量的精确度，相比传统的FPGA+DSP系统，通过使用SoC FPGA单元提高了硬件集成度，增强系统的可靠性。该深海原位微颗粒流速测量系统具有完备的功能，可独立安装部署于深海来进行微颗粒流速的测量，在深海微生物研究等方面具有较大的应用价值。
在进一步的方案中，FPGA按照预设模式对原始颗粒图像进行图像采集得到第一颗粒图像，处理器再进行颗粒识别和跟踪以及数据压缩得到包括每个颗粒的颗粒大小、颗粒形状和颗粒位置的信息的第一颗粒信息并传输给远程计算机，该第一颗粒信息的数据量相比高速相机采集到的原始颗粒图像的数据量降低了六个数量级，大大节约了传输成本，也提升了颗粒分析效率；传输至远程计算机的第一颗粒信息可由计算机经过第三图像处理，以得到包含颗粒浓度和颗粒流速的信息。
附图说明
图1是本发明优选实施例的深海原位微颗粒流速测量系统的原理框图；
图2是本发明优选实施例的深海原位微颗粒流速测量方法的流程图。
具体实施方式
下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。
本发明优选实施例的深海原位微颗粒流速测量系统，能够提取微颗粒的关键信息(包括颗粒大小、形状、位置、浓度、速度等)，可供后续深入分析及可视化表达；该系统具有完备的功能，方便在深海进行独立的安装部署，在极端环境监测(如海底、高空)和高清实时监控等方面有重大应用价值。
该测量系统包括位于深海处的密封腔体和位于岸上的远程计算机50，如图1所示，密封腔体内设有显微镜10、设置于显微镜后端的高速相机20、SoC FPGA单元30和网络模块40，其中SoC FPGA单元30连接高速相机20，SoC FPGA单元30通过网络模块40连接远程计算机50，显微镜10用于通过密封腔体上的透明视窗放大深海处的微颗粒物体，高速相机20用于拍摄经显微镜10放大后的原始颗粒图像(其中高速相机20的拍摄速度可以为200fps)并传输至SoC FPGA单元30，SoC FPGA单元30包括相互连接的FPGA 31和处理器32，FPGA 31用于对原始颗粒图像进行第一图像处理以得到第一颗粒图像并将第一颗粒图像传输至处理器32，处理器32用于对第一颗粒图像进行第二图像处理和数据压缩以得到第一颗粒信息并将第一颗粒信息通过网络模块40传输至远程计算机50，远程计算机50用于将第一颗粒信息进行第三图像处理以得到第二颗粒信息，第二颗粒信息包括颗粒流速。
其中，FPGA 31对原始颗粒图像进行的第一图像处理包括按照预设模式对原始颗粒图像进行图像采集，并进行降噪和二值化处理，从而得到第一颗粒图像，进一步地，预设模式为间隔a帧采集一帧图像，如此采集m帧为一组，间隔b帧采集下一组，如此采集n组；处理器32对第一颗粒图像进行的第二图像处理包括颗粒识别和跟踪，通过第二图像处理和数据压缩得到的第一颗粒信息包括每个颗粒的颗粒大小、颗粒形状和颗粒位置的信息。远程计算机50将第一颗粒信息进行的第三图像处理包括：颗粒形状参数提取、粒径分布统计以及PIV(Particle Image Velocimetry，粒子图像测速)或PTV(Particle TrackingVelocimetry，粒子追踪测速)算法，得到的第二颗粒信息包括每个颗粒的颗粒大小、颗粒形状、颗粒位置、颗粒浓度和颗粒流速的信息，可供后续研究分析或与对应的原始颗粒图像一同进行可视化展示。
在图1中，带箭头的实线表示数据或指令的传输，箭头表示传输方向，带箭头的虚线表示SoC FPGA单元30对显微镜10、高速相机20的控制，具体而言，SoC FPGA单元30可根据远程计算机50所配置的显微镜放大倍数、高速相机拍摄速度等，来调节显微镜10的放大倍数和高速相机20的拍摄速度。
在一具体的实施例中，SoC FPGA单元30具体采用ARM+FPGA架构电路板，其中处理器32为ARM处理器，且FPGA 31和ARM处理器集成在一个芯片上；进一步地，FPGA 31与ARM处理器通过高性能带宽总线接口AXI-HP连接。
深海原位微颗粒流速测量系统优选还包括存储器60，存储器60连接SoC FPGA单元30，设置于位于深海处的密封腔体内，SoC FPGA单元30可以间隔一段时间将若干个原始颗粒图像发送给存储器60或远程计算机50。其中该系统中的密封腔体能耐受千米级水深，腔体材料采用耐腐蚀的合金材料，在密封腔体的透明视窗外还可设置雨刷和LED灯，雨刷和LED灯分别与SoC FPGA单元30连接，以使得SoC FPGA单元30还可控制该雨刷定期清理透明视窗，也可控制该LED灯是否点亮，其中透明视窗优选为蓝宝石玻璃视窗。具体地，网络模块40采用海底光电缆。
如图2所示，本发明优选实施例还公开了一种深海原位微颗粒流速测量方法，包括以下步骤：
S1：显微镜通过密封腔体上的透明视窗放大深海处的微颗粒物体；
S2：高速相机拍摄经显微镜放大后的原始颗粒图像并传输至SoC FPGA单元，其中SoC FPGA单元包括相互连接的FPGA和处理器；
S3：FPGA单元对原始颗粒图像进行第一图像处理以得到第一颗粒图像并将第一颗粒图像传输至处理器，其中第一图像处理包括按照预设模式对原始颗粒图像进行图像采集，并进行降噪和二值化处理，从而得到第一颗粒图像，进一步地，预设模式为间隔a帧采集一帧图像，如此采集m帧为一组，间隔b帧采集下一组，如此采集n组；
S4：处理器对第一颗粒图像进行第二图像处理和数据压缩以得到第一颗粒信息并通过网络模块传输至远程计算机，第二图像处理包括颗粒识别和跟踪，通过第二图像处理和数据压缩得到的第一颗粒信息包括每个颗粒的颗粒大小、颗粒形状和颗粒位置的信息；
S5：远程计算机将第一颗粒信息进行第三图像处理以得到第二颗粒信息，第二颗粒信息包括颗粒流速，第三图像处理包括：颗粒形状参数提取、粒径分布统计以及PIV或PTV算法，得到的第二颗粒信息包括每个颗粒的颗粒大小、颗粒形状、颗粒位置、颗粒浓度和颗粒流速的信息，可供后续研究分析或与对应的原始颗粒图像一同进行可视化展示。
在一些实施例中，SoC FPGA单元还可以将第一颗粒图像通过网络模块发送给远程计算机，而且SoC FPGA单元还可以将若干原始颗粒图像存储在存储器(例如SD卡)或者发送给远程计算机；然后远程计算机可根据原始颗粒图像和第一颗粒信息进行信息归档、可视化展示，例如绘制颗粒大小和颗粒速度关系的直方图，可以从该直方图中清楚看出两者的关系。图像经处理后，数据量能够降低六个数量级，为原始图像的1/1000000左右，这样，实时将关键颗粒信息传输至远程控制主机成为可能，为实时监控颗粒提供了基础，在极端环境监测(如海底、高空)和高清实时监控等方面有重大应用价值。结合后端软件(如远程计算机安装的应用软件)，本实施例还可以应用于其他生物检测等。
本发明优选实施例公开的深海原位微颗粒流速测量系统及方法，千倍级远距的显微镜、数据量达到每秒Gb级的高速相机和高速嵌入式数据处理电路板封装在能耐受千米级水深的密封腔体内，腔体材料采用耐腐蚀的合金材料，LED灯和视窗雨刷安装在腔体外，通过蓝宝石视窗拍摄颗粒图像，视窗雨刷定期清洁蓝宝石视窗，外部电源和信号传输采用能耐受高压的水密电缆；SoC FPGA单元中的FPGA获取原始颗粒图像后加以处理，通过高性能带宽总线接口AXI-HP传输给ARM处理器，实现高速颗粒图像的图像处理及数据压缩，把数据量压缩到每秒Kb级，其中包含每个颗粒的颗粒大小、颗粒形状、颗粒位置的信息，把颗粒的信息通过海底光电缆传输到岸上的远程计算机，通过远程计算机处理计算得到颗粒浓度和颗粒速度。
经过该系统及方法处理后，得到的最终数据量能够比高速相机采集到的图像数据量降低六个数量级，为原始图像的1/1000000左右，数据量大大降低使得系统得到的数据在本地存储和实时网络传输成为可能，并可由远程计算机进一步归档、可视化；同时由于缩短了图像采集间隔，提高了微颗粒流速测量的精确度，相比传统的FPGA+DSP系统，通过使用SoC FPGA单元提高了硬件集成度，增强系统的可靠性。另外，该系统充分利用高速相机的性能在短时间内获取大量照片，再加上灵活的数据传输、存储方式，使得PIV技术能轻便、灵活地运用于更广泛的领域中。其中整个图像处理系统输出的是提取后的关键信息(颗粒大小、形状、位置、浓度、速度等)，可供后续深入分析及可视化表达；由于该系统功能完备，可以独立安装部署，在极端环境监测(如海底、高空)和高清实时监控等方面有重大应用价值。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种深海原位微颗粒流速测量系统，其特征在于，包括位于深海处的密封腔体和位于岸上的远程计算机，所述密封腔体内设有显微镜、设置于所述显微镜后端的高速相机、SoC FPGA单元和网络模块，所述SoC FPGA单元连接所述高速相机，所述SoC FPGA单元通过所述网络模块连接所述远程计算机，其中：
所述显微镜用于通过所述密封腔体上的透明视窗放大深海处的微颗粒物体，所述高速相机用于拍摄经所述显微镜放大后的原始颗粒图像并传输至所述SoCFPGA单元，所述SoCFPGA单元包括相互连接的FPGA和处理器，所述FPGA用于对所述原始颗粒图像进行第一图像处理以得到第一颗粒图像并将所述第一颗粒图像传输至所述处理器，所述处理器用于对所述第一颗粒图像进行第二图像处理和数据压缩以得到第一颗粒信息并将所述第一颗粒信息通过所述网络模块传输至所述远程计算机，所述远程计算机用于将所述第一颗粒信息进行第三图像处理以得到第二颗粒信息，所述第二颗粒信息包括颗粒流速。
2.根据权利要求1所述的深海原位微颗粒流速测量系统，其特征在于，所述第一图像处理包括按照预设模式对所述原始颗粒图像进行图像采集，并进行降噪和二值化处理，优选地，所述预设模式为间隔a帧采集一帧图像，如此采集m帧为一组，间隔b帧采集下一组，如此采集n组。
3.根据权利要求1所述的深海原位微颗粒流速测量系统，其特征在于，所述第二图像处理包括颗粒识别和跟踪，所述第一颗粒信息包括每个颗粒的颗粒大小、颗粒形状和颗粒位置的信息。
4.根据权利要求1所述的深海原位微颗粒流速测量系统，其特征在于，所述第三图像处理包括颗粒形状参数提取、粒径分布统计以及PIV或PTV算法，所述第二颗粒信息还包括每个颗粒的颗粒大小、颗粒形状、颗粒位置和颗粒浓度的信息。
5.根据权利要求1所述的深海原位微颗粒流速测量系统，其特征在于，所述显微镜与所述SoC FPGA单元连接，所述SoC FPGA单元还用于调节所述显微镜的放大倍数。
6.根据权利要求1所述的深海原位微颗粒流速测量系统，其特征在于，所述SoC FPGA单元采用ARM+FPGA架构电路板，其中所述处理器为ARM处理器，且所述FPGA和所述ARM处理器集成在一个芯片上。
7.根据权利要求1所述的深海原位微颗粒流速测量系统，其特征在于，所述FPGA与所述处理器通过总线接口AXI-HP连接。
8.根据权利要求1所述的深海原位微颗粒流速测量系统，其特征在于，还包括存储器，所述存储器连接所述SoC FPGA单元，设置于位于深海处的密封腔体内，所述SoC FPGA单元还用于将所述原始颗粒图像存储在所述存储器中。
9.一种深海原位微颗粒流速测量方法，其特征在于，采用权利要求1至8任一项所述的深海原位微颗粒流速测量系统对深海原位微颗粒的流速进行测量，包括以下步骤：
S1：所述显微镜通过所述密封腔体上的透明视窗放大深海处的微颗粒物体；
S2：所述高速相机拍摄经所述显微镜放大后的原始颗粒图像并传输至所述SoC FPGA单元；
S3：所述FPGA对所述原始颗粒图像进行第一图像处理以得到第一颗粒图像并将所述第一颗粒图像传输至所述处理器；
S4：所述处理器对所述第一颗粒图像进行第二图像处理和数据压缩以得到第一颗粒信息并将所述第一颗粒信息通过所述网络模块传输至所述远程计算机；
S5：所述远程计算机将所述第一颗粒信息进行第三图像处理以得到第二颗粒信息，所述第二颗粒信息包括颗粒流速。
10.根据权利要求9所述的深海原位微颗粒流速测量方法，其特征在于，还包括：所述SoC FPGA单元还将若干个所述原始颗粒图像和所述第一颗粒信息传输至所述远程计算机，所述远程计算机根据所述原始颗粒图像和所述第一颗粒信息进行可视化展示。
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