CN108903664A - 一种基于图像处理的饮水机取水杯液位检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像处理的饮水机取水杯液位检测方法，包括如下步骤：S1、检测是否有取水杯需要加水；S2、检测需要加水杯杯口中的最大内接圆，即为加水区域；S3、向加水区域内加水；S4、加水过程中采用图像识别动态检查加水区域内液位值，若达到指定液位高度则停止加水，反之，则返回步骤S3；S5、当水面相对稳定时,采用图像识别静态检查加水区域内液位值，若达到指定液位高度则停止检测过程，反之，则返回步骤S3。本发明简单易行，能够适应多种材质以及多种高度的取水杯完成自动加水及水满停水的功能。

Description

一种基于图像处理的饮水机取水杯液位检测方法

技术领域

本发明涉及取水杯液位控制领域，具体涉及一种基于图像处理的饮水机取水杯液位检测方法。

背景技术

目前液位检测的方法多种多样，如差压式液位检测、浮体式液位检测、电容式液位检测、声波液位检测等,每种方法在不同的环境下有着不同的应用。

上述的几种常见的液位检测技术主要分为两类：接触式液位检测和非接触式液位检测。由于取水杯中的水是要饮用的，必然要使用一种非接触式液位检测技术来检测水杯中的液位。上述的几种检测技术中压差式液位检测、浮体式液位检测和电容式液位检测属于接触式液位检测技术。声波液位检测则不能很好的识别较低的取水杯。另外一部分非接触式检测是通过传感器式智能水杯来实现的，传感器式智能水杯是通过在特定水杯的基础上进行改装，如在水杯的底部、侧壁加入压力传感器或者液位传感器等，尽管能够达到测试水杯的液位的目标，但是也有着很大的推广局限性，这是因为，所用的水杯都是经过特殊设计，不同于人们日常经常用到的普通水杯、纸杯，因而造成了使用层面的不便性以及通用性不强等问题。

因而水杯的液位检测不仅仅要满足非接触式检测的需要，也要满足通用性方面的考虑，能够检测市面上大部分水杯的液位，包括透明水杯和不透明水杯，一次性水杯等等。本发明采用的非接触式检测方案，是采用图像处理技术来识别各种常用取水杯中的液位高度，在液位识别准确的基础上增加了识别对象的通用性。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的缺陷，提供了一种基于图像处理的饮水机取水杯液位检测方法，采用Hough变换寻找到杯口中的可加水区域并在此区域中进行动态液位检测和静态液位检测，实现了实时液位检测并且当液位到达指定高度时自动停止加水的功能。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于图像处理的饮水机取水杯液位检测方法，包括如下步骤：

S1、检测是否有取水杯需要加水；

S2、检测需要加水杯杯口中的最大内接圆，即为加水区域；

S3、向加水区域内加水；

S4、加水过程中采用图像识别动态检查加水区域内液位值，若达到指定液位高度则停止加水，反之，则返回步骤S3；

S5、当水面相对稳定时,采用图像识别静态检查加水区域内液位值，若达到指定液位高度则停止检测过程，反之，则返回步骤S3。

进一步地，还包括步骤:

S6、当加水时间累积超过预设最长加水时间时，加水和检测过程结束。

进一步地，所述的步骤S1中，检测是否有取水杯需要加水具体包括：

在出水口正下方放置传感器，当有取水杯待加水时输出高电平，没有取水杯待加水时输出低电平，作为否有取水杯需要加水的检查结果。

进一步地，所述的传感器包括红外传感器、激光传感器或压敏传感器。

进一步地，所述步骤S1还包括步骤：

利用红外传感器检测取水杯是否为透明杯。

进一步地，所述的步骤S2具体包括：

S21、通过摄像头拍摄包含杯口形状的图片信息，并通过Sobel边缘检测得到杯口信息图像；

S22、通过第一次霍夫变换搜索杯口信息图像，粗定位杯口中的可加水区域；

S23、通过第二次霍夫变换在第一次搜索的范围中继续搜索，精确确定杯口中的可加水区域；

S23、对精确确定的可加水区域原图进行直方图均衡化以增加区域内水位与杯壁的灰度差；

S24、通过Sobel边缘检测得到可加水区域图像。

进一步地，步骤S21中，通过摄像头拍摄包含杯口形状的图片信息之前，还包括步骤：当检测加水杯是否为透明杯时，开启相应灯光辅助检测以增强图像信息，即采用杯底打光的背光方式打光，反之，则采用顶部打光的方式打光。

进一步地，所述的步骤S2还包括步骤：

S25、将可加水区域沿高度方向n等分为0至n-1层，设定预期加水液位高度为k，k∈[0,n-1]。

进一步地，所述的步骤S4和S5中，通过摄像头拍摄加水区域内液位值之前，若取水杯为透明杯则采用在放置摄像头的相对端打光以使液位信息更明显，若取水杯为非透明杯则采用取水杯顶部打光的方式打光。

进一步地，所述步骤S4中，动态检查加水区域内液位值时，缓存前两次动态检测的液位值，当连续3次动态检测输出同一液位x时，则认为动态检查的液位到达了x，若x大于设定值，则停止加水并执行步骤S5,若x小于设定值时，则继续加水并进入动态检测过程。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

本发明的液位检测算法是采用已经得到充分发展的图像处理技术，将Hough变换原理加以结合应用，得到取水杯杯口区域的圆心和半径，接下来用动态检测和静态检测算法得到液位高度，具有着非接触式，适用性强，精度高的检测优势，简单易行，能够适应多种材质如陶瓷、塑料、玻璃等以及多种高度如65mm至145mm的取水杯完成自动加水及水满停水的功能，可以在取水杯中液位位于70％至90％时饮水机自动停止水加水。

附图说明

图1是本发明中液位检测方法的算法流程图；

图2是本发明中检测可加水区域过程S2算法流程图；

图3是本发明中检测可加水区域过程S2算法结果图；

图4是二维平面(x,y)中的点映射到参数平面(a,b，r)示意图；

图5是待加水取水杯的原始图像；

图6是待加水取水杯的杯口信息；

图7是空杯在原图中对可加水区域内图像做直方图均衡化后的图像；

图8是杯中水位上升到中等水位的图像；

图9是动态检查时杯中水位达到设定阈值时的图像。

图10是静态检查时杯中水位达到设定阈值时的图像。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，一种基于图像处理的饮水机取水杯液位检测方法，包括如下步骤：

S1、检测是否有取水杯需要加水；

S2、检测需要加水杯杯口中的最大内接圆，即为加水区域；

S3、向加水区域内加水；

S4、加水过程中采用图像识别动态检查加水区域内液位值，若达到指定液位高度则停止加水，反之，则返回步骤S3；

S5、当水面相对稳定时,采用图像识别静态检查加水区域内液位值，若达到指定液位高度则停止检测过程，反之，则返回步骤S3；

S6、当加水时间累积超过预设最长加水时间时，加水和检测过程结束。

具体而言，所述的步骤S1中，检测是否有取水杯需要加水具体包括：

在出水口正下方放置传感器，当有取水杯待加水时输出高电平，没有取水杯待加水时输出低电平，作为否有取水杯需要加水的检查结果。所述的传感器包括红外传感器、激光传感器或压敏传感器。

具体而言，为了区分透明接水杯和非透明接水杯，利用透明杯对于光有较低的折射和反射的性质，所述步骤S1还包括步骤：

利用红外传感器检测取水杯是否为透明杯。

如图2和图3所示，所述的步骤S2具体包括：

S21、通过摄像头拍摄包含杯口形状的图片信息(见图5)，并通过Sobel边缘检测得到杯口信息图像(见图6)；

S22、通过第一次霍夫变换搜索杯口信息图像，粗定位杯口中的可加水区域；

S23、通过第二次霍夫变换在第一次搜索的范围中继续搜索，精确确定杯口中的可加水区域；

S23、对精确确定的可加水区域原图进行直方图均衡化以增加区域内水位与杯壁的灰度差；

S24、通过Sobel边缘检测得到可加水区域图像(见图7)。

由于杯口形状会因摄像头放置角度的原因发生形变，所以在步骤S2中对于寻找杯口中的可加水区域采用了通过两次霍夫(Hough)变换寻找的方法：定位流程如图2所示，结果如图3所示。

利用两次霍夫变换在图像上寻找加水区域：第一次霍夫变换搜索用于粗定位杯口中的可加水区域，第二次霍夫变换在第一次搜索的范围中继续搜索，用于确定杯口中的可加水区域。其中本方法所用霍夫变换的原理如下：

圆的一般方程可写成：

(x-a)²+(y-b)²＝r² (1)

其中a，b为圆心，r为半径。现将在直角坐标系中的公式转换到极坐标系中：

其中θ∈[0,2π)，由于一个圆可由一组参数a,b,r表示。所以将公式2写为：

其中θ∈[0,2π)，由公式3可知，在固定半径r的情况下，二维平面(x,y)中的每个点映射到参数平面(a,b)为一个圆。进一步由此可以推知，在不固定半径r的情况下，二维平面(x,y)中的每个点映射到参数平面(a,b，r)为一个圆锥。如图4所示。

用如上所述方式，将二维平面(x,y)中的所有点都投影到参数平面(a,b,r)中，其中r∈[r₀,r₁]，r的范围由人为预设。图像空间中每一个有效像素点都要通过一定的映射关系,对参量空间中的每一个点进行累加。最后，累加值高的点对应的3个参数a,b,r即确定一个可加水区域圆。

通过获取到的信息可将待加水的取水杯分为透明杯和非透明杯，为了更好的在图像中获得杯口及可加水区域内液位信息，步骤S21中，通过摄像头拍摄包含杯口形状的图片信息之前，还包括步骤：当检测加水杯是否为透明杯时，开启相应灯光辅助检测以增强图像信息，即采用杯底打光的背光方式打光，反之，则采用顶部打光的方式打光。同理，所述的步骤S4和S5中，通过摄像头拍摄加水区域内液位值之前，若取水杯为透明杯则采用在放置摄像头的相对端打光以使液位信息更明显，若取水杯为非透明杯则采用取水杯顶部打光的方式打光。

具体而言，所述的步骤S2还包括步骤：

S25、将可加水区域沿高度方向n等分为0至n-1层，设定预期加水液位高度为k，k∈[0,n-1]。

具体而言，所述步骤S4中，动态检查加水区域内液位值时，缓存前两次动态检测的液位值，当连续3次动态检测输出同一液位x时，则认为动态检查的液位到达了x，若x大于设定值，则停止加水并执行步骤S5,若x小于设定值时，则继续加水并进入动态检测过程。

基于实际实验，发现在动态加水和静态不加水相对稳定时水面有两种不同的模式，所以参照实际提出了一种动态检测与静态检测结合的液位检测方法。

动态检测与静态检测的特点：由于加水过程中水流会在杯中的水面上溅起水花，使其特征明显但不够稳定，动态检测过程的为直接输出检测到的最高液位；由于动态检测不够稳定的特点，需要在动态检测超出设定液位后，接着执行静态检测以确认动态检测的结果是否正确。当水面相对稳定时，测量结果较动态检测更为准确。静态检测过程的为：缓存前两次动态检测的液位值，当连续3次动态检测输出同一液位x时，此时静态检测认为液位到达了x。如果x大于设定值，则停止加水并继续静态检测。如果x小于设定值时，则开始加水并进入动态检测过程。虽然静态检测方法得出的液位较动态检测更准确，但并不是完全准确的，所以人为规定了一个最长加水超时时间，当检测时间超过设定时间时，加水和检测过程结束，认为完成了此杯的加水过程。

如图8-10所示，检测过程如下：在确定了杯口中的可加水区域后，将可加水区域n等分为0至n-1层。设定预期加水液位高度为k，k∈[0,n-1]。首先循环进行动态检测，期间一直加水直到当前液位高度高于设定液位；然后停止加水并进行静态检测确定当前液位，期间一直停止加水直到当前静态检测液位小于设定液位时开始加水并继续循环进行动态检测或者最后当检测时间超出加水最大超时时间时，停水并退出循环，这个杯子的加水过程结束。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于图像处理的饮水机取水杯液位检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、检测是否有取水杯需要加水；

S2、检测需要加水杯杯口中的最大内接圆，即为加水区域；

S3、向加水区域内加水；

S4、加水过程中采用图像识别动态检查加水区域内液位值，若达到指定液位高度则停止加水，反之，则返回步骤S3；

S5、当水面相对稳定时,采用图像识别静态检查加水区域内液位值，若达到指定液位高度则停止检测过程，反之，则返回步骤S3。

2.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的饮水机取水杯液位检测的方法，其特征在于，包括步骤:

S6、当加水时间累积超过预设最长加水时间时，加水和检测过程结束。

3.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的饮水机取水杯液位检测的方法，其特征在于，所述的步骤S1中，检测是否有取水杯需要加水具体包括：

在出水口正下方放置传感器，当有取水杯待加水时输出高电平，没有取水杯待加水时输出低电平，作为否有取水杯需要加水的检查结果。

4.根据权利要求3所述的一种基于图像处理的饮水机取水杯液位检测的方法，其特征在于，所述的传感器包括红外传感器、激光传感器或压敏传感器。

5.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的饮水机取水杯液位检测的方法，其特征在于，所述步骤S1还包括步骤：

利用红外传感器检测取水杯是否为透明杯。

6.根据权利要求5所述的一种基于图像处理的饮水机取水杯液位检测的方法，其特征在于，所述的步骤S2具体包括：

S21、通过摄像头拍摄包含杯口形状的图片信息，并通过Sobel边缘检测得到杯口信息图像；

S22、通过第一次霍夫变换搜索杯口信息图像，粗定位杯口中的可加水区域；

S23、通过第二次霍夫变换在第一次搜索的范围中继续搜索，精确确定杯口中的可加水区域；

S23、对精确确定的可加水区域原图进行直方图均衡化以增加区域内水位与杯壁的灰度差；

S24、通过Sobel边缘检测得到可加水区域图像。

7.根据权利要求6所述的一种基于图像处理的饮水机取水杯液位检测的方法，其特征在于，步骤S21中，通过摄像头拍摄包含杯口形状的图片信息之前，还包括步骤：当检测加水杯是否为透明杯时，开启相应灯光辅助检测以增强图像信息，即采用杯底打光的背光方式打光，反之，则采用顶部打光的方式打光。

8.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的饮水机取水杯液位检测的方法，其特征在于，所述的步骤S2还包括步骤：

S25、将可加水区域沿高度方向n等分为0至n-1层，设定预期加水液位高度为k，k∈[0,n-1]。

9.根据权利要求5所述的一种基于图像处理的饮水机取水杯液位检测的方法，其特征在于，所述的步骤S4和S5中，通过摄像头拍摄加水区域内液位值之前，若取水杯为透明杯则采用在放置摄像头的相对端打光以使液位信息更明显，若取水杯为非透明杯则采用取水杯顶部打光的方式打光。

10.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的饮水机取水杯液位检测的方法，其特征在于，所述步骤S4中，动态检查加水区域内液位值时，缓存前两次动态检测的液位值，当连续3次动态检测输出同一液位x时，则认为动态检查的液位到达了x，若x大于设定值，则停止加水并执行步骤S5,若x小于设定值时，则继续加水并进入动态检测过程。