CN109751980A - 基于单目视觉激光三角法的波浪高度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单目视觉激光三角法的波浪高度测量方法，采集无波浪时含激光光线的水面照片，并对该图像进行预处理，得到激光光线的边缘和轮廓，提取激光光线的直线特征，并定位激光光线与水面交点的像点坐标，以无波浪时作为参考平面，水面有波浪时，根据直射式激光三角法原理，得到像点坐标对应的波浪高度，多次重复测量得到多组像点坐标与波浪高度的数据。利用最小二乘曲线拟合法得到像点坐标与波浪高度的关系曲线。测量时，通过图像处理得出激光光线与水面交点的像点坐标，然后通过标定的像点坐标与波浪高度的关系曲线，直接得出此时的波浪高度。本发明属于非接触式测量，测量速度快，不易受水温等环境因素影响，测量精度高，效率高。

Description

基于单目视觉激光三角法的波浪高度测量方法

技术领域

本发明属于计量检测技术领域，具体为基于单目视觉激光三角法的波浪高度 测量方法。

背景技术

船舶以及海岸建筑等会时时刻刻受到海洋中波浪的冲击力，而波浪是水体运 动最普遍的自然现象，此外，波浪也是使海洋中泥沙随海水流动的原因之一。在 自然环境下，海浪变化莫测，因此现场试验要耗费大量的人力、物力，导致研究 成本过高。目前比较常用的研究方法是在实验室里模拟自然环境下的波浪，并且 获得实验数据。波高是研究波浪问题的一个相当重要的参数。传统的波高测量方 法以接触式测量为主，包括测波杆(电容或电阻测波仪)，具有结构简单、使用 方便等优点，但是准确度较低，受水温影响较大。

发明内容

本发明提出了一种基于单目视觉激光三角法的波浪高度测量方法，解决现有 的接触式波高检测仪易受水温等环境因素影响的问题，且具有更高的测量精度与 测量效率。

实现本发明目的的技术方案为：基于单目视觉激光三角法的波浪高度测量方 法，具体步骤为：

步骤1、使激光光源垂直照射水面，拍摄无波浪时含激光光线的水面照片；

步骤2、对水面照片进行图像预处理获得激光光线的边缘和轮廓，利用霍夫 变换直线检测法提取图像中激光光线的直线特征并求解激光光线与水面交点的 像点坐标，此时的波浪高度为0，将结果存入标定数据库；

步骤3、拍摄起波浪时含激光光线的水面照片，并对起波浪时的水面照片进 行步骤2得到激光光线与水面交点的像点坐标，根据直射式激光三角法获得波浪 高度，并将结果存入标定数据库；

步骤4、重复步骤3多次，将不同像点坐标及其对应的波浪高度值存入标定 数据库，通过最小二乘曲线拟合法，绘制出像点坐标与波浪高度关系的曲线图， 完成标定过程；

步骤5、开始测量，拍摄起波浪时含激光光线的水面照片，重复步骤2得出 相应的激光光线与水面交点的像点坐标，与标定的像点坐标与波浪高度关系曲线 比对，直接获取此时的波浪高度。

优选地，步骤2对水面照片进行图像预处理获得激光光线的边缘和轮廓的具 体方法为：

步骤2.1、对图像进行灰度变换和二值化；

步骤2.2、对激光光线的图像采取自适应中值滤波；

步骤2.3、采用最大类间方差法获得激光光线的边缘和轮廓。

优选地，步骤3根据直射式激光三角法获得波浪高度的具体公式为：

当有波浪时激光照射到水面上的E点位于无波浪时的C点之上时：

当有波浪时激光照射到水面上的E点位于无波浪时的C点之下时：

式中，CE为波浪高度，BC为基准面上点C的物距，BD为基准面上点C的像 距，α为CCD摄像机接收面与成像透镜光轴之间的夹角，CCD摄像机接收面上的 波浪高度，β为成像透镜与入射光束之间的夹角。

优选地，步骤4通过最小二乘曲线拟合法，绘制出像点坐标与波浪高度关系 的曲线图的具体步骤为：

利用最小二乘曲线拟合方法，求近似曲线y＝φ(x)使得近似曲线与y＝f(x) 的偏差平方和最小，即：

设拟合曲线为：

y＝a₀+a₁x+…+a_kx^k

各点到拟合曲线的距离之和，即偏差平方和如下：

对上式求偏导可得：

化简：

……

表示为矩阵形式为：

求解方程组，可得系数a₀,a₁,…,a_k，从而得到最小二乘拟合曲线。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明不易受温度等因素影响，适 应的测量环境更广，波高的测量结果也更加精确，测量速度快，满足波高实时测 量的要求。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明基于单目视觉激光三角法测量波浪高度方法的波高图像采集 原理图。

图2是本发明基于单目视觉激光三角法测量波浪高度方法的像点坐标与波 浪高度关系示意图。

具体实施方式

基于单目视觉激光三角法的波浪高度测量方法，具体步骤为：

步骤1、使激光光源垂直照射水面，拍摄无波浪时含激光光线的水面照片；

步骤2、对水面照片进行图像预处理获得激光光线的边缘和轮廓，利用霍夫 变换直线检测法提取图像中激光光线的直线特征并求解激光光线与水面交点的 像点坐标，此时的波浪高度为0，将结果存入标定数据库；

步骤3、拍摄起波浪时含激光光线的水面照片，并对起波浪时的水面照片进 行步骤2得到激光光线与水面交点的像点坐标，根据直射式激光三角法获得波浪 高度，并将结果存入标定数据库；

步骤4、重复步骤3多次，将不同像点坐标及其对应的波浪高度值存入标定 数据库，通过最小二乘曲线拟合法，绘制出像点坐标与波浪高度关系的曲线图， 完成标定过程；

步骤5、开始测量，拍摄起波浪时含激光光线的水面照片，重复步骤2得出 相应的激光光线与水面交点的像点坐标，与标定的像点坐标与波浪高度关系曲线 比对，直接获取此时的波浪高度。

进一步的实施例中，步骤2对水面照片进行图像预处理获得激光光线的边缘 和轮廓的具体方法为：

步骤2.1、对图像进行灰度变换和二值化；

步骤2.2、对激光光线的图像采取自适应中值滤波；

步骤2.3、采用最大类间方差法获得激光光线的边缘和轮廓。

进一步的实施例中，步骤3根据直射式激光三角法获得波浪高度的具体公式 为：

当有波浪时激光照射到水面上的E点位于无波浪时的C点之上时：

当有波浪时激光照射到水面上的E点位于无波浪时的C点之下时：

式中，CE为波浪高度，BC为基准面上点C的物距，BD为基准面上点C的像 距，α为CCD摄像机接收面与成像透镜光轴之间的夹角，CCD摄像机接收面上的 波浪高度，β为成像透镜与入射光束之间的夹角。

进一步的实施例中，步骤4通过最小二乘曲线拟合法，绘制出像点坐标与波 浪高度关系的曲线图的具体步骤为：

利用最小二乘曲线拟合方法，求近似曲线y＝φ(x)使得近似曲线与y＝f(x) 的偏差平方和最小，即：

设拟合曲线为：

y＝a₀+a₁x+…+a_kx^k

各点到拟合曲线的距离之和，即偏差平方和如下：

对上式求偏导可得：

化简：

……

表示为矩阵形式为：

求解方程组，可得系数a₀,a₁,…,a_k，从而得到最小二乘拟合曲线

在某些实施例中，图像的采集处理由激光器、CCD摄像机和ARM处理器完成， 激光器发射激光垂直照射到待测水面上，CCD摄像机采集含激光光线的水面照片。 对CCD接收面上的激光光线进行图像预处理，首先对图像进行灰度变换和二值化， 增强激光光线和背景的对比度，然后对激光光线的图像采取自适应中值滤波，采 用最大类间方差法可以得到比较理想的激光光线的边缘和轮廓，最后利用霍夫变 换直线检测法提取图像中激光光线的直线特征，并定位激光光线与水面交点的像 点坐标。以平静时的水面作为参考平面，水面有波浪时，相应激光光线与水面交 点的像点坐标也随之变化，根据直射式激光三角法原理，这个像点坐标的差值即 对应波浪高度，多次重复测量得到多组像点坐标与波浪高度的数据。此外，当空 气与水面的激光交点以等距离进行移动时，由于镜头畸变和几何像差等使像点在 图像上并不是以等距离相应的进行移动，根据最小二乘曲线拟合法，利用之前得到的多组像点坐标与波浪高度的数据进行多项式曲线拟合，得到像点差值与波浪 高度的关系曲线，完成标定过程。测量时，仅需要通过图像处理得出激光光线与 水面交点的像点坐标，然后通过标定的像点坐标与波浪高度的关系曲线，直接得 出此时的波浪高度。本发明属于非接触式测量，测量速度快，不易受水温等环境 因素影响，测量精度高，效率高。

实施例

本实施例中用到的硬件设备包括激光器(光源)、CCD摄像头(图像采集)、 ARM开发板(图像处理)。如图1所示，激光器发射激光照射在水面上，摄像头 连接ARM开发板，将采集到的图像传输到ARM板，由ARM板对图像进行灰度化、 二值化、霍夫变化直线检测等一系列的处理，得到激光光线与水面的交点所对应 的像素位置，并根据标定的像点坐标与波浪高度关系曲线，快速得出此时的波高 值，具体步骤为：

进行波高测量时，需要先进行像点坐标与波浪高度关系曲线的标定。激光光 源与CCD摄像机相对位置固定，激光光源垂直照射水面，利用摄像机拍摄无波浪 时含激光光线的水面照片，在ARM板中对水面照片进行图像处理。通过灰度变换 将水面图像变为灰度图，然后选取合适的阈值，将灰度图二值化为黑白图，加强 激光光线与背景的对比度，同时，采用自适应中值滤波和最大类间方差法对激光 光线的边缘轮廓进行优化，最后利用霍夫变换提取图像中直线特征，计算直线端 点的像点坐标，即激光光线与水面交点所对应的像点坐标，此像点坐标对应的波 浪高度为0。

以无波浪时的水面作为基准面，重复多次采集并处理有波浪时含激光光线的 水面照片，根据直射式激光三角法原理，得到不同像点坐标对应的波高数据。

激光器发出的光照射到基准面上的C点，反射/漫反射光经过透镜成像于CCD 摄像机接收面上的D点。当有波浪时，激光器照射到水面的E点，此时存在一个 波高为CE，而CCD摄像机接收面上的D点移动到F点，存在一个像移DF，波高 CE与像移DF之间的关系可以根据系统参数及几何关系得到。图中无波浪时的水 面为基准面，β为成像透镜与入射光束之间的夹角，θ为无波浪时水面上C点 的散射/漫反射光束与有波浪时水面上E点的散射/漫反射光束之间的夹角，α为 CCD摄像机接收面与成像透镜光轴之间的夹角，BC为基准面上点C的物距，BD 为基准面上点C的像距。

当有波浪时激光照射到水面上的E点位于无波浪时的C点之上时，即水面更 靠近激光光源，根据正弦定理有：

利用公式(1)和公式(2)进行变形处理得：

联立公式(3)和(4)可以得到：

同理可得，E点位于C点之下时，即水面远离激光光源的情况：

当CCD摄像机接收面与成像透镜光轴垂直时，即角α等于90°，此时公式 (1-5)、(1-6)可简化为：

设激光光线与水面交点对应的像点坐标为x_i，波浪高度为y_i，根据上述垂直 入射时激光三角法原理，可得到多组像点坐标与波浪高度的数据(x_i,y_i)。利用最 小二乘曲线拟合方法，求近似曲线y＝φ(x)使得近似曲线与y＝f(x)的偏差平方 和最小，即：

设拟合曲线为：

y＝a₀+a₁x+…+a_kx^k (10)

各点到这条曲线的距离之和，即偏差平方和如下：

对式(11)求偏导可得：

化简：

……

表示为矩阵形式为：

求解方程组，可得系数a₀,a₁,…,a_k，从而得到最小二乘拟合曲线，标定过程 结束，本实施例中得到的像点坐标与波浪高度关系如图2所示。

开始测量有波浪的水面时，在ARM板中对CCD摄像机采集的含激光光线的水 面照片进行图像处理。通过灰度变换将水面图像变为灰度图，然后选取合适的阈 值，将灰度图二值化为黑白图，加强激光光线与背景的对比度，同时，采用自适 应中值滤波和最大类间方差法对激光光线的边缘轮廓进行优化，最后利用霍夫变 换提取图像中直线特征，计算直线端点的像点坐标，即激光光线与水面交点所对 应的像点坐标。然后，根据标定的像点坐标与波浪高度关系曲线，直接得出此时 像点坐标所对应的波浪高度，完成测量。

Claims (4)

1.基于单目视觉激光三角法的波浪高度测量方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤1、使激光光源垂直照射水面，拍摄无波浪时含激光光线的水面照片；

步骤2、对水面照片进行图像预处理获得激光光线的边缘和轮廓，利用霍夫变换直线检测法提取图像中激光光线的直线特征并求解激光光线与水面交点的像点坐标，此时的波浪高度为0，将结果存入标定数据库；

步骤3、拍摄起波浪时含激光光线的水面照片，并对起波浪时的水面照片进行步骤2得到激光光线与水面交点的像点坐标，根据直射式激光三角法获得波浪高度，并将结果存入标定数据库；

步骤4、重复步骤3多次，将不同像点坐标及其对应的波浪高度值存入标定数据库，通过最小二乘曲线拟合法，绘制出像点坐标与波浪高度关系的曲线图，完成标定过程；

步骤5、开始测量，拍摄起波浪时含激光光线的水面照片，重复步骤2得出相应的激光光线与水面交点的像点坐标，与标定的像点坐标与波浪高度关系曲线比对，直接获取此时的波浪高度。

2.根据权利要求1所述的基于单目视觉激光三角法的波浪高度测量方法，其特征在于，步骤2对水面照片进行图像预处理获得激光光线的边缘和轮廓的具体方法为：

步骤2.1、对图像进行灰度变换和二值化；

步骤2.2、对激光光线的图像采取自适应中值滤波；

步骤2.3、采用最大类间方差法获得激光光线的边缘和轮廓。

3.根据权利要求1所述的基于单目视觉激光三角法的波浪高度测量方法，其特征在于，步骤3根据直射式激光三角法获得波浪高度的具体公式为：

当有波浪时激光照射到水面上的E点位于无波浪时的C点之上时：

当有波浪时激光照射到水面上的E点位于无波浪时的C点之下时：

式中，CE为波浪高度，BC为基准面上点C的物距，BD为基准面上点C的像距，α为CCD摄像机接收面与成像透镜光轴之间的夹角，CCD摄像机接收面上的波浪高度，β为成像透镜与入射光束之间的夹角。

4.根据权利要求1所述的基于单目视觉激光三角法的波浪高度测量方法，其特征在于，步骤4通过最小二乘曲线拟合法，绘制出像点坐标与波浪高度关系的曲线图的具体步骤为：

利用最小二乘曲线拟合方法，求近似曲线y＝φ(x)使得近似曲线与y＝f(x)的偏差平方和最小，即：

设拟合曲线为：

y＝α₀+α₁x+…+a_kx^k

各点到拟合曲线的距离之和，即偏差平方和如下：

对上式求偏导可得：

化简：

……

表示为矩阵形式为：

求解方程组，可得系数a₀,a₁,…,a_k，从而得到最小二乘拟合曲线。