CN110136114B - 一种波面高度测量方法、终端设备及存储介质 - Google Patents

一种波面高度测量方法、终端设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种波面高度测量方法、终端设备及存储介质，该方法中包括：S1：通过双目摄像头采集波面图像；S2：将第一图像划分为网格；S3：计算第二图像中与第一图像的网格配对的网格；S4：计算每对配对网格中的所有亮点对的像素坐标；S5：根据每对亮点对的像素坐标，计算该对亮点在镜头架坐标系(x’,y’,z’)下的空间坐标；S6：将亮点对坐标转变为测量坐标系(x,y,z)下的坐标；S7：采用插值算法计算波面的垂向坐标ζ(x,y)即为波面高度。本发明采用两个镜头采集三维波面的图像，可以同时测量出波面上多个点的三维坐标信息，从而得到波面上各点的高度。

Description

一种波面高度测量方法、终端设备及存储介质
技术领域
本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种波面高度测量方法、终端设备及存储介质。
背景技术
在海洋工程、海岸工程、船舶工程等领域的实验研究和现场观测中，都会用到浪高仪(波浪仪)来测量波浪的高度。目前，常用的浪高仪有：光学测波仪、加速度测量、水压式测波仪、声学式测波仪、电阻式浪高仪等。但这些浪高仪都是基于单点测量技术的。无法同时给出多点处的波高信息。在研究波浪与结构物的相互作用时，往往需要同时获取多个位置处的波面高度信息。目前的浪高仪很难做到这一点。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种波面高度测量方法、终端设备及存储介质，采用两个镜头采集三维波面的图像，可以同时测量出波面上多个点的三维坐标信息，从而得到波面上各点的高度。
具体方案如下：
一种波面高度测量方法，包括以下步骤：
S1：采用双目摄像头采集波面图像；
S2：将第一图像划分为网格，并记录其网格中心坐标为(x1(i),y1(i))，i为网格的编号；
S3：计算第二图像中与第一图像的网格配对的网格，并记录对应的网格中心坐标(x2(i),y2(i))；
S4：计算每对配对网格中的所有亮点对的像素坐标；
S5：根据每对亮点对的像素坐标，计算该对亮点在镜头架坐标系(x’,y’,z’)下的空间坐标；
S6：将亮点对坐标从镜头架坐标系(x’,y’,z’)转变为测量坐标系(x,y,z)下的坐标；
S7：根据所有亮点在测量坐标系下的坐标，采用插值算法计算波面的水平坐标点(x,y)的垂向坐标ζ(x,y)即为波面高度。
进一步的，步骤S3的计算过程为：
设定相关系数R(Δx,Δy)的计算公式为：
Figure GDA0002765540270000021
其中，Δx,Δy分别为第一图像与第二图像中像素坐标在x轴和y轴上的偏移量，D为网格尺寸，g1和g2分别为第一图像与第二图像的灰度值；
计算相关系数R(Δx,Δy)最大时所对应的坐标偏移量Δx和Δy，根据计算的坐标偏移量Δx和Δy计算第二图像中与第一图像的网格配对的网格所对应的中心坐标：
(x2(i)＝x1(i)+Δx，y2(i)＝y1(i)+Δy)。
进一步的，步骤S4中，所述亮点对为灰度值高于网格区域内的平均灰度值的像素点。
进一步的，步骤S4的具体计算过程如下：
设定相关系数R(j,k)的计算公式为：
Figure GDA0002765540270000031
其中，j表示第一图像内的亮点，k表示第二图像内的亮点，m为第一图像中的亮点个数，n为第二图像中的亮点个数；
计算相关系数R(j,k)最大时所对应的亮点对的像素坐标。
进一步的，步骤S5具体过程如下：
根据亮点i在第一图像和第二图像中的像素坐标(x1(i)，y1(i))，(x2(i)，y2(i))，计算该亮点i在镜头架坐标系下的空间坐标(x’(i),y’(i),z’(i))：
Figure GDA0002765540270000032
Figure GDA0002765540270000033
Figure GDA0002765540270000034
其中，f为镜头焦距，μ为芯片中一个像素点的尺寸。
进一步的，步骤S6的具体过程为：
设定转变公式为：
Figure GDA0002765540270000041
其中，(x0,y0,z0)为镜头架坐标系中原点的测量坐标，
Figure GDA0002765540270000042
为坐标变换矩阵。
进一步的，步骤S7中具体计算过程为：
设定波面的水平坐标点为(x,y)，在所有亮点中找出四个与该水平坐标点(x,y)距离最近的亮点，坐标分别记为：(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，(x3,y3,z3)，(x4,y4,z4)；
采用水平距离加权算法计算水平坐标点(x,y)所对应波面垂向坐标ζ(x,y)：
Figure GDA0002765540270000043
其中，
Figure GDA0002765540270000044
Figure GDA0002765540270000045
一种波面高度测量终端设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明实施例上述的方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明实施例上述的方法的步骤。
本发明采用如上技术方案，采用两个镜头采集三维波面的图像，根据同一时刻下，不同镜头所获得的两幅图像可计算出三维波面上各点的坐标，可在不干扰波浪场的情况下，同时测量出波面上多个点的三维坐标信息，从而得到波面上各点的高度。本发明可以同时测量波面上多个点的高度信息并且对波浪场不会造成任何干扰。
附图说明
图1所示为本发明实施例一的波面测量示意图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
实施例一：
本发明实施例一提供了一种基于双目摄像头的波面高度测量方法，基于下述的坐标系：
(1)、以水平面为x-y平面，z轴垂直于水平面构建测量坐标系(x,y,z)，其中，坐标系的原点取在静水面上。则波面的垂向坐标函数可表示为z＝ζ(x,y)。本实施例的目的就是计算波面的垂向坐标函数。
(2)、定义第一CCD(CCD1)图像的像素坐标系为(x1,y1)，第二CCD(CCD2)图像的像素坐标系为(x2,y2)，两个坐标系的坐标系原点均为镜头光轴在CCD芯片上的投影。
(3)、定义镜头架坐标系(x’，y’，z’)为固定在第一CCD镜头(左侧)上的空间坐标系，坐标系的原点设置于第一CCD镜头的光心上，且x’轴和x1轴(第一CCD的像素坐标)方向一致，z’轴和y1轴(第二CCD的像素坐标)方向一致，y’轴的正方向为镜头的视野方向；(x’，y’，z’)坐标系为右手系。
该实施例中方法包括以下步骤：
步骤1，通过双目CCD摄像头采集波面图像，分别记为第一CCD图像和第二CCD图像。
该实施例中，为获得三维波面的运动图像，可在测量区域的水面上放置一些泡沫塑料制成的小球。在自然光条件下，这些白色小球(亮点)与周围水面构成灰度图像。
采用相隔距离为l(第二CCD光心的镜头架坐标为(l，0，0))，且光轴平行的两个CCD摄像头(如图1所示)进行同步采集，获得同一时刻下的两幅灰度图像，将这两幅灰度图像作为一个图像对。连续采集多个时刻的图像，以得到多个图像对。第一CCD和第二CCD摄像头采集的图像分别为第一CCD图像g1k(i,j)和第二CCD图像g2k(i,j)，分别表示第一CCD和第二CCD摄像头在k时刻获得的灰度图像在图像坐标(i，j)处的灰度值。
步骤2，在第一CCD图像上划分网格。
将第一CCD图像划分成若干个小的正方形网格(尺寸大小由用户根据实际波况输入)，对网格进行编号(i为网格的编号)，并记录网格中心的像素坐标(x1(i)，y1(i))及网格尺寸D。
步骤3，计算第二CCD图像中与第一CCD图像的网格配对的网格，并记录其网格中心坐标(x2(i)，y2(i))。
该实施例中的具体过程为：
设定第一CCD图像下编号为n的网格中心像素坐标可表示为(x1(i),y1(i))，定义相关系数R(Δx,Δy)：
Figure GDA0002765540270000071
其中，g1和g2为第一CCD和第二CCD在图像坐标的灰度值，Δx,Δy为第一CCD和第二CCD中对应图像的像素坐标偏移量，D为网格尺寸(以像素为单位)，k、j均为变量参数。
该实施例中，为了方便计算，在安装CCD镜头时，保证第一CCD和第二CCD只有x方向的偏移，则Δy＝0。
根据最大相关系数R(Δx)对应的Δx，可计算出与第二CCD图像中与第一CCD图像下网格i的配对网格中心像素坐标(x1(i)+Δx,y1(i))。
步骤4，计算第一CCD图像和第二CCD图像中的每对配对网格中的所有亮点对的像素坐标。
该实施例中，所述亮点对为灰度值高于网格区域内的平均灰度值的像素点，即：
设第一CCD和第二CCD图像中编号为i的网格区域分别为
Figure GDA0002765540270000072
和
Figure GDA0002765540270000073
Figure GDA0002765540270000074
中像素点的坐标范围为：x1(i)-D/2<x1<x1(i)+D/2，y1(i)-D/2<y1<y1(i)+D/2；
Figure GDA0002765540270000075
中像素点的坐标范围为：x1(i)+Δx-D/2<x2<x1(i)+Δx+D/2，y1(i)-D/2<y2<y1(i)+D/2。计算出网格区域
Figure GDA0002765540270000076
和
Figure GDA0002765540270000077
内像素的平均灰度值
Figure GDA0002765540270000078
和
Figure GDA0002765540270000079
并找出
Figure GDA00027655402700000710
和
Figure GDA00027655402700000711
内大于平均灰度值
Figure GDA00027655402700000712
和
Figure GDA00027655402700000713
的像素点。这些像素点构成的连通域数目就是网格内亮点数目。设
Figure GDA00027655402700000714
和
Figure GDA00027655402700000715
内亮点的数目分别为M，N。采用连通域识别算法，获得各连通域内所包含的像素点，计算连通域的中心可得到
Figure GDA00027655402700000716
内亮点的像素坐标(x1j,y1j)(j＝1,2，...M)，
Figure GDA00027655402700000717
内亮点的像素坐标(x2k,y2k)(k＝1,2，...N)。
计算相关系数R(j,k)：
Figure GDA0002765540270000081
对于
Figure GDA0002765540270000082
中的亮点j在
Figure GDA0002765540270000083
中的配对亮点k，可通过寻找最大相关系数R(j，k)得到。即(x1j,y1j)和(x2j,y2j)为同一亮点在两个CCD图像中的像素坐标。若给亮点编号为i，则记x1(i)＝x1j,y1(i)＝y1j，x2(i)＝x2k,y2(i)＝y2k。
步骤5，根据每对亮点对的像素坐标，计算该对亮点在镜头架坐标系(x’,y’,z’)下的空间坐标。
根据亮点i在两个CCD图像中的像素坐标(x1(i)，y1(i))，(x2(i)，y2(i))计算出亮点在镜头架坐标系下的空间坐标(x’(i),y’(i),z’(i))。
亮点的空间坐标与亮点在第一CCD图像上像素坐标(x1(i)，y1(i))的关系为
Figure GDA0002765540270000084
Figure GDA0002765540270000085
其中，f为镜头焦距，μ为CCD芯片中一个像素点的尺寸，该实施例中，CCD芯片上的一个像素点对应一个传感器。在(3)、(4)式中y’(i)的值是未知的，需补充方程求解。亮点的空间坐标与亮点在第二CCD图像上像素坐标(x2(i)，y2(i))的关系为
Figure GDA0002765540270000086
Figure GDA0002765540270000087
(3)-(5)得
Figure GDA0002765540270000091
当y’(i)求出后，由(3)，(4)可解出x’(i),z’(i)的值。
步骤6，将亮点对坐标从镜头架坐标系(x’,y’,z’)转变为测量坐标系(x,y,z)下的坐标。
设某一空间点在镜头架坐标系下的坐标为(x’(i),y’(i),z’(i))，则其在测量坐标系下的坐标(x(i),y(i),z(i))可由如下公式计算得到
Figure GDA0002765540270000092
其中，(x0,y0,z0)为镜头架坐标系原点的测量坐标，
Figure GDA0002765540270000093
为坐标变换矩阵。
为了获得(x0,y0,z0)及A的值，可布置四个亮点，其测量坐标是已知的。标记为(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)，(x3，y3，z3)，(x4，y4，z4)。由步骤5中的测量方法可计算出这四个亮点在镜头架坐标系下的坐标(x'1,y'1,z'1)，(x'2,y'2,z'2)，(x'3,y'3,z'3)，(x'4,y'4,z'4)。将四个亮点的测量坐标和镜头架坐标代入方程(8)得
Figure GDA0002765540270000094
Figure GDA0002765540270000095
Figure GDA0002765540270000096
Figure GDA0002765540270000101
方程(9)、(10)、(11)、(12)构成一线性方程组。线性方程组中的未知量是(x0,y0,z0)及矩阵A，共12个。方程数也有12个。线性方程组的求解算法已非常成熟。采用现有的算法(例如，高斯消去法)可计算出x0,y0,z0及A。
当镜头架坐标系原点的测量坐标(x0,y0,z0)及坐标变换矩阵A给定后，由公式(8)计算出各亮点的测量坐标(x(i),y(i),z(i))。
步骤7，根据所有亮点的测量坐标(x(i),y(i),z(i))，采用插值算法得到波面的垂向坐标函数z＝ζ(x,y)。
针对波面的每个水平坐标点(x,y)，在所有亮点中找出四个距该点水平距离最近的亮点。这四个亮点的坐标设定为(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，(x3,y3,z3)，(x4,y4,z4)。则采用水平距离加权的方法计算出水平坐标点(x,y)处所对应波面垂向坐标ζ(x,y)：
Figure GDA0002765540270000102
其中，
Figure GDA0002765540270000103
Figure GDA0002765540270000104
注意，当d1，d2，d3，d4有零值出现时，说明点(x,y)与该点重合，则只需将该点的垂向坐标赋给ζ(x,y)即可。
本发明实施例一将图像处理技术应用在波面高度的测量上，可对多个空间点的波面高度同步测量。采用两个CCD镜头采集三维波面的图像，根据同一时刻下，不同CCD镜头所获得的两幅图像可计算出三维波面上各点的坐标，可在不干扰波浪场的情况下，同时测量出波面上多个点的三维坐标信息，从而得到波面上各点的高度。本发明实施例一可以同时测量波面上多个点的高度信息并且对波浪场不会造成任何干扰。
本发明实施例一采用双目CCD镜头采集图像计算亮点坐标，并根据亮点坐标插值计算三维波面高度函数z＝ζ(x,y)的方法与现有浪高仪的测量方法是不同的。
实施例二：
本发明还提供一种波面高度测量终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明实施例一的上述方法实施例中的步骤。
进一步地，作为一个可执行方案，所述波面高度测量终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述波面高度测量终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，上述波面高度测量终端设备的组成结构仅仅是波面高度测量终端设备的示例，并不构成对波面高度测量终端设备的限定，可以包括比上述更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述波面高度测量终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等，本发明实施例对此不做限定。
进一步地，作为一个可执行方案，所称处理器可以是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述波面高度测量终端设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个波面高度测量终端设备的各个部分。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述波面高度测量终端设备的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明实施例上述方法的步骤。
所述波面高度测量终端设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)以及软件分发介质等。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种波面高度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过双目摄像头采集波面图像；
S2：将第一图像划分为网格，并记录其网格中心坐标为(x1(i),y1(i))，i为网格的编号；
S3：计算第二图像中与第一图像的网格配对的网格，并记录对应的网格中心坐标(x2(i),y2(i))；
S4：计算每对配对网格中的所有亮点对的像素坐标，亮点对为灰度值高于网格区域内的平均灰度值的像素点；
S5：根据每对亮点对的像素坐标，计算该对亮点在镜头架坐标系(x’,y’,z’)下的空间坐标；
S6：将亮点对坐标从镜头架坐标系(x’,y’,z’)转变为测量坐标系(x,y,z)下的坐标；
S7：根据所有亮点在测量坐标系下的坐标，采用插值算法计算波面的水平坐标点(x,y)的垂向坐标ζ(x,y)即为波面高度。
2.根据权利要求1所述的波面高度测量方法，其特征在于：步骤S3的计算过程为：
设定相关系数R(Δx,Δy)的计算公式为：
Figure FDA0002771225810000011
其中，Δx,Δy分别为第一图像与第二图像中像素坐标在x轴和y轴上的偏移量，D为网格尺寸，g1和g2分别为第一图像与第二图像的灰度值，k、j均为变量参数；
计算相关系数R(Δx,Δy)最大时所对应的坐标偏移量Δx和Δy，根据计算的坐标偏移量Δx和Δy计算第二图像中与第一图像的网格配对的网格所对应的中心坐标：
(x2(i)＝x1(i)+Δx，y2(i)＝y1(i)+Δy)。
3.根据权利要求1所述的波面高度测量方法，其特征在于：步骤S4的具体计算过程如下：
设定相关系数R(j,k)的计算公式为：
Figure FDA0002771225810000021
其中，j表示第一图像内的亮点，k表示第二图像内的亮点，m为第一图像中的亮点个数，n为第二图像中的亮点个数，D为网格尺寸，g1和g2分别为第一图像与第二图像的灰度值；
计算相关系数R(j,k)最大时所对应的亮点对的像素坐标。
4.根据权利要求1所述的波面高度测量方法，其特征在于：步骤S5具体过程如下：
根据亮点i在第一图像和第二图像中的像素坐标(x1(i)，y1(i))，(x2(i)，y2(i))，计算该亮点i在镜头架坐标系下的空间坐标(x’(i),y’(i),z’(i))：
Figure FDA0002771225810000022
Figure FDA0002771225810000023
Figure FDA0002771225810000031
其中，f为镜头焦距，μ为芯片中一个像素点的尺寸，l为两个CCD摄像头的相隔距离。
5.根据权利要求1所述的波面高度测量方法，其特征在于：步骤S6的具体过程为：
设定转变公式为：
Figure FDA0002771225810000032
其中，(x0,y0,z0)为镜头架坐标系中原点的测量坐标，
Figure FDA0002771225810000033
为坐标变换矩阵，(x,y,z)为某一空间点在测量坐标系下的坐标，(x’，y’，z’)为某一空间点在镜头架坐标系下的坐标。
6.根据权利要求1所述的波面高度测量方法，其特征在于：步骤S7中具体计算过程为：
设定波面的水平坐标点为(x,y)，在所有亮点中找出四个与该水平坐标点(x,y)距离最近的亮点，坐标分别记为：(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，(x3,y3,z3)，(x4,y4,z4)；
采用水平距离加权算法计算水平坐标点(x,y)所对应波面垂向坐标ζ(x,y)：
Figure FDA0002771225810000034
其中，
Figure FDA0002771225810000035
Figure FDA0002771225810000041
7.一种波面高度测量终端设备，其特征在于：包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1～6中任一所述方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～6中任一所述方法的步骤。
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