CN110473260A - 一种波浪视频测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种波浪视频测量装置及方法，涉及海洋观测技术领域，包括视频图像采集模块、数据传输模块、数据接收处理模块、波浪参数显示模块、系留于海面的浮体以及标定板，本发明针对现有波浪测量方法进行改进，通过左、右两个工业相机同步采集水面预置浮体运动序列图像，利用图像识别处理方法提取图像坐标系浮体中心，基于双目视觉摄影测量原理计算浮体世界坐标系中三维坐标，进而按照《海洋观测规范》中海浪观测相关要求反演波浪参数。本发明所提供的测量装置及方法，具有操作方便、算法简单可靠、成本低廉且测量精度高的优点，可实现波浪参数的低成本、高精度、大范围、长时间连续测量，在海洋波浪观测领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及海洋观测技术领域，尤其涉及一种波浪视频测量装置及方法。
背景技术
海洋观测技术是海洋资源开发和海洋权益保障的重要技术支撑，对我国的海防建设和海洋资源开发利用具有十分重要的意义。海洋波浪参数测量对海上运输、海洋石油和其他矿产的勘探开发、海洋渔业、海洋工程和海上军事活动等海上活动都是十分重要的。
传统的海洋波浪参数测量方法包括压力式测波法、声学测波仪法、波迹浮标法以及雷达测量法等，上述传统波浪测量方法存在着结构复杂、功能单一、布放困难、测量范围小、测量成本高等缺点。随着计算机硬件技术和摄影测量技术的高速发展，通过视频图像传感器采集海面现场视频图像，利用图像处理分析技术计算海洋波浪参数的摄影测量法逐步走进人们的视线。视频测量方法主要有测量范围广、动态响应快、测量成本低的优点，可借助已有视频监测系统实现海洋波浪参数的连续大范围测量。然而，现有的波浪参数视频测量方法存在着计算复杂、可靠性差的问题，导致实际海况条件下应用困难。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种波浪视频测量装置及方法，以解决现有技术中的波浪测量方法结构复杂、功能单一、布放困难、测量范围小、测量成本高等技术问题；
本发明通过左、右两个工业相机同步采集海面预置浮体运动序列图像，利用图像识别处理方法提取图像坐标系浮体中心，基于双目视觉摄影测量原理计算浮体世界坐标系中三维坐标，进而按照《海洋观测规范》中海浪观测相关要求反演波浪参数，具有操作方便、算法简单可靠、成本低廉且测量精度高的优点，同时可实现波浪参数的低成本、高精度、大范围、长时间连续测量，在海洋波浪观测领域具有广阔的应用前景的特点。
为解决以上技术问题，本发明公开了一种波浪视频测量装置，包括视频图像采集模块、数据传输模块、数据接收处理模块、波浪参数显示模块、系留于海面的浮体以及标定板；
其中，视频图像采集模块用于采集水面预置浮体的运动序列图像；
数据传输模块用于将视频图像采集模块采集到的浮体运动序列图像实时传输至数据接收处理模块；
数据接收处理模块用于将采集到的浮体运动序列图像进行数据处理，计算浮体中心世界坐标系中三维坐标，进而反演波浪参数；
波浪参数显示模块与数据接收处理模块相连，用于实时显示数据接收处理模块计算得到波浪参数；
浮体系留于海面的待观测海域，由视频图像采集模块采集其跟随海面波浪沉浮的运动序列图像；
标定板用于标定视频图像采集模块，确定视频图像采集模块的内部参数信息，进而将确定的参数信息用于建立世界坐标系，构建双目视觉摄影测量模型。
进一步的，为了更好的便于观测，以及实现测量的准确性，浮体采用锚系或系留于海面的球形浮体，标定板采用棋盘格式标定板。球形浮体可锚系或系缆于待观测海域，由数据采集模块采集其跟随海面波浪的沉浮运动序列视频图像。棋盘格式标定板用于标定视频图像采集模块，确定左右相机的内部参数(焦距、图像中心等)和左右相机的相对位置信息(旋转矩阵、平移矩阵)，并根据所确的相对位置信息建立世界坐标系，进而构建双目视觉摄影测量模型。
进一步的，为了实现视频图像采集的准确性、同步性，视频图像采集模块包括两台相同型号千兆网工业相机和一台同步信号发生器，两台千兆网工业相机分别安装于海面上的各类平台或近岸支架上并对准待测量海域，两台千兆网工业相机由同步信号发生器触发同步采集海面浮体随波浪起伏的序列视频图像，并通过数据传输模块实时传输至数据接收处理模块。
进一步的，为了更好的便于数据传输，实现数据传递的实时性，数据传输模块采用千兆网线、光纤或者其他数据传输方式进行数据传输。将视频图像采集模块同步采集到的浮体随波浪运动的视频图像实时传输至数据接收处理模块。
进一步的，为了提高数据处理的准确性、低成本以及长时间连续测量，数据接收处理模块由工作站型计算机构成，通过接收两台工业相机同步采集到的浮体随波浪上下沉浮的视频图像，提取两台工业相机图像坐标系的浮体中心，利用图像处理分析方法提取左右相机图像坐标系浮体中心，采用双目视觉立体匹配技术和摄影测量原理计算浮体世界坐标系中三维坐标，进而反演波高、波周期等波浪参数。
进一步的，为了更加便于图像识别，浮体可选用高分子聚乙烯材料制成的涂有鲜亮颜色的球体，值得注意的是浮体的重量应保证其具备良好的随波性，其大小可以根据测量任务的不同而做适当调整。需要说明的是，本发明中预置的浮体数量可有多个，只要保证浮体在视频数据采集模块左右相机的公共视野范围内即可。
同时本发明还公开了一种波浪视频测量方法，其特征在于，包括以下测量步骤：
S1)视频图像采集模块标定；
布放好视频图像采集模块后，启动视频图像采集模块同步拍摄若干张不同位姿的棋盘格标定板图像，利用集成于视频接收处理模块的OpenCV标定工具箱标定视频图像采集模块中左、右两台工业相机内部参数矩阵Al、Ar和外部参数旋转矩阵R、外部参数中的平移向量T，并根据两台相机间的相对位置R、T关系建立世界坐标系，构建双目视觉摄影测量模型；
S2)海面预置浮体运动图像采集；
待视频图像采集模块标定完成后，设置数据采集模块采样时间间隔等于0.5s，拍摄锚系或系留于待观测海域的浮体跟随海面波浪沉浮的视频图像，并通过数据传输模块实时传输至数据接收处理模块；
S3)图像预处理；
对得到的海面图像进行预处理，采用空域中值滤波平滑图像以减少摄像机抖动及高频噪声的影响，利用图像增强方法调整图像对比度，提高图像质量，便于后续处理；
S4)图像坐标系浮体中心提取；
采用基于卡尔曼滤波的方式跟踪预测浮体下一帧在图像坐标系中的位置，并设置下一帧图像中搜索浮体中心的感兴趣区域(ROI)；在设置的椭圆待检测区域内使用Canny算子提取待检测区域的边缘点集，遍历边缘二值图像中边缘特征点大于N的各连通轮廓，分别用基于RANSAC的改进最小二乘法拟合椭圆，计算所拟合椭圆的椭圆率、拟合率以及椭圆面积，利用先验知识设置检测识别阈值，剔除伪边缘及其他干扰信息，识别浮体轮廓，进而根据几何知识提取图像坐标系中浮体中心坐标；
S5)世界坐标系中浮体中心三维坐标计算；
根据视频采集模块标定的结果计算左、右相机内部参数矩阵Al、Ar和外部参数旋转矩阵R、外部参数中的平移向量T、反对称矩阵S和基础矩阵F；
其中Al、Ar、S、F分别为：
F＝Ar -TSRAl -1
将浮体中心在左右图像坐标系中的坐标(ul,vl)、(ur,vr)及基础矩阵F带入上式，测试得到的浮体中心是否满足极线约束条件；
若满足则根据双目视觉测量模型计算其世界坐标系中三维坐标，否则，将上述匹配作为虚假匹配；
S6)波高、波周期波浪参数反演
重复步骤S1-S5，获取一段时间内浮体世界坐标系三维坐标，基于3σ原则剔除浮标中心三维坐标序列的奇异值和粗大误差，在剔除粗大误差后的浮标中心三维坐标序列中，将世界坐标系中竖直方向的坐标记为L，其平均值为并绘制随时间变化的模拟曲线，利用所述波浪参数显示模块实时显示数据接收处理模块计算得到的波高、波周期的波浪参数。
优选的，步骤S1)视频图像采集模块标定的过程中，视频图像采集模块应保证水平安装，所采集的用于标定的模板图像的数量不少于15张。
优选的，步骤S4)图像坐标系浮体中心提取中，椭圆率为λ＝b/a，椭圆面积为S＝πab；其中b为椭圆的短半轴，a为椭圆的长半轴；
拟合率为ρ＝m/n，其中n为拟合椭圆所用轮廓边界的总点数，m为该边界上的点到拟合椭圆距离小于设定阈值的点集。
优选的，步骤S6)波高、波周期波浪参数反演中，重复步骤S1-S5，获取不少于20分钟内的浮体世界坐标系三维坐标。
测量原理：
通过视频图像采集模块同步拍摄水面预置的浮体运动序列图像，利用图像识别处理方法提取图像坐标系浮体中心，基于双目视觉摄影测量原理计算浮体世界坐标系中三维坐标，进而按照《海洋观测规范》中海浪观测相关要求反演波高、波周期等波浪参数。所述的波浪参数视频测量方法包括以下步骤：
1、视频采集模块标定；
启动视频采集模块同步拍摄若干张不同位姿的棋盘格标定板图像，利用OpenCV标定工具箱标定视频采集模块中左右相机内部参数矩阵Ar、Al和外部参数旋转矩阵R、外部参数中的平移向量T，并根据两相机间的相对位置R、T关系建立世界坐标系。此处的相机内部参数包括相机焦距(f/dx,f/dy)图像的中心(u0,v0)。
2、采集海洋浮体图像；
将浮体锚系或系缆于待观测海域，设置数据采集模块采样时间间隔等于0.5s，拍摄浮体跟随海面波浪沉浮的视频图像，并通过数据传输模块实时传输至数据接收处理模块。
3、图像预处理；
对得到的海面图像进行预处理，采用空域中值滤波平滑图像以减少摄像机抖动及高频噪声的影响，利用图像增强方法调整图像对比度，提高图像质量，便于后续处理。
4、提取图像坐标系浮体中心；
采用基于卡尔曼滤波的方式跟踪预测浮体下一帧在图像坐标系中的位置，并设置下一帧图像中搜索浮体中心的感兴趣区域(ROI)，以减小运算量，保证系统的实时性及鲁棒性。在设置的浮体中心感兴趣区域内，使用Canny算子提取待检测区域的边缘点集，利用基于RANSAC的最小二乘法拟合方法提取图像中的浮体椭圆目标，进而根据几何知识提取图像坐标系中浮体中心坐标。
5、计算浮体中心在世界坐标系中的三维坐标；
根据视频采集模块标定的结果计算左右相机内部参数矩阵Ar、Al和外部参数旋转矩阵R、外部参数中的平移向量T、反对称矩阵S和基础矩阵F。
其中Ar、Al、S、F分别为：
F＝Ar -TSRAl -1
将浮体中心在左右图像坐标系中的坐标(ul,vl)、(ur,vr)及基础矩阵F带入上式，测试得到的浮体中心是否满足极线约束条件。
若满足则根据双目视觉测量模型计算其世界坐标系中三维坐标，否则，将上述匹配作为虚假匹配。
6、重复步骤1-5，获取20分钟时间内的浮体中心世界坐标系三维坐标；
7、反演波高、波周期参数；
基于3σ原则剔除所得到的20分钟时间内浮标中心三维坐标序列的奇异值和粗大误差，在剔除粗大误差后的浮标中心三维坐标序列中，将世界坐标系中竖直方向的坐标记为L，其平均值为并绘制随时间变化的模拟曲线。将相邻两上跨零点间一个显著波峰与一个显著波谷间的铅直距离作为一个波的波高，相邻两个上跨零点的时间间隔作为一个波的周期。依据《海洋观测规范》中波高和波周期定义，计算有效波高/有效波周期、最大波高/最大波周期、十分之一大波高/十分之一大波周期、平均波高/平均波周期。
8、绘制计算得到的波浪参数随时间的变化曲线，利用波浪参数显示模块实时显示数据接收处理模块计算得到的波高、波周期等波浪参数。
本发明提供了一种波浪视频测量装置及方法，结合了波浪传统摄影测量方法及轨迹浮标测量方法的优点，具有操作方便、测量算法简单可靠、成本低廉且测量精度高的优点，可实现波浪参数的低成本、高精度、大范围、长时间连续测量，在海洋波浪测量领域具有广阔的应用前景的特点。
附图说明
图1为海浪视频测量装置结构示意图；
图2为海浪视频测量方法流程示意图；
图3为海浪视频测量装置及方法一应用具体实施例的实现效果图；
图4为海浪视频测量原理示意图；
图5为海浪波高随时间的变化示意图。
附图中标记说明：
S1-视频图像采集模块标定，S2-海面预置浮体运动图像采集，S3-图像预处理，S4-图像坐标系浮体中心提取，S5-世界坐标系中浮体中心三维坐标计算，S6-波高、波周期波浪参数反演。
1-左侧工业相机，2-右侧工业相机，3-同步信号发生器，4-数据传输模块，5-数据接收处理模块，6-波浪参数显示模块，7-棋盘格式标定板，8-锚系或系留于海面的浮体。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
参见图1、图3所示出的是本发明一实施例所提供的海浪视频测量装置的结构示意图，海浪视频测量装置包括：视频图像采集显示模块、数据传输模块4、数据接收处理模块5、波浪参数显示模块6、棋盘格式标定板7及锚系或系缆于待观测海域的球形浮体8。
如图1所示，视频图像采集模块由左侧工业相机1、右侧工业相机2及同步信号发生器3组成，可安装于海面上的各类平台或近岸支架上并对准待测量海域，两台工业相机由同步信号发生器3触发采集不同角度同一时刻海面浮体8随波浪起伏的序列视频图像，并通过数据传输模块4实时传输至数据接收处理模块5。其中，左侧工业相机1、右侧工业相机2可平行放置，相距500mm；同步信号发生器，用于为上述两个工业相机提供同步触发信号，保证了计算机接收自左侧工业相机和右侧工业相机的图片是同步采集的，降低了计算机进一步处理筛选要求。
如图1所示，数据传输模块4选用千兆网线，将视频图像采集模块采集到的浮体随波浪运动的视频图像实时传输至数据接收处理模块5。
如图1所示，数据接收处理模块5主要包括计算机及利用OpenCV等工具所编制的图像处理软件，该模块通过接收左右工业相机采集到不同角度同一时刻的浮体8随波浪上下沉浮的视频图像，利用图像处理分析方法分别提取左侧工业相机1、右侧工业相机2图像坐标系浮体中心，采用双目视觉立体匹配技术和摄影测量原理计算浮体世界坐标系中三维坐标，进而反演波高、波周期等波浪参数。本实施例将数据处理模块集成在应用广泛的计算机中，降低了浮标姿态测量装置的制造成本，同时也提高了浮标姿态测量装置用户的用户体验。
如图1所示，波浪参数显示模块6与数据接收处理模块5相连，可实时显示数据接收处理模5计算得到的波高、波周期等波浪参数，可提高海浪视频测量装置的用户体验。
如图1所示，海浪视频测量装置还包括：棋盘格标定板7，棋盘格标定板是一个有若干黑白交错的棋盘格，其中标定板单个棋盘格的长度可视具体测量任务而定，利用视频图像采集装置拍摄若干不同情况下的标定板图像，利用集成在数据接收处理模块的标定工具箱根据拍摄的标定板图像对视频图像采集模块进行标定，确定左、右相机的内部参数(焦距、图像中心等)和左、右相机的相对位姿信息(旋转矩阵、平移矩阵)，并根据所确的相对位置信息建立世界坐标系，进而构建双目视觉摄影测量模型。
如图1所示，海浪视频测量装置还包括：锚系或系缆于待观测海域的浮体8，由数据采集模块采集其跟随海面波浪的沉浮运动序列视频图像，进而由数据接收处理模块计算该观测海域的波高、波周期等波浪参数。其中浮体8可选用高分子聚乙烯材料制成的涂有鲜亮颜色的球体，值得注意的是浮体的重量应保证其具备良好的随波性，其大小可以根据测量任务的不同而做适当调整。需要说明的是，本发明中预置的浮体数量为1个。
参见图2示出的是本发明一实施例所提供的海浪视频测量方法的流程示意图，使用了上述实施例所提供的海浪视频测量装置，具体本方法包括：
S1-视频图像采集模块标定
布放好视频采集模块后，启动视频采集模块同步拍摄若干张不同位姿的棋盘格标定板7图像，利用集成于视频接收处理模块的OpenCV标定工具箱标定视频采集模块左侧工业相机1、右侧工业相机2内部参数矩阵Ar、Al和外部参数旋转矩阵R、外部参数中的平移向量T，并根据两相机间的相对位置R、T关系建立世界坐标系，由此建立构建双目视觉摄影测量模型，如图4所示。应当说明的是，视频采集模块应保证水平安装，所采集的用于标定的模板图像的数量应为15张，对视频图像采集装置标定完成后，使用装置进行测量时则不需要重新进行上述操作。
在本实施例中，以左侧工业相机1坐标系作为世界坐标系OXwYwZw，即所述世界坐标系Zw轴沿左相机摄像机光轴指向目标方向，Xw沿相面水平方向右，Yw轴与Xw、Zw满足右手法则。此处的相机内部参数包括相机焦距(f/dx,f/dy)图像的中心(u0,v0)。
其中，
S2-海面预置浮体运动图像采集
待数据采集模块标定完成后，设置数据采集模块采样时间间隔等于0.5s，拍摄锚系或系留于待观测海域的浮体8跟随海面波浪沉浮的视频图像，并通过数据传输模块4实时传输至数据接收处理模块5。
S3-图像预处理
对得到的海面图像进行预处理，采用空域中值滤波平滑图像以减少摄像机抖动及高频噪声的影响，利用图像增强方法调整图像对比度，提高图像质量，便于后续处理。
S4-图像坐标系浮体中心提取
采用基于卡尔曼滤波的方式跟踪预测浮体下一帧在图像坐标系中的位置，并设置下一帧图像中搜索浮体中心的感兴趣区域(ROI)，以减小运算量，保证系统的实时性及鲁棒性。
在设置的椭圆待检测区域内，使用Canny算子提取待检测区域的边缘点集，遍历边缘二值图像中边缘特征点大于N的各连通轮廓，分别用基于RANSAC的改进最小二乘法拟合椭圆，计算所拟合椭圆的椭圆率、拟合率以及面积，利用先验知识设置检测识别阈值，剔除伪边缘及其他干扰信息，识别浮体轮廓，进而根据几何知识提取图像坐标系中浮体中心坐标。
其中，椭圆率定义为λ＝b/a，椭圆面积定义为S＝πab，b为椭圆的短半轴，a为椭圆的长半轴。拟合率定义为ρ＝m/n，其中n为拟合椭圆所用轮廓边界的总点数，m为该边界上的点到拟合椭圆距离小于设定阈值的点集。
可以根据先验知识及前期试验设定待检测椭圆的面积、椭圆率以及拟合率的阈值范围。试验表明，本发明中所涉及的浮体中心提取方法，有较好的运算速度和稳定性，满足实际海况中浮体的检测要求。
S5-世界坐标系中浮体中心三维坐标计算
根据视频采集模块标定的结果计算左侧工业相机1、右侧工业相机2内部参数矩阵Ar、Al和外部参数旋转矩阵R、外部参数中的平移向量T、反对称矩阵S和基础矩阵F。
其中Ar、Al、S、F分别为：
F＝Ar -TSRAl -1
将浮体中心在左右图像坐标系中的坐标(ul,vl)、(ur,vr)及基础矩阵F带入上式，测试得到的浮体中心是否满足极线约束条件。
若满足则根据双目视觉测量模型计算其世界坐标系中三维坐标，否则，将上述匹配作为虚假匹配。
假设在左右图像中浮体中心点坐标分别为(ul,vl)、(ur,vr)，且数据采集模块已经经过标定，右相机内部参数矩阵Ar、Al和外部参数旋转矩阵R、外部参数中的平移向量T已经得到，根据双目视觉测量模型(如图4所示)便可由最小二乘法解得其在世界坐标系中的坐标(Xw,Yw,Zw)。
S6-波高、波周期波浪参数反演
重复步骤S1-S5，获取20分钟时间内的浮体世界坐标系三维坐标，基于3σ原则剔除所得到的20分钟时间内浮标中心三维坐标序列的奇异值和粗大误差。在剔除粗大误差后的浮体中心三维坐标序列中，将浮体中心世界坐标系中竖直方向的坐标记为L，其平均值为并绘制随时间变化的模拟曲线，如图5所示。将相邻两上跨零点(图5中A1、A2、A3等称为上跨零点)间一个显著波峰与一个显著波谷间的铅直距离作为一个波的波高(图5中H所示)，相邻两个上跨零点的时间间隔作为一个波的周期(图5中T所示)。依据《海洋观测规范》中波高和波周期定义，计算有效波高/有效波周期、最大波高/最大波周期、十分之一大波高/十分之一大波周期、平均波高/平均波周期。
其中，最大波高是海浪连续记录中波高的最大值，最大波周期是最大波高对应的周期；十分之一大波波高是海浪连续记录中逐个波高从大到小排列，其波高总个数的前十分之一个大波波高的平均值，十分之一大波周期是十分之一大波波高对应周期的平均值；有效波高是海浪连续记录中逐个波高从大到小排列，其波高总个数的前三分之一个大波波高的平均值，有效波周期是有效波高各波高对应周期的平均值；平均波高是海浪连续记录中所有波高的平均值，平均周期是平均波高各波高对应周期的平均值。
绘制计算得到的波浪参数随时间的变化曲线，利用波浪参数显示模块6实时显示数据接收处理模块5计算得到的波高、波周期等波浪参数。
实施例2
实施例2是本发明一实施例所提供的海浪视频测量装置的结构示意图，海浪视频测量装置包括：视频图像采集显示模块、数据传输模块4、数据接收处理模块5、波浪参数显示模块6、棋盘格式标定板7及锚系或系缆于待观测海域的球形浮体8。
如图1所示，视频图像采集模块由左侧工业相机1、右侧工业相机2及同步信号发生器3组成，可安装于海面上的各类平台或近岸支架上并对准待测量海域，两台工业相机由同步信号发生器3触发采集不同角度同一时刻海面浮体8随波浪起伏的序列视频图像，并通过数据传输模块4实时传输至数据接收处理模块5。其中，左侧工业相机1、右侧工业相机2可平行放置，相距500mm-1000mm，上述距离可根据测量需求设定；同步信号发生器，用于为上述两个工业相机提供同步触发信号，保证了计算机接收自左侧工业相机和右侧工业相机的图片是同步采集的，降低了计算机进一步处理筛选要求。
如图1所示，数据传输模块4可选用光纤或其他数据传输方式，将视频图像采集模块采集到的浮体随波浪运动的视频图像实时传输至数据接收处理模块5。
如图1所示，数据接收处理模块5主要包括计算机及利用OpenCV等工具所编制的图像处理软件，该模块通过接收左右工业相机采集到不同角度同一时刻的浮体8随波浪上下沉浮的视频图像，利用图像处理分析方法分别提取左侧工业相机1、右侧工业相机2图像坐标系浮体中心，采用双目视觉立体匹配技术和摄影测量原理计算浮体世界坐标系中三维坐标，进而反演波高、波周期等波浪参数。本实施例将数据处理模块集成在应用广泛的计算机中，降低了浮标姿态测量装置的制造成本，同时也提高了浮标姿态测量装置用户的用户体验。
如图1所示，波浪参数显示模块6与数据接收处理模块5相连，可实时显示数据接收处理模5计算得到的波高、波周期等波浪参数，可提高海浪视频测量装置的用户体验。
如图1所示，海浪视频测量装置还包括：棋盘格标定板7，棋盘格标定板是一个有若干黑白交错的棋盘格，其中标定板单个棋盘格的长度可视具体测量任务而定，利用视频图像采集装置拍摄若干不同情况下的标定板图像，利用集成在数据接收处理模块的标定工具箱根据拍摄的标定板图像对视频图像采集模块进行标定，确定左、右相机的内部参数(焦距、图像中心等)和左、右相机的相对位姿信息(旋转矩阵、平移矩阵)，并根据所确的相对位置信息建立世界坐标系，进而构建双目视觉摄影测量模型。
如图1所示，海浪视频测量装置还包括：锚系或系缆于待观测海域的浮体8，由数据采集模块采集其跟随海面波浪的沉浮运动序列视频图像，进而由数据接收处理模块计算该观测海域的波高、波周期等波浪参数。其中浮体8可选用高分子聚乙烯材料制成的涂有鲜亮颜色的球体，值得注意的是浮体的重量应保证其具备良好的随波性，其大小可以根据测量任务的不同而做适当调整。需要说明的是，本发明中预置的浮体数量可有多个，只要保证浮体在视频数据采集模块左右相机的公共视野范围内即可。
参见图2示出的是本发明一实施例所提供的海浪视频测量方法的流程示意图，使用了上述实施例所提供的海浪视频测量装置，具体本方法包括：
S1-视频图像采集模块标定
布放好视频采集模块后，启动视频采集模块同步拍摄若干张不同位姿的棋盘格标定板7图像，利用集成于视频接收处理模块的OpenCV标定工具箱标定视频采集模块左侧工业相机1、右侧工业相机2内部参数矩阵Ar、Al和外部参数旋转矩阵R、外部参数中的平移向量T，并根据两相机间的相对位置R、T关系建立世界坐标系，由此建立构建双目视觉摄影测量模型，如图4所示。应当说明的是，视频采集模块应保证水平安装，所采集的用于标定的模板图像的数量为25张，对视频图像采集装置标定完成后，使用装置进行测量时则不需要重新进行上述操作。
在本实施例中，以左侧工业相机1坐标系作为世界坐标系OXwYwZw，即所述世界坐标系Zw轴沿左相机摄像机光轴指向目标方向，Xw沿相面水平方向右，Yw轴与Xw、Zw满足右手法则。此处的相机内部参数包括相机焦距(f/dx,f/dy)图像的中心(u0,v0)。
其中，
S2-海面预置浮体运动图像采集
待数据采集模块标定完成后，设置数据采集模块采样时间间隔等于0.5s，拍摄锚系或系留于待观测海域的浮体8跟随海面波浪沉浮的视频图像，并通过数据传输模块4实时传输至数据接收处理模块5。
S3-图像预处理
对得到的海面图像进行预处理，采用空域中值滤波平滑图像以减少摄像机抖动及高频噪声的影响，利用图像增强方法调整图像对比度，提高图像质量，便于后续处理。
S4-图像坐标系浮体中心提取
采用基于卡尔曼滤波的方式跟踪预测浮体下一帧在图像坐标系中的位置，并设置下一帧图像中搜索浮体中心的感兴趣区域(ROI)，以减小运算量，保证系统的实时性及鲁棒性。
在设置的椭圆待检测区域内，使用Canny算子提取待检测区域的边缘点集，遍历边缘二值图像中边缘特征点大于N的各连通轮廓，分别用基于RANSAC的改进最小二乘法拟合椭圆，计算所拟合椭圆的椭圆率、拟合率以及面积，利用先验知识设置检测识别阈值，剔除伪边缘及其他干扰信息，识别浮体轮廓，进而根据几何知识提取图像坐标系中浮体中心坐标。
其中，椭圆率定义为λ＝b/a，椭圆面积定义为S＝πab，b为椭圆的短半轴，a为椭圆的长半轴。拟合率定义为ρ＝m/n，其中n为拟合椭圆所用轮廓边界的总点数，m为该边界上的点到拟合椭圆距离小于设定阈值的点集。
可以根据先验知识及前期试验设定待检测椭圆的面积、椭圆率以及拟合率的阈值范围。试验表明，本发明中所涉及的浮体中心提取方法，有较好的运算速度和稳定性，满足实际海况中浮体的检测要求。
S5-世界坐标系中浮体中心三维坐标计算
根据视频采集模块标定的结果计算左侧工业相机1、右侧工业相机2内部参数矩阵Ar、Al和外部参数旋转矩阵R、外部参数中的平移向量T、反对称矩阵S和基础矩阵F。
其中Ar、Al、S、F分别为：
F＝Ar -TSRAl -1
将浮体中心在左右图像坐标系中的坐标(ul,vl)、(ur,vr)及基础矩阵F带入上式，测试得到的浮体中心是否满足极线约束条件。
若满足则根据双目视觉测量模型计算其世界坐标系中三维坐标，否则，将上述匹配作为虚假匹配。
假设在左右图像中浮体中心点坐标分别为(ul,vl)、(ur,vr)，且数据采集模块已经经过标定，右相机内部参数矩阵Ar、Al和外部参数旋转矩阵R、外部参数中的平移向量T已经得到，根据双目视觉测量模型(如图4所示)便可由最小二乘法解得其在世界坐标系中的坐标(Xw,Yw,Zw)。
S6-波高、波周期波浪参数反演
重复步骤S1-S5，获取30分钟时间内的浮体世界坐标系三维坐标，基于3σ原则剔除所得到的30分钟时间内浮标中心三维坐标序列的奇异值和粗大误差。在剔除粗大误差后的浮体中心三维坐标序列中，将浮体中心世界坐标系中竖直方向的坐标记为L，其平均值为并绘制随时间变化的模拟曲线，如图5所示。将相邻两上跨零点(图5中A1、A2、A3等称为上跨零点)间一个显著波峰与一个显著波谷间的铅直距离作为一个波的波高(图5中H所示)，相邻两个上跨零点的时间间隔作为一个波的周期(图5中T所示)。依据《海洋观测规范》中波高和波周期定义，计算有效波高/有效波周期、最大波高/最大波周期、十分之一大波高/十分之一大波周期、平均波高/平均波周期。
其中，最大波高是海浪连续记录中波高的最大值，最大波周期是最大波高对应的周期；十分之一大波波高是海浪连续记录中逐个波高从大到小排列，其波高总个数的前十分之一个大波波高的平均值，十分之一大波周期是十分之一大波波高对应周期的平均值；有效波高是海浪连续记录中逐个波高从大到小排列，其波高总个数的前三分之一个大波波高的平均值，有效波周期是有效波高各波高对应周期的平均值；平均波高是海浪连续记录中所有波高的平均值，平均周期是平均波高各波高对应周期的平均值。
绘制计算得到的波浪参数随时间的变化曲线，利用波浪参数显示模块6实时显示数据接收处理模块5计算得到的波高、波周期等波浪参数。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种波浪视频测量装置，其特征在于，包括视频图像采集模块、数据传输模块、数据接收处理模块、波浪参数显示模块、系留于海面的浮体以及标定板；
其中，所述视频图像采集模块用于采集水面预置浮体的运动序列图像；
所述数据传输模块用于将所述视频图像采集模块采集到的浮体运动序列图像实时传输至所述数据接收处理模块；
所述数据接收处理模块用于将采集到的浮体运动序列图像进行数据处理，计算浮体中心世界坐标系中三维坐标，进而反演波浪参数；
所述波浪参数显示模块与数据接收处理模块相连，用于实时显示数据接收处理模块计算得到波浪参数；
所述浮体系留于海面的待观测海域，由所述视频图像采集模块采集其跟随海面波浪沉浮的运动序列图像；
所述标定板用于标定所述视频图像采集模块，确定所述视频图像采集模块的内部参数信息，进而将确定的参数信息用于建立世界坐标系，构建双目视觉摄影测量模型。
2.如权利要求1所述的波浪视频测量装置，其特征在于，所述浮体采用锚系或系留于海面的球形浮体，标定板采用棋盘格式标定板。
3.如权利要求1所述的波浪视频测量装置，其特征在于，所述视频图像采集模块包括两台相同型号千兆网工业相机和一台同步信号发生器，两台所述千兆网工业相机分别安装于海面上的各类平台或近岸支架上并对准待测量海域，两台所述千兆网工业相机由所述同步信号发生器触发同步采集海面浮体随波浪起伏的序列视频图像，并通过所述数据传输模块实时传输至所述数据接收处理模块。
4.如权利要求3所述的波浪视频测量装置，其特征在于，所述数据传输模块采用千兆网线或光纤进行数据传输。
5.如权利要求3所述的波浪视频测量装置，其特征在于，所述数据接收处理模块由工作站型计算机构成，通过接收两台所述工业相机同步采集到的浮体随波浪上下沉浮的视频图像，提取两台所述工业相机图像坐标系的浮体中心，计算浮体中心世界坐标系中三维坐标，进而反演波浪参数。
6.如权利要求1所述的波浪视频测量装置，其特征在于，所述浮体为采用高分子量聚乙烯材料制成的球体。
7.一种波浪视频测量方法，所述测量方法是采用如权利要求1-6任一所述的波浪视频测量装置进行测量的，其特征在于，包括以下测量步骤：
S1)视频图像采集模块标定；
布放好视频图像采集模块后，启动视频图像采集模块同步拍摄若干张不同位姿的棋盘格标定板图像，利用集成于视频接收处理模块的OpenCV标定工具箱标定视频图像采集模块中左、右两台工业相机内部参数矩阵Al、Ar和外部参数旋转矩阵R、外部参数中的平移向量T，并根据两台相机间的相对位置R、T关系建立世界坐标系，构建双目视觉摄影测量模型；
S2)海面预置浮体运动图像采集；
待所述视频图像采集模块标定完成后，设置数据采集模块采样时间间隔等于0.5s，拍摄锚系或系留于待观测海域的浮体跟随海面波浪沉浮的视频图像，并通过所述数据传输模块实时传输至所述数据接收处理模块；
S3)图像预处理；
对得到的海面图像进行预处理，采用空域中值滤波平滑图像以减少摄像机抖动及高频噪声的影响，利用图像增强方法调整图像对比度，提高图像质量，便于后续处理；
S4)图像坐标系浮体中心提取；
采用基于卡尔曼滤波的方式跟踪预测浮体下一帧在图像坐标系中的位置，并设置下一帧图像中搜索浮体中心的感兴趣区域(ROI)；在设置的椭圆待检测区域内使用Canny算子提取待检测区域的边缘点集，遍历边缘二值图像中边缘特征点大于N的各连通轮廓，分别用基于RANSAC的改进最小二乘法拟合椭圆，计算所拟合椭圆的椭圆率、拟合率以及椭圆面积，利用先验知识设置检测识别阈值，剔除伪边缘及其他干扰信息，识别浮体轮廓，进而根据几何知识提取图像坐标系中浮体中心坐标；
S5)世界坐标系中浮体中心三维坐标计算；
根据视频采集模块标定的结果计算左、右相机内部参数矩阵Al、Ar和外部参数旋转矩阵R、外部参数中的平移向量T、反对称矩阵S和基础矩阵F；
其中Al、Ar、S、F分别为：
F＝Ar -TSRAl -1
将浮体中心在左右图像坐标系中的坐标(ul,vl)、(ur,vr)及基础矩阵F带入上式，测试得到的浮体中心是否满足极线约束条件；
若满足则根据双目视觉测量模型计算其世界坐标系中三维坐标，否则，将上述匹配作为虚假匹配；
S6)波高、波周期波浪参数反演
重复步骤S1-S5，获取一段时间内浮体世界坐标系三维坐标，基于3σ原则剔除浮标中心三维坐标序列的奇异值和粗大误差，在剔除粗大误差后的浮标中心三维坐标序列中，将世界坐标系中竖直方向的坐标记为L，其平均值为并绘制随时间变化的模拟曲线，利用所述波浪参数显示模块实时显示数据接收处理模块计算得到的波高、波周期的波浪参数。
8.如权利要求7所述的波浪视频测量方法，其特征在于，步骤S1)视频图像采集模块标定的过程中，视频图像采集模块应保证水平安装，所采集的用于标定的模板图像的数量不少于15张。
9.如权利要求7所述的波浪视频测量方法，其特征在于，步骤S4)图像坐标系浮体中心提取中，所述椭圆率为λ＝b/a，椭圆面积为S＝πab；其中b为椭圆的短半轴，a为椭圆的长半轴；
拟合率为ρ＝m/n，其中n为拟合椭圆所用轮廓边界的总点数，m为该边界上的点到拟合椭圆距离小于设定阈值的点集。
10.如权利要求7所述的波浪视频测量方法，其特征在于，步骤S6)波高、波周期波浪参数反演中，重复步骤S1-S5，获取不少于20分钟内的浮体世界坐标系三维坐标。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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