CN111397692A - 基于视觉非接触的液位检测方法 - Google Patents

基于视觉非接触的液位检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于视觉非接触的液位检测方法，包括：S1.安装相机，并标定相机的内参和外参，建立以相机为原点的世界坐标系，并计算所述世界坐标系和相机坐标系的转换关系；S2.在溶液底部放置棋盘格，利用相机对溶液进行拍摄，得到包含所述棋盘格的液面图像，然后对液面图像中的棋盘格进行角点检测，计算检测到的角点在所述世界坐标系中的坐标信息；S3.根据所述世界坐标系、液面图像中角点的坐标信息和棋盘格的角点距离信息，利用折射原理进行建模，然后计算溶液的液位信息。本发明通过折射率原理和相机标定结果计算出液位信息，不依赖于精密度高的仪器，性价比高，只要约束在可视化条件下即可，对环境依赖性低。

Description

基于视觉非接触的液位检测方法
技术领域
本发明属于图像处理技术领域，特别是涉及一种基于视觉非接触的液位检测方法。
背景技术
现有的液位测量方法中，包含接触式测量方法和非接触式测量方法，现有的这两种液位测量方法都存在相应的不足，例如，古老简单的浮球式液位测量方法，测量精度容易受浮力影响且会对液体质量产生影响，现有的非接触式的液位测量方法也存在对传感器精密度要求高、对环境依赖性强、性价比低等问题，例如，声波对含有蒸汽的环境效果变差、光电折射需要靠输出和接收的信号量方式等。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于视觉非接触的液位检测方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于视觉非接触的液位检测方法，包括：
S1.安装相机，并标定相机的内参和外参，建立以相机为原点的世界坐标系，并计算所述世界坐标系和相机坐标系的转换关系；
S2.在溶液底部放置棋盘格，利用相机对溶液进行拍摄，得到包含所述棋盘格的液面图像，然后对液面图像中的棋盘格进行角点检测，计算检测到的角点在所述世界坐标系中的坐标信息；
S3.根据所述世界坐标系、液面图像中角点的坐标信息和棋盘格的角点距离信息，利用折射原理进行建模，然后计算溶液的液位信息。
优选的，所述S1中世界坐标系和相机坐标系的转换关系为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 300208DEST_PATH_IMAGE002
为待检测点在相机坐标系下z轴坐标值，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 970223DEST_PATH_IMAGE004
为相机坐标系中的坐标，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 84810DEST_PATH_IMAGE006
为相元尺寸，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
为相机焦距，
Figure 600105DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
为世界坐标系的坐标，
Figure 867269DEST_PATH_IMAGE010
表示像素坐标系在世界坐标系中的旋转矩阵，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
表示像素坐标系在世界坐标系中的平移矩阵，
Figure 708186DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE013
为相机坐标系的中心点坐标。
优选的，所述S2中对液面图像中的棋盘格进行角点检测包括：
对于液面图像中任一待检测像素，获取以该待检测像素为中心、预设半径的边缘上的所有像素作为边缘像素；
分别计算各边缘像素的灰度值与该待检测像素的灰度值的差值；
统计所述差值大于第一阈值的边缘像素的数量，若数量大于第二阈值，则该待检测像素为液面图像中的角点。
优选的，所述S3中计算溶液的液位信息包括：
定义角点A和角点B为棋盘格上相邻的两个角点，角点A1为角点A在液面图像中对应的角点，角点B1为角点B在液面图像中对应的角点，L为角点A和角点B之间的距离，
Figure 310069DEST_PATH_IMAGE014
为角点A1和角点B1之间的距离，相机的光心为点O，溶液的折射率为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE015
；
计算光线依次经点O和角点A1时的入射角的余角
Figure 894634DEST_PATH_IMAGE016
，以及光线依次经点O和角点B1时的入射角的余角
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE017
；
则光线依次经点O和角点A1时的折射角
Figure 16305DEST_PATH_IMAGE018
，光线依次经点O和角点B1时的折射角
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE019
；
则溶液的液位信息的计算公式为：
Figure 28123DEST_PATH_IMAGE020
式中，h为溶液的液位信息。
优选的，所述S3中计算溶液的液位信息包括：
定义角点A和角点B为棋盘格上相邻的两个角点，角点A1为角点A在液面图像中对应的角点，角点B1为角点B在液面图像中对应的角点，L为角点A和角点B之间的距离，
Figure 117302DEST_PATH_IMAGE014
为角点A1和角点B1之间的距离，相机的光心为点O，溶液的折射率为
Figure 708820DEST_PATH_IMAGE015
；
计算光线依次经点O和角点A1时的入射角的余角
Figure 199845DEST_PATH_IMAGE016
，以及光线依次经点O和角点B1时的入射角的余角
Figure 585827DEST_PATH_IMAGE017
；
则光线依次经点O和角点A1时的折射角
Figure 910104DEST_PATH_IMAGE018
，光线依次经点O和角点B1时的折射角
Figure 102051DEST_PATH_IMAGE019
；
则，
Figure 182002DEST_PATH_IMAGE020
定义
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE021
，则
Figure 535623DEST_PATH_IMAGE022
；
计算n组x和y数据，即：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE023
；
误差方程为：
Figure 84548DEST_PATH_IMAGE024
；
在误差方程中对h求偏导：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE025
；
溶液的液位信息的计算公式为：
Figure 814606DEST_PATH_IMAGE026
；
式中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE027
为误差方程，h为溶液的液位信息，
Figure 749064DEST_PATH_IMAGE028
为x的均值，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE029
为y的均值。
本发明的有益效果是：
（1）本发明通过折射率原理和相机标定结果计算出液位信息，不依赖于精密度高的仪器，性价比高，操作简单，只要约束在可视化条件下即可，对环境依赖性低，稳定性强；
（2）本发明中基于ORB算法检测格子角点，提升了此场景下算法的实时性；
（3）本发明中通过观测矩阵的最小二乘计算最终的液位信息，提高了液位测量的精度。
附图说明
图1为本发明的一种流程示意图；
图2为相机坐标系和世界坐标系的示意图；
图3为像平面中坐标的示意图；
图4为液面图像中角点检测原理的示意图；
图5为液位信息计算的原理示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的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。
参阅图1-5，本发明提供一种基于视觉非接触的液位检测方法：
如图1所示，基于视觉非接触的液位检测方法，包括：
S1.安装相机，并标定相机的内参和外参，建立以相机为原点的世界坐标系，并计算所述世界坐标系和相机坐标系的转换关系。
步骤S1中世界坐标系和相机坐标系的转换关系的推导过程为：
如图2所示，相机的内参有焦距
Figure 86636DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 575386DEST_PATH_IMAGE005
为x方向的像元尺寸，
Figure 109135DEST_PATH_IMAGE006
为y方向的像元尺寸，像元尺寸即为每个像元（也称为像素）的大小，u和v为相机坐标系中的坐标，x和y为像平面的坐标，相机平面与像平面平行，且坐标原点都在左上方角点，x正方向向右，y正方向向下，如图3所示。
由于相机平面与像平面平行，根据相似比可得：
Figure 366941DEST_PATH_IMAGE030
写成矩阵形式即为：
Figure DEST_PATH_IMAGE031
世界坐标系中平行面上坐标由相似比可得：
Figure 327944DEST_PATH_IMAGE032
；
由于世界坐标系中平面都是通过旋转平移到与相机坐标系平行，因此可得相机坐标系和世界坐标系的转换关系，通过此转换关系可以得到下列的等式：
Figure DEST_PATH_IMAGE033
式中，
Figure 835149DEST_PATH_IMAGE002
为待检测点在相机坐标系下z轴坐标值，
Figure 923322DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 301213DEST_PATH_IMAGE004
为相机坐标系中的坐标，
Figure 433118DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 896460DEST_PATH_IMAGE006
为相元尺寸，
Figure 506433DEST_PATH_IMAGE007
为相机焦距，
Figure 801148DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 41636DEST_PATH_IMAGE009
为世界坐标系的坐标，
Figure 536815DEST_PATH_IMAGE010
表示像素坐标系在世界坐标系中的旋转矩阵，
Figure 216058DEST_PATH_IMAGE011
表示像素坐标系在世界坐标系中的平移矩阵，
Figure 302963DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 776670DEST_PATH_IMAGE013
为相机坐标系的中心点坐标。
S2. 在溶液底部放置棋盘格，利用相机对溶液进行拍摄，得到包含所述棋盘格的液面图像，然后对液面图像中的棋盘格进行角点检测，计算检测到的角点在所述世界坐标系中的坐标信息。
本实施例中液面图像中棋盘格的角点通过ORB算法原理进行检测，如图4所示。
Figure 11342DEST_PATH_IMAGE034
；
即，对于液面图像中任一待检测像素，获取以该待检测像素为中心、半径为r（预设半径）的边缘上的所有像素作为边缘像素；分别计算各边缘像素的灰度值与该待检测像素的灰度值的差值，若所述差值大于第一阈值thr则将相应的边缘像素计入集合P中；统计集合P中边缘像素的数量，若数量大于第二阈值thr1，则该待检测像素为角点。
S3.根据所述世界坐标系、液面图像中角点的坐标信息和棋盘格的角点距离信息，利用折射原理进行建模，然后计算溶液的液位信息。
在一些实施例中，所述步骤S3中计算溶液的液位信息包括：
定义角点A和角点B为棋盘格上相邻的两个角点，角点A1为角点A在液面图像中对应的角点，角点B1为角点B在液面图像中对应的角点，L为角点A和角点B之间的距离，
Figure 166380DEST_PATH_IMAGE014
为角点A1和角点B1之间的距离，相机的光心为点O，溶液的折射率为
Figure 717578DEST_PATH_IMAGE015
，如图5所示，角OA1O1记为
Figure 299869DEST_PATH_IMAGE016
和角OB1O1记为
Figure 21837DEST_PATH_IMAGE017
，角AA1M记为
Figure DEST_PATH_IMAGE035
，角BB1N记为
Figure 511724DEST_PATH_IMAGE036
，待求高度O1O2记为
Figure DEST_PATH_IMAGE037
；
计算光线依次经点O和角点A1时的入射角的余角
Figure 120691DEST_PATH_IMAGE016
，以及光线依次经点O和角点B1时的入射角的余角
Figure 201780DEST_PATH_IMAGE017
；
则光线依次经点O和角点A1时的折射角
Figure 348728DEST_PATH_IMAGE018
，光线依次经点O和角点B1时的折射角
Figure 907885DEST_PATH_IMAGE019
；
则溶液的液位信息的计算公式为：
Figure 823888DEST_PATH_IMAGE020
式中，h为溶液的液位信息。
在一些实施例中，所述步骤S3中计算溶液的液位信息包括：
定义角点A和角点B为棋盘格上相邻的两个角点，角点A1为角点A在液面图像中对应的角点，角点B1为角点B在液面图像中对应的角点，L为角点A和角点B之间的距离，
Figure 75878DEST_PATH_IMAGE014
为角点A1和角点B1之间的距离，相机的光心为点O，溶液的折射率为
Figure 710122DEST_PATH_IMAGE015
，如图5所示，角OA1O1记为
Figure 823702DEST_PATH_IMAGE016
和角OB1O1记为
Figure 390950DEST_PATH_IMAGE017
，角AA1M记为
Figure 751524DEST_PATH_IMAGE035
，角BB1N记为
Figure 935381DEST_PATH_IMAGE036
，待求高度O1O2记为
Figure 774024DEST_PATH_IMAGE037
；
计算光线依次经点O和角点A1时的入射角的余角
Figure 726936DEST_PATH_IMAGE016
，以及光线依次经点O和角点B1时的入射角的余角
Figure 258412DEST_PATH_IMAGE017
；
则光线依次经点O和角点A1时的折射角
Figure 411788DEST_PATH_IMAGE018
，光线依次经点O和角点B1时的折射角
Figure 319701DEST_PATH_IMAGE019
；
则，
Figure 127120DEST_PATH_IMAGE020
定义
Figure 829497DEST_PATH_IMAGE021
，则
Figure 456787DEST_PATH_IMAGE022
；
计算n组x和y数据，即：
Figure 699550DEST_PATH_IMAGE023
，然后通过最小二乘推理过程计算h，即为在误差方程中对h求偏导，过程如下：
误差方程为：
Figure 564738DEST_PATH_IMAGE024
；
在误差方程中对h求偏导：
Figure 251065DEST_PATH_IMAGE025
；
溶液的液位信息的计算公式为：
Figure 568914DEST_PATH_IMAGE026
；
式中，
Figure 615367DEST_PATH_IMAGE027
为误差方程，h为溶液的液位信息，
Figure 335062DEST_PATH_IMAGE028
为x的均值，
Figure 441558DEST_PATH_IMAGE029
为y的均值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.基于视觉非接触的液位检测方法，其特征在于，包括：
S1.安装相机，并标定相机的内参和外参，建立以相机为原点的世界坐标系，并计算所述世界坐标系和相机坐标系的转换关系；
S2.在溶液底部放置棋盘格，利用相机对溶液进行拍摄，得到包含所述棋盘格的液面图像，然后对液面图像中的棋盘格进行角点检测，计算检测到的角点在所述世界坐标系中的坐标信息；
S3.根据所述世界坐标系、液面图像中角点的坐标信息和棋盘格的角点距离信息，利用折射原理进行建模，然后计算溶液的液位信息。
2.根据权利要求1所述的基于视觉非接触的液位检测方法，其特征在于，所述S1中世界坐标系和相机坐标系的转换关系为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 162274DEST_PATH_IMAGE002
为待检测点在相机坐标系下z轴坐标值，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 158043DEST_PATH_IMAGE004
为相机坐标系中的坐标，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 468938DEST_PATH_IMAGE006
为相元尺寸，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为相机焦距，
Figure 395306DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为世界坐标系的坐标，
Figure 740837DEST_PATH_IMAGE010
表示像素坐标系在世界坐标系中的旋转矩阵，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
表示像素坐标系在世界坐标系中的平移矩阵，
Figure 845190DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为相机坐标系的中心点坐标。
3.根据权利要求1所述的基于视觉非接触的液位检测方法，其特征在于，所述S2中对液面图像中的棋盘格进行角点检测包括：
对于液面图像中任一待检测像素，获取以该待检测像素为中心、预设半径的边缘上的所有像素作为边缘像素；
分别计算各边缘像素的灰度值与该待检测像素的灰度值的差值；
统计所述差值大于第一阈值的边缘像素的数量，若数量大于第二阈值，则该待检测像素为液面图像中的角点。
4.根据权利要求1所述的基于视觉非接触的液位检测方法，其特征在于，所述S3中计算溶液的液位信息包括：
定义角点A和角点B为棋盘格上相邻的两个角点，角点A1为角点A在液面图像中对应的角点，角点B1为角点B在液面图像中对应的角点，L为角点A和角点B之间的距离，
Figure 643382DEST_PATH_IMAGE014
为角点A1和角点B1之间的距离，相机的光心为点O，溶液的折射率为
Figure DEST_PATH_IMAGE015
；
计算光线依次经点O和角点A1时的入射角的余角
Figure 452069DEST_PATH_IMAGE016
，以及光线依次经点O和角点B1时的入射角的余角
Figure DEST_PATH_IMAGE017
；
则光线依次经点O和角点A1时的折射角
Figure 183264DEST_PATH_IMAGE018
，光线依次经点O和角点B1时的折射角
Figure DEST_PATH_IMAGE019
；
则溶液的液位信息的计算公式为：
Figure 252327DEST_PATH_IMAGE020
式中，h为溶液的液位信息。
5.根据权利要求1所述的基于视觉非接触的液位检测方法，其特征在于，所述S3中计算溶液的液位信息包括：
定义角点A和角点B为棋盘格上相邻的两个角点，角点A1为角点A在液面图像中对应的角点，角点B1为角点B在液面图像中对应的角点，L为角点A和角点B之间的距离，
Figure 741077DEST_PATH_IMAGE014
为角点A1和角点B1之间的距离，相机的光心为点O，溶液的折射率为
Figure 274827DEST_PATH_IMAGE015
；
计算光线依次经点O和角点A1时的入射角的余角
Figure 532633DEST_PATH_IMAGE016
，以及光线依次经点O和角点B1时的入射角的余角
Figure 493636DEST_PATH_IMAGE017
；
则光线依次经点O和角点A1时的折射角
Figure 282731DEST_PATH_IMAGE018
，光线依次经点O和角点B1时的折射角
Figure 292275DEST_PATH_IMAGE019
；
则，
Figure 732484DEST_PATH_IMAGE020
定义
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，则
Figure 598809DEST_PATH_IMAGE022
；
计算n组x和y数据，即：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
；
误差方程为：
Figure 858889DEST_PATH_IMAGE024
；
在误差方程中对h求偏导：
Figure DEST_PATH_IMAGE025
；
溶液的液位信息的计算公式为：
Figure 219594DEST_PATH_IMAGE026
；
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE027
为误差方程，h为溶液的液位信息，
Figure 451992DEST_PATH_IMAGE028
为x的均值，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
为y的均值。
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