CN1116704A - 河工模型试验流场量测中的图像摄取系统及图象处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及河工模型试验流场量测中的图像摄取系统及图像处理方法。该方法是在流场中施放示踪颗粒，采用摄、录像的方法记录颗粒的运动轨迹，经过图象处理得出全试验段的表面流速和流态。摄像系统包括摄像机、录像机、控制系统和信号传输采集系统。分析处理程序包括图象采集、示踪点定位、比尺换算、图象定位定向等。本发明的图象处理方法不干扰流场，不用固定床面，得到的流态图能真实反映试验段的流态，具有较高的精度，对保证模型试验的冲淤相似具有重要意义。
Description
本发明涉及河工模型试验流场量测中的图像摄取系统及图象处理方法，属水利量测技术领域。
现有的河工模型试验中，一般采用多点旋桨流速仪量测流速，如代表我国先进水平的长江科学院和南京水科院的三峡坝区泥沙模型均用此法。两家模型用这一方法量测全河段的流速需1～2天时间，而模型容许量测的时间只有1～2小时。长江科学院采用停水固定地形后量测，而固定一次地形至少需要15天时间，耗资约10万元。此外，当泥沙含量较高时，旋桨流速仪的精度很低，甚至难以应用。
另一种测速方法是浮标示踪人工计时或拍照后分析处理，这一方法费时费力且精度不高，难以用于大面积水域的流速量测。
本发明的目的是开发和研制河工模型试验流场量测中的图象摄取装置及图象处理方法，用以实现在短时段内瞬时同步大面积动态量测试验河段的流速和流态。
本发明设计的图象摄取系统，包括流场示踪装置、摄像机、控制台、录像机、监视器、计算机图像版和打印机。流场示踪装置为一河工模型和投球架。摄像机置于河工模型上方的云台上，图像信号通过传输电缆进入控制台，由监视器监视并用录像机记录图像信号。该图像送入计算机图像板进行处理后，打印机输出流速流态图。
本发明的图象处理方法包括下列步骤：
(1)用摄像机和录像机记录球粒即示踪颗粒在水中运动的轨迹。
(2)用图象板对录像机的图象作A/D转换，将每幅图像分成512×512个坐标点，每个点的灰度分成256个等级，全黑的灰度为零，全白为255。
(3)采集信号，从上述A/D转换后的图像中，采集四幅，分别存在图像板的四个帧存体中，或用采一存循环方式，即采一幅图后，存入主机内存后再采集下幅图像，一次采集12幅以内的图幅。
(4)在上述采集到的图像中，求出每个示踪颗粒的形心：先取一幅图像中的一条横线，当遇到第一个有效点时，查找其后的连续有效点，求出这些点的平均横坐标，将512条横线逐一处理，得出示踪颗粒横向坐标聚合后的结果，再从第一条横线上第一个示踪点坐标起，求该点与第二条线以下所有点的距离，当所求距离小于某一限定值时，即认为是同一个颗粒，求出同一颗粒各点的平均坐标作为该点的坐标值即示踪颗粒的形心，将已认定过的坐标全部消去。
(5)求出同一示踪颗粒在二幅图中的位移量：采用上一幅图中某一颗粒与下一幅图的所有颗粒相关，求出最小距离的点即认为是同一个颗粒在下幅图中的位置，从而求出位移量。
(6)剔除错误信号：预估计水流的最大流速，将大于该值的信号删去；
(7)比尺标定和坐标变换：在作图象处理时，先求出两个基准点的坐标，由此定出本幅图的位置和比尺，从而得出各示踪颗粒的速度大小和方向再通过平移和旋转，将量测的结果转换到地形图的坐标体系中；
(8)将上述图形打印、输出，即得流场的流速流态图。
附图说明：
图1是图象摄取装置的结构框图。
图2是摄取装置中所用的投球架的结构示意图。
图3是图2的侧示图。
图4是图象处理方法的流程框图。
图5是用本发明的图像处理方法得到的流场流态图。
图6是用本发明的图像处理方法得到的流场流速图。
下面结合附图，详细介绍本发明的内容。
为了确定所测流场的具体位置，需要预先在河工模型上布设基准点，见图1左下图中的园点，在录像的时候，保证每幅图至少要有两上基准点。
对某些水流情况复杂而又需重点研究的河段，在量测时全水面均匀撒上示踪球，用摄像机记录球粒的运动轨迹，见图1左下图中左边的箭头。
为测断面的流速分布而专门制做了投球架，其结构见图2和图3，其释放球粒在水中运动的轨迹见图1左下图中右边的箭头。图2和图3中，1是球槽，2是球孔，3是抽板，4是底部穿孔。在型铝上按要求等间距打孔，底部加活动抽板。使用时将抽板关上，在球槽和每个孔内装入球粒，准备好后拉动抽板，抽板孔与投球架孔对齐时，全部球粒同时落入水中，并随水流运动，同时用录像机记录球粒运动的轨迹。使用投球架时，应将其放在模型上的已知位置以作坐标变换。
示踪球用直径3.0cm的空心塑料球做成。球内加入一定数量的重沙，使球体有一半沉在水中，经过水槽试验检验，其与水流的跟随性很好，与在水面用纸屑示踪的同步观测结果对比，差别在2.0％以内。因试验水体呈乳白色，故示踪球做成黑色。
在流场中施放示踪颗粒，采用摄、录像的方法记录颗粒的运动轨迹，经过图象处理得出全试验段的表面流速和流态，图象摄取系统的结构框图见图1。如设置多套摄录像系统，则可在要求的时间内完成流场信号的同步记录，再通过图像处理，即能获得需要的结果。
摄录像和图像处理的硬件配套系统包括摄像机、录像机、控制系统和信号传输系统。
图像采集系统由图像板和486微机组成，图像板通过A/D转换将一幅图分成512×512个坐标点，每个点的灰度分成256个等级，全黑的灰度为零，全白为255。
分析计算机软件包括图像采集、示踪点聚合、流线相关、错误信号的剔除、比尺换算、图像定位定向、流速分布、流向流态、任意方位的流速剖面、流态图打印等一系列子程序，逻辑流程见图4。这一系统能高效、快速地给出试验河段全流场的流速流态分布图。
信号采集指令由图像板经销商提供。将一幅图像转换成512×512个点阵、256级灰度的数字信号。采样程序用C语言编写，调用有关的采样指令。采样分两种方式，一种是连续采集四幅图像，分别存在图像板的四个帧存体中，然后同逐一取出进行处理。这一方法速度快，可在1/25秒内采一幅图。另一种是采一存循环方式，即采一幅图后，存入主机内存后再采集下一幅图像，这种方式能一次采集12幅以内的图幅，但速度较慢，采一幅图需0.6秒。为了调整采样频率，可在程序中加一段瞎时程序来控制。
在一幅图的512×512的坐标点中，只有示踪颗粒占据的点才是有用的信号。对于黑色的示踪颗粒，只需保留灰度小于某一临界值的那些坐标点作为信号的有效点，这一临界值因摄像时的光线明暗会有所不同。在一幅图中，一个示踪颗粒可能占有几个坐标点，这时需要求出这几个点的形心以代表这一颗粒的准确位置，这一过程可用距离相关来完成：
取一幅图像中的一条横线，当遇到第一个有效点时，查找其后的连续有效点，求出这些点的平均横坐标，将512条横线逐一处理，得出示踪颗粒横向坐标聚合后的结果。
从第一条横线上第一个示踪点坐标起，求该点与第二条线以下所有点的距离，当所求距离小于某一限定值时，即认为是同一个颗粒，求出同一颗粒各点的平均坐标作为该点的坐标值，将已认定过的坐标全部消去。将512条横线按顺序处理，最后得出全部示踪点的坐标。这样，一幅图中有多少个示踪颗粒，就只有多少个坐标点。
控制采样频率，保证上一幅图中的颗粒在下一幅图中只移动了一个微小的距离，采用上幅图中某一颗粒与下一幅图的所有颗粒相关，求出最小距离的点即认为是同一个颗粒在下幅图中的位置，从而求出位移量。当认定下一幅图中的某一点后，将其坐标消去，以避免求下一个颗粒的相关时产生混浠。如在一定的距离内没有点，则用前一幅图中本身点的坐标作为下一幅图中的坐标。用计算机时钟定出采样历时，即可求出颗粒的速度。将各连续图幅逐一处理，最后可得出颗粒运动的连续轨迹，从而定出流速的大小和方向。
在流线相关的过程中，有可能找错点而产生错误信号，需要剔除这些信号，可用以下判别条件进行处理：预估计水流的最大流速，将大于该值的信号删去。
当水流方向大致相同时，将流向偏离总流向的角度大于某一给定值的信号删去。也可以将全图分成儿个部分，分别给出每一部分的总流向进行处理。最后可用人工操作删除明显不合理的点。
在录像的时候，每幅图至少要有两个基准点，在作图像处理时，先求出两个基准点的坐标，由此定出本幅图的位置和比尺。由于摄像时镜头可位于任一方位，采集的图像即为镜头的方位，故需通过平移和旋转，将量测的结果转换到地形图的坐标体系中。
得出流场图以后，有时需要知道沿某一方向(如航道中心线)的流速分布，这就需要按要求的方向和距离截出流速剖面图。
打印可分图形和表格两种形式，图形比较直观，表格则给出流速的大小、方向和坐标位置。
本发明设计的图象处理装置和处理方法具有以下技术效果：
1、流速量测精度可达2.0mm/s，比常规方法高一个数量级。
2、能真实反映河床的冲淤变化，不干扰流场，不用固定床面，得出的结果能真实地反映试验段的流态，对保证模型试验的冲淤相似具有重要意义。
3、省时省力省经费，全河段的量测时间只需20分钟。可节省大量的试验时间，具有很大的经济效益。
4、摄录像系统包括摄像机、录像机、控制系统和信号传输采集系统，已实现了遥控自动操作，使用方便灵活。
5、软件系统功能齐全，能很快得出全流场表面流速的大小和方向。
Claims (3)
1、一种河工模型试验流场量测中的图象摄取系统，其特征在于该摄取系统包括流场示踪装置、摄像机、控制台、录像机、监视器、计算机图像版和打印机；所述的流场示踪装置为一河工模型和投球架，摄像机置于河工模型上方的云台上，图像信号通过传输电缆进入控制台，由监视器监视并用录像机记录图像信号，该图像送入计算机图像板进行处理后，打印机输出流速流态图。
2、如权利要求1所述的图象摄取系统，其特征在于其中所述的投球架由球架和抽板组成，球架为一凹槽，凹槽中开有等间距的球孔，凹槽底部开有穿孔，抽板插在穿孔中，抽板上开有与凹槽中球孔的孔径、间距相等的圆孔。
3、一种河工模型试验流场量测中的图象处理方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
(1)用摄像机和录像机记录球粒即示踪颗粒在水中运动的轨迹；
(2)用图象板对录像机的图象作A/D转换，将每幅图像分成512×512个坐标点，每个点的灰度分成256个等级，全黑的灰度为零，全白为255；
(3)采集信号，从上述A/D转换后的图像中，采集四幅，分别存在图像板的四个帧存体中，或用采一存循环方式，即采一幅图后，存入主机内存后再采集下幅图像，一次采集12幅以内的图幅；
(4)在上述采集到的图像中，求出每个示踪颗粒的形心：先取一幅图像中的一条横线，当遇到第一个有效点时，查找其后的连续有效点，求出这些点的平均横坐标，将512条横线逐一处理，得出示踪颗粒横向坐标聚合后的结果，再从第一条横线上第一个示踪点坐标起，求该点与第二条线以下所有点的距离，当所求距离小于某一限定值时，即认为是同一个颗粒，求出同一颗粒各点的平均坐标作为该点的坐标值即示踪颗粒的形心，将已认定过的坐标全部消去；
(5)求出同一示踪颗粒在二幅图中的位移量：采用上一幅图中某一颗粒与下一幅图的所有颗粒相关，求出最小距离的点即认为是同一个颗粒在下幅图中的位置，从而求出位移量；
(6)剔除错误信号：预估计水流的最大流速，将大于该值的信号删去；
(7)比尺标定和坐标变换：在作图象处理时，先求出两个基准点的坐标，由此定出本幅图的位置和比尺，从而得出各示踪颗粒的速度大小和方向，再通过平移和旋转，将量测的结果转换到地形图的坐标体系中；
(8)将上述图形打印、输出，即得流场的流速流态图。
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