CN113358191A - 基于条纹投影结构光的全域洪水水位实时监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于条纹投影结构光的全域洪水水位实时监测方法，涉及水位测量技术领域，包括以下步骤：S1，准备水槽、CCD相机、投影仪，所述水槽底面及侧面均贴上黑膜，并在水槽中上游设置闸门，使用CCD相机捕捉水槽内水面由动态变化至平稳的条纹图案图片；S2，打开水槽闸门，选取水槽闸门开启后任意时刻的条纹图案图片，对任意时刻的条纹图案图片进行傅里叶变换轮廓术处理，得到对应时刻水面对应的截断相位差
通过截断相位差
以及相位高度映射公式确定任意时刻全域水面高度h(x,y)；通过此种设计完成对全域洪水水位的实时监测。
Description
技术领域
本发明涉及水位测量技术领域，具体为基于条纹投影结构光的全域洪水水位实时监测方法。
背景技术
目前对于洪水水位测量的方法主要有浸入式测量与非浸入式测量两种。常用的浸入式测量有人工物理测深方式、压力测深技术等，如电容电阻式波高仪、铅锤、标尺、浮标。其中铅锤、标尺、等人工测量方式，其测量精度差，对于大流速、水深变化大、河床不稳定的情况测量难度大；浮标测量方式存在丢失、沉没等风险；电容电阻式波高仪往往只能够得到单点的水深数据，且在放置仪器的地方会对水面有一定的扰动，理论上要得到整个全域的洪水水位需要在全域的每个位置布置测量仪器，这在实际实验中是很难做到的，而重复实验会造成巨大的人力物力的浪费。
非浸入式测量主要有声呐测深技术、激光测深技术、GPS测深技术等。其中声呐测深技术、激光测深技术可以测量全域的水位，而GPS测深技术只能测量带状的水位，不能测量全域水位，其测量精度依赖于GPS精度，一般精度不是很高。非浸入式测量相对于浸入式测量，一般需要成套系统进行操作、对装置的要求较高，且非浸入式水位测量的实时性较差。尽管现在的测量技术发展很快，精度与速度都有了很大的提升，但对洪水水位的监测多为点式测量或带状测量，很难测量出全域的实时水位数据，且部分量测方法需要将探头、量尺等工具插入水中，对水深最小值有一定的要求，且会造成水流的扰动，对人力物力的浪费比较严重。
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供基于条纹投影结构光的全域洪水水位实时监测方法，解决现有测量方法只能点式、带状测量水位的局限，实现全域水位测量，提高水位测量实时性与精度，为深入研究洪水演进规律提供支持，同时减少人力、物力的浪费，提高测量速度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供基于条纹投影结构光的全域洪水水位实时监测方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
基于条纹投影结构光的全域洪水水位实时监测方法，通过CCD相机配合投影仪获取待检测水域不同时刻的条纹图案图片，对不同时刻的条纹图案图片进行处理确定各个时刻全域水面高度ht(x,y)。
进一步的，所述对不同时刻的条纹图案图片进行处理包括：对不同时刻的条纹图案图片进行傅里叶变换轮廓术处理，得到不同时刻水面对应的截断相位差
通过截断相位差
以及相位高度映射公式确定各个时刻全域水面高度ht(x,y)。
进一步的，全域水面高度ht(x,y)的计算公式为：
式中，a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)为系数，通过已知的相位信息和水位高度数据得到a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)。
基于条纹投影结构光的水位监测设计方法，包括下列步骤：
S1，准备水槽、CCD相机、投影仪，所述水槽底面及侧面均贴上黑膜，并在水槽中上游设置闸门，使用CCD相机捕捉水槽内水面由动态变化至平稳的条纹图案图片，执行步骤S2；
S2，打开水槽闸门，选取水槽闸门开启后任意时刻的条纹图案图片，对任意时刻的条纹图案图片进行傅里叶变换轮廓术处理，得到对应时刻水面对应的截断相位差
通过截断相位差
以及相位高度映射公式确定任意时刻全域水面高度h(x,y)。
进一步的，所述步骤S2中，相位高度映射公式的确立方法为：在水槽正上方设置标定平面，标定平面放置于距离水槽底部法线方向Z方向三个不同高度处，标定平面高度范围包含测量高度范围，通过matlab制作正弦条纹图案，将正弦条纹图案投影到水槽底部，获取三个标定平面高度处的条纹图案图片，以及水槽底部条纹图案图片。
进一步的，对获取的三个标定平面高度处的条纹图案图片，以及水槽底部条纹图案图片进行傅里叶变换轮廓术处理，分别得到三个标定平面对应的高度的h1(x,y)、h2(x,y)、h3(x,y)以及对应的截断相位数据
通过相位信息和水位高度之间的关系建立公式：
将h1(x,y)、h2(x,y)、h3(x,y)以及
分别代入
中求得系数a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)，得到相位高度映射公式。
进一步的，所述相位高度映射公式的精度验证方法为：选取已知高度的物体放在水槽底部，通过CCD相机拍摄变形条纹图片以及水槽底部背景条纹图片，对图片进行傅里叶变换轮廓术处理，得到截断相位
根据相位高度映射公式
得到物体的恢复高度h物(x,y)，比较物体实际高度和恢复高度，如果其精度误差在预设误差范围内，说明相位高度映射公式系数a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)适用于此实验条件，如果其精度误差不在预设误差范围内，表示相位高度映射公式系数a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)不适用于此实验条件，需要根据相位高度映射公式的确立方法重新计算相位高度映射公式系数a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)。
进一步的，所述傅里叶变换轮廓术处理得到三个标定平面标定平面对应的截断相位差
的方法为：将三个标定平面的条纹图案图片以及水槽底部背景条纹图片读入matlab，转变为灰度图像，对灰度图像进行图像处理得到三个截断相位差信息。
进一步的，所述图像处理为：对灰度图像进行傅里叶变换，通过傅里叶变换后的图像的曲线斜率的变化得到基频中心位置以及基频宽度，基于基频中心位置以及基频宽度通过高斯滤波器对图片进行滤波处理后再进行逆傅里叶变换，通过逆傅里叶变换得到截断相位信息，对截断相位通过菱形相位展开法进行展开，得到对应的四个相位信息，将三个标定平面展开后的相位分别减去水槽底部条纹图案相位，得到三个截断相位差信息。
进一步的，所述水槽中的水体使用钛白粉染成乳白色。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过采用基于图像处理的非浸入式水深测量方法，对水流的干扰小，通过傅里叶变换轮廓术可以得到实时的三维水面变化，得到全域的水深数据，同时对于设备的要求小，受外界环境的干扰小。
2、本发明采用的测量方法与传统方法相比，操作方便，响应时间快，测量精度能够根据相机性能和测量方法不断优化，能够克服现有方法测量水深只能点状测量、带状测量的问题，且相比现有测量方式获取数据的实时性更强。
附图说明
图1为本发明的水位监测设计方法的流程图；
图2为本发明的条纹投影结构光的光路图；
图3为本发明的原始频率图；
图4为本发明的装置三维图；
图5为本发明的变形条纹示意图；
图6为本发明的恢复高度示意图；
图7为本发明的水槽底部条纹图；
图8为本发明的1s时刻波动水面调制条纹图；
图9为本发明的1s时刻水面波动恢复水面高度示意图；
图10为本发明的5s时刻波动水面调制条纹图；
图11为本发明的5s时刻水面波动恢复水面高度示意图；
图12为本发明的10s时刻波动水面调制条纹图；
图13为本发明的10s时刻水面波动恢复水面高度示意图。
具体实施方式
下面结合本发明的附图1～13，对本发明实施例中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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“逆时针”、“顺时针”“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
基于条纹投影结构光的全域洪水水位实时监测方法，通过CCD相机配合投影仪获取待检测水域不同时刻的条纹图案图片，对不同时刻的条纹图案图片进行处理确定各个时刻全域水面高度ht(x,y)。
进一步的，所述对不同时刻的条纹图案图片进行处理包括：对不同时刻的条纹图案图片进行傅里叶变换轮廓术处理，得到不同时刻水面对应的截断相位差
通过截断相位差
以及相位高度映射公式确定各个时刻全域水面高度ht(x,y)。
进一步的，全域水面高度ht(x,y)的计算公式为：
式中，a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)为系数，通过已知的相位信息和水位高度数据得到a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)。
本方案的工作原理简述：
在本发明中，本实施例提供的实验装置如附图2，主要由实验水槽和图像获取框架组成。实验水槽主要由上下游河道、闸门组成，其中实验水槽长60cm，宽36cm，高30cm，水槽的底面及立面均采用钢化玻璃，为了减少对图像获取的干扰，将实验水槽底面及立面均贴上黑膜。在本实施例中，用一块长36cm的有机玻璃板将实验水槽分为上游和下游，上游长度为15cm，下游长度45cm。在实验过程中上游蓄水至一定高度后迅速抽走有机玻璃板，上下游水体碰撞，以模拟洪水下泄运动。图像获取框架组件主要由相机支架和投影仪支架组成，用于放置CCD相机和投影仪。为了在一定程度上可随意调整CCD相机和投影仪高度和角度，选择具有较大调整范围的支架。其中支架位置根据CCD相机分辨率、投影仪分辨率和拍摄范围合理地进行安排；相机和投影仪的分辨率决定了拍摄范围和CCD相机、投影仪架设高度。其中CCD相机分辨率为2992×2000，投影仪分辨率1920×1080。投影仪距地面高度1.08m，CCD相机距地面高度1.25m；制作标定平面：制作500mm×360mm的标定平面，通过测距装置，将标定平面放置于距离水槽底部法线方向Z方向不同高度处，为后期相位高度映射公式确定做准备；实验中的水体由钛白粉染成乳白色，增加水面漫反射，减少水面折射，并在一定程度上减少镜面反射；制作条纹图案：傅里叶变换轮廓术中对于条纹图案的选择是多样化的，常用的是正弦条纹图案，其中条纹的周期或频率大小要根据实验装置的布置、零频与基频重叠程度、相机分辨率等综合进行考量。其中本实施例中使用的正弦条纹图案频率为
高度和相位信息的变化大致呈线性关系，采用隐式相位高度映射时，不需要测量系统的结构性参数，其中相位信息和高度之间的关系满足：
通过已知的标定平面的信息可以确定拟合系数a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)，进而得到相位高度映射模型。实验预计测量深度范围为z方向150mm。将标定平板垂直放置在距水槽底面一定高度处，其中Z1＝30mm、Z2＝120mm、Z3＝180mm。将正弦条纹图案投影到水槽，打开CCD相机，依次将三个标定平面按顺序分别放至确定位置。从视频中截取标定平面距Z1＝30mm、Z2＝120mm、Z3＝180mm所对应的条纹图案图片和水槽底部背景条纹图片，共四张图片；对上述四张图片进行傅里叶变换轮廓术处理，步骤如下：首先分别将四张变形图片读入matlab，转变为灰度图像；对图片进行傅里叶变换；考虑到一个完整基频分量在频谱图中的总体变化趋势为先上升后下降，所以可以通过曲线斜率的变化来推断基频中心的位置，确定基频中心位置和基频宽度，选择高斯滤波器，对图片进行滤波处理，逆傅里叶变换；对截断相位进行展开，展开的方法有很多，如洪水填充法、菱形相位展开、枝切法、质量图导向法等，本例选取菱形相位展开法得到对应的四个相位信息；将三个标定平面展开后的相位分别减去水槽底部条纹图案相位，得到三个截断相位差信息；分别得到对应高度的截断相位信息
对应于相应的高度h1(x,y)、h2(x,y)、h3(x,y)，根据相位信息和高度之间的关系列出线性方程组
求解系数a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)，选取已知高度为30mm的球冠，放在水槽底部拍摄变形条纹图片与水槽底部背景条纹图片，如附图5，对图片进行傅里叶变换轮廓术处理，相位高度映射公式确定中，得到截断相位差
根据相位高度映射关系式
确定球冠的恢复高度h球(x,y)，如附图6，比较球冠2实际高度和恢复高度，其精度误差为2mm，故确定相位高度映射公式系数a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)适用于此实验条件，可采用此系数进行实验；将水槽上游蓄水至100mm，下游水深保持在20mm，保持仪器位置不变。开启CCD相机，迅速抽走有机玻璃挡板，捕捉水面的动态变化直至水面恢复平稳，然后关闭相机，选取有机玻璃挡板抽走后1s、2s和5s三个时刻的图片，对图片进行傅里叶变换轮廓术处理，步骤如上；相位高度映射公式确定中，得到三个时刻水面对应的截断相位差
根据相位高度映射关系式
确定三个时刻全域水面高度ht＝1(x,y)、ht＝2(x,y)、ht＝5(x,y)，水面高度三维图分别如附图9、附图11、附图13。
基于条纹投影结构光的水位监测设计方法，包括下列步骤：
S1，准备水槽、CCD相机、投影仪，所述水槽底面及侧面均贴上黑膜，并在水槽中上游设置闸门，使用CCD相机捕捉水槽内水面由动态变化至平稳的条纹图案图片，执行步骤S2；
S2，打开水槽闸门，选取水槽闸门开启后任意时刻的条纹图案图片，对任意时刻的条纹图案图片进行傅里叶变换轮廓术处理，得到对应时刻水面对应的截断相位差
通过截断相位差
以及相位高度映射公式确定任意时刻全域水面高度h(x,y)。
进一步的，所述步骤S2中，相位高度映射公式的确立方法为：在水槽正上方设置标定平面，标定平面放置于距离水槽底部法线方向Z方向三个不同高度处，标定平面高度范围包含测量高度范围，通过matlab制作正弦条纹图案，将正弦条纹图案投影到水槽底部，获取三个标定平面高度处的条纹图案图片，以及水槽底部条纹图案图片。
进一步的，对获取的三个标定平面高度处的条纹图案图片，以及水槽底部条纹图案图片进行傅里叶变换轮廓术处理，分别得到三个标定平面对应的高度的h1(x,y)、h2(x,y)、h3(x,y)以及对应的截断相位数据
通过相位信息和水位高度之间的关系建立公式：
将h1(x,y)、h2(x,y)、h3(x,y)以及
分别代入
中求得系数a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)，得到相位高度映射公式。
进一步的，所述相位高度映射公式的精度验证方法为：选取已知高度的物体放在水槽底部，通过CCD相机拍摄变形条纹图片以及水槽底部背景条纹图片，对图片进行傅里叶变换轮廓术处理，得到截断相位
根据相位高度映射公式
得到物体的恢复高度h物(x,y)，比较物体实际高度和恢复高度，如果其精度误差在预设误差范围内，说明相位高度映射公式系数a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)适用于此实验条件，如果其精度误差不在预设误差范围内，表示相位高度映射公式系数a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)不适用于此实验条件，需要根据相位高度映射公式的确立方法重新计算相位高度映射公式系数a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)。
进一步的，所述傅里叶变换轮廓术处理得到三个标定平面对应的截断相位差
的方法为：将三个标定平面的条纹图案图片以及水槽底部背景条纹图片读入matlab，转变为灰度图像，对灰度图像进行图像处理得到三个截断相位差信息。
进一步的，所述图像处理为：对灰度图像进行傅里叶变换，通过傅里叶变换后的图像的曲线斜率的变化得到基频中心位置以及基频宽度，基于基频中心位置以及基频宽度通过高斯滤波器对图片进行滤波处理后再进行逆傅里叶变换，通过逆傅里叶变换得到截断相位信息，对截断相位通过菱形相位展开法进行展开，得到对应的四个相位信息，将三个标定平面展开后的相位分别减去水槽底部条纹图案相位，得到三个截断相位差信息。
进一步的，所述水槽中的水体使用钛白粉染成乳白色。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解所描述的实施例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，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。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 (10)
1.基于条纹投影结构光的全域洪水水位实时监测方法，其特征在于，通过CCD相机配合投影仪获取待检测水域不同时刻的条纹图案图片，对不同时刻的条纹图案图片进行处理确定各个时刻全域水面高度ht(x,y)。
2.根据权利要求1所述的基于条纹投影结构光的全域洪水水位实时监测方法，其特征在于，所述对不同时刻的条纹图案图片进行处理包括：对不同时刻的条纹图案图片进行傅里叶变换轮廓术处理，得到不同时刻水面对应的截断相位差
通过截断相位差
以及相位高度映射公式确定各个时刻全域水面高度ht(x,y)。
3.根据权利要求2所述的基于条纹投影结构光的全域洪水水位实时监测方法，其特征在于，全域水面高度ht(x,y)的计算公式为：
式中，a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)为系数，通过已知的相位信息和水位高度数据得到a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)。
4.基于条纹投影结构光的水位监测设计方法，其特征在于，包括下列步骤：
S1，准备水槽、CCD相机、投影仪，所述水槽底面及侧面均贴上黑膜，并在水槽中上游设置闸门，使用CCD相机捕捉水槽内水面由动态变化至平稳的条纹图案图片，执行步骤S2；
S2，打开水槽闸门，选取水槽闸门开启后任意时刻的条纹图案图片，对任意时刻的条纹图案图片进行傅里叶变换轮廓术处理，得到对应时刻水面对应的截断相位差
通过截断相位差
以及相位高度映射公式确定任意时刻全域水面高度h(x,y)。
5.根据权利要求4所述的基于条纹投影结构光的水位监测设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，相位高度映射公式的确立方法为：在水槽正上方设置标定平面，标定平面放置于距离水槽底部法线方向Z方向三个不同高度处，标定平面高度范围包含测量高度范围，通过matlab制作正弦条纹图案，将正弦条纹图案投影到水槽底部，获取三个标定平面高度处的条纹图案图片，以及水槽底部条纹图案图片。
6.根据权利要求5所述的基于条纹投影结构光的水位监测设计方法，其特征在于，对获取的三个标定平面高度处的条纹图案图片，以及水槽底部条纹图案图片进行傅里叶变换轮廓术处理，分别得到三个标定平面对应的高度的h1(x,y)、h2(x,y)、h3(x,y)以及对应的截断相位数据
通过相位信息和水位高度之间的关系建立公式：
将h1(x,y)、h2(x,y)、h3(x,y)以及
分别代入
中求得系数a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)，得到相位高度映射公式。
7.根据权利要求6所述的基于条纹投影结构光的水位监测设计方法，其特征在于，所述相位高度映射公式的精度验证方法为：选取已知高度的物体放在水槽底部，通过CCD相机拍摄变形条纹图片以及水槽底部背景条纹图片，对图片进行傅里叶变换轮廓术处理，得到截断相位
根据相位高度映射公式
得到物体的恢复高度h物(x,y)，比较物体实际高度和恢复高度，如果其精度误差在预设误差范围内，说明相位高度映射公式系数a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)适用于此实验条件，如果其精度误差不在预设误差范围内，表示相位高度映射公式系数a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)不适用于此实验条件，需要根据相位高度映射公式的确立方法重新计算相位高度映射公式系数a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)。
8.根据权利要求6所述的基于条纹投影结构光的水位监测设计方法，其特征在于，所述傅里叶变换轮廓术处理得到是三个标定平面对应的截断相位差
的方法为：将三个标定平面的条纹图案图片以及水槽底部背景条纹图片读入matlab，转变为灰度图像，对灰度图像进行图像处理得到三个截断相位差信息。
9.根据权利要求8所述的基于条纹投影结构光的水位监测设计方法，其特征在于，所述图像处理为：对灰度图像进行傅里叶变换，通过傅里叶变换后的图像的曲线斜率的变化得到基频中心位置以及基频宽度，基于基频中心位置以及基频宽度通过高斯滤波器对图片进行滤波处理后再进行逆傅里叶变换，通过逆傅里叶变换得到截断相位信息，对截断相位通过菱形相位展开法进行展开，得到对应的四个相位信息，将三个标定平面展开后的相位分别减去水槽底部条纹图案相位，得到三个截断相位差信息。
10.根据权利要求4所述的基于条纹投影结构光的水位监测设计方法，其特征在于，所述水槽中的水体使用钛白粉染成乳白色。
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