CN113689473B - 基于变分原理的河道表面流速计算方法及装置 - Google Patents

基于变分原理的河道表面流速计算方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供基于变分原理的河道表面流速计算方法及装置，获取目标区域图像并进行处理，通过非接触的方式并且以较高的精度得到目标区域流场数据。步骤1.初次测流前的准备；步骤2.通过图像获取装置对河道进行视频采集，将采集获取的影像序列中流体的像素流场的运动转化为求解能量泛函极值问题；求解偏微分方程得到像素流场分布数据，像素流场分布数据包含河道像素点的运动方向和速度；步骤3.根据步骤2计算得到的数据和步骤1确定的变换关系，得到像素点在世界坐标系下的空间坐标，进一步计算得到流速。

Description

基于变分原理的河道表面流速计算方法及装置
技术领域
本发明属于图像数据处理领域，具体涉及基于变分原理的河道表面流速计算方法及装置。
背景技术
水文测验是一项国家重要的基础工作，河道流量测验作为水文测验的重要组成部分。随着社会需求急剧扩大，信息化水平飞速提高，河道流量测验需要满足自动化、智能化和在线化的要求。河道流量测验实现在线测验的关键在于河道断面流速的在线计算。目前传统接触式测量手段难以实现河道断面流速的实时在线计算，非接触式的视频测流方式提供了河道断面流速实时在线计算的解决方案。
目前接触式测流的方式主要有转子流速仪和声学多普勒流速剖面仪，存在的问题首先在于受限于环境，需要配备相应的测验基础设施如缆道等，其次在洪水期间可能会对测验的人员带来相当的危险，第三接触式测流仪器一般造价贵，成本高。非接触式测流主要有雷达测流方法和视频图像测流方法。雷达测流受限于安装的位置较为严格，不同量级的流速所要求雷达相对水面的最小距离，角度不尽相同。视频测流方法主要有时空演算法(Space-Time Image Velocimetry，STIV)，根据图像的亮度信息来计算水流动态，能在没有漂浮物的情况下计算表面流速，但只能获取一个维度方向上的速度，且在紊动强度较大的情况下效果不佳。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供基于变分原理的河道表面流速计算方法及装置，能够通过非接触的方式并且以较高的精度获取目标流场。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
本发明提供基于变分原理的河道表面流速计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.初次测流前的准备：
根据现场环境的特点，于河道的左右岸坡处设置多个标定牌，采用测量设备测量标定牌的坐标并记录；
设置图像获取装置，调整拍摄角度和焦距使得视野能涵盖范围内的标定牌和河道中流体的运动；
基于标定牌的位置确定图像序列三维坐标点到图像像素点坐标的变换关系；
步骤2. 通过图像获取装置对河道进行视频采集，将采集获取到的影像序列中流体的像素流场的运动估计转化为求解如下能量泛函极值问题；
Figure 223690DEST_PATH_IMAGE001
(1)
式中，i表示图像中第i行的像素集合，j表示图像中第j列的像素集合，t为图像的 拍摄时间，ω(i,j)表示待求解的像素流场分布，I=I(i,j,t)表示拍摄的影像序列，D为扩散 系数；▽为梯度算子，Δ为拉普拉斯算子，α为权重系数；
Figure 203148DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 298665DEST_PATH_IMAGE003
分别为针对流场和梯度的函 数(Scoring function)；目标泛函的一般形式为：
Figure 756191DEST_PATH_IMAGE004
(2)
求解以上能量泛函极值问题得到像素流场分布ω(i,j)；
步骤3. 根据步骤2计算得到的像素流场分布ω(i,j)数据和步骤1确定的变换关 系，得到像素点在世界坐标系下的空间坐标，进一步得到流速
Figure 429618DEST_PATH_IMAGE005
，式中d为ω中的流速 矢量经过投影到世界坐标下的长度，Δt为计算影像之间帧差时间。
优选地，本发明提供的基于变分原理的河道表面流速计算方法，还可以具有这样的特征：在步骤1中，首先对测流地点进行考察，选择的位置应具有足够的视野以观测到河道的80%以上的区域；配置好视频录制、传输所需要的供电的基础设施。
优选地，本发明提供的基于变分原理的河道表面流速计算方法，还可以具有这样的特征：在步骤1中，像素点的坐标为(i,j)，三维空间中对应点的坐标为(x,y,z)，相机标定的第n个待定参数记为l n ；根据下列变换公式进行计算：
Figure 314398DEST_PATH_IMAGE006
(3)
以
Figure 879633DEST_PATH_IMAGE007
表示将像素坐标投影到世界坐标的映射，以
Figure 140851DEST_PATH_IMAGE008
表示将世界坐标投影到像素坐标的映射，通过预设标志牌所对应的位置坐标求解上述方程 即可得到图像序列三维坐标点到图像像素点坐标的变换关系。
优选地，本发明提供的基于变分原理的河道表面流速计算方法，还可以具有这样的特征：在步骤1中，标志牌应不少于6个。
优选地，本发明提供的基于变分原理的河道表面流速计算方法，还可以具有这样的特征：在步骤1中，通过相机对河道进行拍摄，通过桥接设备传输至PC终端进行初步审核，检查视频的帧数、是否有破损帧，将符合要求的视频序列转入预处理阶段，不符合的予以删除。
优选地，本发明提供的基于变分原理的河道表面流速计算方法，还可以具有这样 的特征：在步骤2中，以
Figure 137625DEST_PATH_IMAGE009
所示的二次罚项为例，流速场对应的欧拉-拉格朗日 方程为：
Figure 193306DEST_PATH_IMAGE010
(4)
针对图像I，以u表示水平方向的坐标，以v表示竖直向下方向的坐标，对于数值的离散，I的梯度的离散格式为：
Figure 714680DEST_PATH_IMAGE011
(5)
Figure 514008DEST_PATH_IMAGE012
(6)
式中，w表示图像的宽度，h表示图像的高度；
式(4)所示的偏微分方程组可以通过式(7)所示的梯度下降流进行迭代求解直至收敛，反演出河道像素点的运动方向和速度：
Figure 896448DEST_PATH_IMAGE013
(7)
式中，θ为步长参数，k表示当前迭代的轮次。另外，针对有限差分，还可以通过中心差分，后向差分等方法进行离散。除了有限差分之外，也可以通过有限体积，有限元等，对偶优化等方法进行对偏微分方程(1)进行求解。
进一步，本发明还提供基于变分原理的河道表面流速计算装置，其特征在于，包括：
变换关系获取部，通过视野能涵盖范围内的标定牌和河道中流体的运动的图像获取装置获取和记录标定牌的坐标，然后基于标定牌的位置确定图像序列三维坐标点到图像像素点坐标的变换关系；
求解部，通过图像获取装置对河道进行视频采集，将采集获取的影像序列中流体的像素流场的运动转化为求解如下能量泛函极值问题；
Figure 388609DEST_PATH_IMAGE001
(1)
式中，i表示图像中第i行的像素集合，j表示图像中第j列的像素集合，t为图像的 拍摄时间，ω(i,j)表示待求解的像素流场分布，I=I(i,j,t)表示拍摄的影像序列，D为扩散 系数；▽为梯度算子，Δ为拉普拉斯算子，α为权重系数；
Figure 928437DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 265878DEST_PATH_IMAGE003
分别为针对流场和梯度的函 数；目标泛函的一般形式为：
Figure 971666DEST_PATH_IMAGE004
(2)
求解后得到像素流场分布ω(i,j)；
流速计算部，根据求解部的求解结果和变换关系获取部确定的变换关系，得到像 素点在世界坐标系下的空间坐标，计算得到流速
Figure 369149DEST_PATH_IMAGE005
，式中d为ω中的流速矢量经过投 影到世界坐标下的长度，Δt为计算影像之间帧差时间；以及
控制部，与变换关系获取部、求解部和流速计算部通信相连，并控制它们的运行。
优选地，本发明所提供的基于变分原理的河道表面流速计算装置，还可以具有这样的特征：输入显示部，与变换关系获取部、求解部、流速计算部和控制部均通信相连，用于让用户输入操作指令，并进行相应显示。
优选地，本发明所提供的基于变分原理的河道表面流速计算装置，还可以具有这样的特征：在变换关系获取部中，记图像中的像素点的坐标为(i,j)，三维空间中对应点的坐标为(x,y,z)，相机标定的第n个待定参数记为l n ；根据下列变换公式进行计算：
Figure 921572DEST_PATH_IMAGE006
(3)
以
Figure 797124DEST_PATH_IMAGE007
表示将像素坐标投影到世界坐标的映射，以
Figure 357418DEST_PATH_IMAGE008
表示将世界坐标投影到像素坐标的映射，通过预设标志牌所对应的位置坐标求解上述方程 即可得到图像序列三维坐标点到图像像素点坐标的变换关系。
优选地，本发明所提供的基于变分原理的河道表面流速计算装置，还可以具有这样的特征，在求解部中，流速场对应的欧拉-拉格朗日方程为：
Figure 863486DEST_PATH_IMAGE010
(4)
针对图像I，以u表示水平方向的坐标，以v表示竖直向下方向的坐标，对于数值的离散，I的梯度的离散格式为：
Figure 876442DEST_PATH_IMAGE014
(5)
Figure 57149DEST_PATH_IMAGE015
(6)
式中，w表示图像的宽度，h表示图像的高度；
式(4)所示的偏微分方程组可以通过式(7)所示的梯度下降流进行迭代求解直至收敛，反演出河道像素点的运动方向和速度：
Figure 471950DEST_PATH_IMAGE013
(7)
式中，θ为步长参数，k表示当前迭代的轮次。另外，针对有限差分，还可以通过中心差分，后向差分等方法进行离散。除了有限差分之外，也可以通过有限体积，有限元等，对偶优化等方法进行求解。
本发明所提供的基于变分原理的河道表面流速计算方法及装置，从流体的运动方程出发，考虑了流体运动的先验信息，基于光滑性假设构建对应的能量泛函，在此基础上构建基于多尺度和变形理论的流体表面流速方法，通过预先设置的辅助标定设施建立像素空间对应关系之后，即可快速准确的获得流体表面流场的信息。可以为现代化水文监测，水资源精细化管理提供新的思路和途径。
附图说明
图 1 为本发明涉及的基于变分原理的河道表面流速计算方法的流程图。
图 2 为本发明涉及的相机标定示意图；
图 3 为本发明涉及的像素流场示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明涉及的基于变分原理的河道表面流速计算方法及装置的具体实施方案进行详细地说明。
如图1所示，本实施例提供的基于变分原理的河道表面流速计算方法，可分为初次测流之前标定的前期准备、河道视频采集、河道表面流速计算三个部分，具体包括如下步骤：
步骤1. 初次测流前的准备：
1.1) 初次测流之前的前期准备。首先对测流地点进行考察，选择的位置应具有足够的视野以足以观测到河道的80%以上的区域，同时应避开容易对设备造成损害的环境。配置好视频录制、传输所需要的供电、传输等基础设施。基础设施包含用于高清相机，电源，固定载具等；用于传输数据的桥接设备；远端PC设备以及用于标定的指示牌和测量仪器。测流之前使用如全站仪等测量仪器进行相关的标定定位处理。
1.2) 根据现场环境的特点，于河道的左右岸坡处设置不少于6个的标定牌，标定牌采用高对比度的标志进行设计。摆放合适之后的标定牌采用全站仪等测量设备测量标定牌的坐标并记录。
1.3) 河道视频采集。将摄像头架在拍摄的固定平台之后，调整好合适的拍摄角度之后调整焦距使得视野能涵盖范围内的标定牌和河道中流体的运动。通过相机对河道进行拍摄，通过桥接设备传输至PC终端进行初步审核，检查视频的帧数、是否有破损帧。符合要求的视频序列转入预处理阶段，不符合的予以删除。
1.4) 进行现场标定。得到世界坐标与像素坐标之间的转换矩阵和对应关系。
为了确定像素点的坐标与三维坐标的对应关系，确定摄像机模型内部与外部的参数，引入DLT线性变换方法。在现场设置至少6个标定牌，保证在视野中清晰可见如图2所示。记图像中的像素点的坐标为(i,j)，其中i表示图像中第i行的像素集合，j表示图像中第j列的像素集合。三维空间中对应点的坐标为(x,y,z)，相机标定的第n个待定参数记为l n 。根据如下变换公式进行计算。
Figure 273553DEST_PATH_IMAGE006
为了方便介绍，下面以
Figure 773804DEST_PATH_IMAGE007
表示将像素坐标投影到世界坐标的映射。 以
Figure 758203DEST_PATH_IMAGE008
表示将世界坐标投影到像素坐标的映射。通过如预设的至少6个标定 点求解上述方程即可完成图像序列三维坐标点到图像像素点坐标的变换。
步骤2. 通过图像获取装置对河道进行视频采集，将采集获取的影像序列中流体的像素流场的运动估计转化为求解如下能量泛函极值问题；
Figure 27511DEST_PATH_IMAGE001
其中，i表示图像中第i行的像素集合，j表示图像中第j列的像素集合，t为图像的 拍摄时间，ω(i,j)表示待求解的像素流场分布，I=I(i,j,t)表示拍摄的影像序列，D为扩散 系数。▽为梯度算子，Δ为拉普拉斯算子，α为权重系数。
Figure 203277DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 862928DEST_PATH_IMAGE003
分别为针对流场和梯度的函 数，可选择平方函数，Huber函数等。下面以
Figure 883974DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 509253DEST_PATH_IMAGE003
为L 2 范数的情况进行介绍，其他类似的损 失函数组合类似。此时目标泛函的形式为：
Figure 652658DEST_PATH_IMAGE004
流速场对应的欧拉-拉格朗日方程为：
Figure 127502DEST_PATH_IMAGE010
以梯度下降数值为例，求解能量泛函极值问题得到像素流场分布ω(i,j)。针对图像I，以u表示水平方向的坐标，以v表示竖直向下方向的坐标，对于数值的离散，以有限差分为例，I的梯度的离散格式为：
Figure 952238DEST_PATH_IMAGE011
Figure 868242DEST_PATH_IMAGE015
通过如下的迭代格式进行迭代求解直至收敛，其中θ为步长参数。求解的像素流场结果如图3所示，反演出了河道像素点的运动方向和速度。
Figure 615837DEST_PATH_IMAGE013
式中，θ为步长参数，w表示图像的宽度，h表示图像的高度，k表示当前迭代的轮次。
步骤3. 流速计算：
在得到步骤2中计算的像素流速场之后，结合步骤1.4中的世界坐标系与像素坐标 系之间的投影关系，进行投影变换，
Figure 577977DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 940825DEST_PATH_IMAGE007
。得到像素点在世 界坐标系下的空间坐标，进一步可以得到流速
Figure 304810DEST_PATH_IMAGE005
，其中v为流速，单位为m/s。d为ω中 的流速矢量经过投影到世界坐标下的长度，单位为m。Δt为计算影像之间帧差时间，单位为 s。
进一步，本实施例还提供能够自动实现上述方法的河道表面流速计算装置，该装置包括变换关系获取部、求解部、流速计算部、输入显示部、控制部。
变换关系获取部通过视野能涵盖范围内的标定牌（标定点）和河道中流体的运动的图像获取装置获取和记录标定牌的坐标，然后基于标定牌的位置确定图像序列三维坐标点到图像像素点坐标的变换关系。
具体地，记图像中的像素点的坐标为(i,j)，其中i表示图像中第i行的像素集合，j表示图像中第j列的像素集合。三维空间中对应点的坐标为(x,y,z)，相机标定的第n个待定参数记为l n 。根据如下变换公式进行计算。
Figure 25904DEST_PATH_IMAGE016
以
Figure 475340DEST_PATH_IMAGE007
表示将像素坐标投影到世界坐标的映射，以
Figure 641879DEST_PATH_IMAGE008
表示将世界坐标投影到像素坐标的映射。通过预设的至少6个标定点求解上述方程即可完 成图像序列三维坐标点到图像像素点坐标的变换。
求解部通过图像获取装置对河道进行视频采集，将采集获取的影像序列中流体的像素流场的运动转化为求解如下能量泛函极值问题；
Figure 594791DEST_PATH_IMAGE001
式中，ω(i,j)表示待求解的像素流场分布，I=I(i,j,t)表示拍摄的影像序列，D为 扩散系数；▽为梯度算子，Δ为拉普拉斯算子，α为权重系数；
Figure 126267DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 298884DEST_PATH_IMAGE003
分别为针对流场和梯度 的函数；目标泛函的一般形式为：
Figure 534694DEST_PATH_IMAGE004
求解后得到像素流场分布ω(i,j)。具体地，流速场对应的欧拉-拉格朗日方程为：
Figure 342113DEST_PATH_IMAGE010
针对图像I，以u表示水平方向的坐标，以v表示竖直向下方向的坐标，对于数值的离散，I的梯度的离散格式为：
Figure 372386DEST_PATH_IMAGE014
Figure 32299DEST_PATH_IMAGE015
式中，w表示图像的宽度，h表示图像的高度；
通过下式进行迭代求解直至收敛，反演出河道像素点的运动方向和速度：
Figure 602958DEST_PATH_IMAGE013
式中，θ为步长，k表示当前迭代的轮次。
流速计算部根据求解部求解的结果和变换关系获取部确定的变换关系，得到像素 点在世界坐标系下的空间坐标，进而计算得到流速
Figure 530463DEST_PATH_IMAGE005
，式中d为ω中的流速矢量经过 投影到世界坐标下的长度，Δt为计算影像之间帧差时间；
输入显示部与变换关系获取部、求解部、流速计算部和控制部均通信相连，用于让用户输入操作指令，并进行相应显示。
控制部与变换关系获取部、求解部、流速计算部和输入显示部均通信相连，控制它们的运行。
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的基于变分原理的河道表面流速计算方法及装置并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种基于变分原理的河道表面流速计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.初次测流前的准备：
根据现场环境的特点，于河道的左右岸坡处设置多个标定牌，采用测量设备测量标定牌的坐标并记录，标定牌应不少于6个；
设置图像获取装置，调整拍摄角度和焦距使得视野能涵盖范围内的标定牌和河道中流体的运动；
基于标定牌的位置确定图像序列三维坐标点到图像像素点坐标的变换关系；
步骤2.通过图像获取装置对河道进行视频采集，将采集获取的影像序列中流体的像素流场的运动转化为求解如下能量泛函极值问题；
Figure FDA0003389124240000011
式中，i表示图像中第i行的像素集合，j表示图像中第j列的像素集合，t为图像的拍摄时间，ω(i,j)表示待求解的像素流场分布，I＝I(i,j,t)表示拍摄的影像序列，D为扩散系数；▽为梯度算子，Δ为拉普拉斯算子，α为权重系数；φ，φ分别为针对流场和梯度的函数；目标泛函的一般形式为：
Figure FDA0003389124240000012
求解后得到像素流场分布ω(i,j)；
步骤3.根据步骤2计算得到的像素流场分布ω(i,j)数据和步骤1确定的变换关系，得到像素点在世界坐标系下的空间坐标，进一步得到流速
Figure FDA0003389124240000013
式中d为ω中的流速矢量经过投影到世界坐标下的长度，Δt为计算影像之间帧差时间。
2.根据权利要求1所述的基于变分原理的河道表面流速计算方法，其特征在于：
其中，在步骤1中，首先对测流地点进行考察，选择的位置应具有足够的视野以观测到河道的80％以上的区域；配置好视频录制、传输所需要的供电的基础设施。
3.根据权利要求1所述的基于变分原理的河道表面流速计算方法，其特征在于：
其中，在步骤1中，记图像中的像素点的坐标为(i,j)，三维空间中对应点的坐标为(x,y,z)，相机标定的第n个待定参数记为ln；根据下列变换公式进行计算：
Figure FDA0003389124240000021
以
Figure FDA0003389124240000022
表示将像素坐标投影到世界坐标的映射，以
Figure FDA0003389124240000023
表示将世界坐标投影到像素坐标的映射，通过预设标志牌所对应的位置坐标求解上述方程即可得到图像序列三维坐标点到图像像素点坐标的变换关系。
4.根据权利要求1所述的基于变分原理的河道表面流速计算方法，其特征在于：
其中，在步骤1中，标志牌应不少于6个。
5.根据权利要求1所述的基于变分原理的河道表面流速计算方法，其特征在于：
其中，在步骤1中，通过相机对河道进行拍摄，通过桥接设备传输至PC终端进行初步审核，检查视频的帧数、是否有破损帧，将符合要求的视频序列转入预处理阶段，不符合的予以删除。
6.根据权利要求1所述的基于变分原理的河道表面流速计算方法，其特征在于：
其中，在步骤2中，流速场对应的欧拉-拉格朗日方程为：
Figure FDA0003389124240000024
针对图像I，以u表示水平方向的坐标，以v表示竖直向下方向的坐标，对于数值的离散，I的梯度的离散格式为：
Figure FDA0003389124240000025
Figure FDA0003389124240000026
式中，w表示图像的宽度，h表示图像的高度；
将式(4)所示的偏微分方程组通过式(7)进行迭代求解直至收敛，反演出河道像素点的运动方向和速度：
Figure FDA0003389124240000031
式中，θ为步长参数，k表示当前迭代的轮次。
7.基于变分原理的河道表面流速计算装置，其特征在于，包括：
变换关系获取部，通过视野能涵盖范围内的标定牌和河道中流体的运动的图像获取装置获取和记录标定牌的坐标，然后基于标定牌的位置确定图像序列三维坐标点到图像像素点坐标的变换关系；
求解部，通过图像获取装置对河道进行视频采集，将采集获取的影像序列中流体的像素流场的运动转化为求解如下能量泛函极值问题；
Figure FDA0003389124240000032
式中，i表示图像中第i行的像素集合，j表示图像中第j列的像素集合，t为图像的拍摄时间，ω(i,j)表示待求解的像素流场分布，I＝I(i,j,t)表示拍摄的影像序列，D为扩散系数；▽为梯度算子，Δ为拉普拉斯算子，α为权重系数；φ，φ分别为针对流场和梯度的函数；目标泛函的一般形式为：
Figure FDA0003389124240000033
求解后得到像素流场分布ω(i,j)；
流速计算部，根据所述求解部的求解结果和所述变换关系获取部确定的变换关系，得到像素点在世界坐标系下的空间坐标，计算得到流速
Figure FDA0003389124240000034
式中d为ω中的流速矢量经过投影到世界坐标下的长度，Δt为计算影像之间帧差时间；以及
控制部，与所述变换关系获取部、所述求解部和所述流速计算部均通信相连，并控制它们的运行。
8.根据权利要求7所述的基于变分原理的河道表面流速计算装置，其特征在于：
其中，在所述变换关系获取部中，记图像中的像素点的坐标为(i,j)；三维空间中对应点的坐标为(x,y,z)，相机标定的第n个待定参数记为ln；根据下列变换公式进行计算：
Figure FDA0003389124240000041
以
Figure FDA0003389124240000042
表示将像素坐标投影到世界坐标的映射，以
Figure FDA0003389124240000043
表示将世界坐标投影到像素坐标的映射，通过预设标志牌所对应的位置坐标求解上述方程即可得到图像序列三维坐标点到图像像素点坐标的变换关系。
9.根据权利要求7所述的基于变分原理的河道表面流速计算装置，其特征在于：
其中，在所述求解部中，流速场对应的欧拉-拉格朗日方程为：
Figure FDA0003389124240000044
针对图像I，以u表示水平方向的坐标，以v表示竖直向下方向的坐标，对于数值的离散，I的梯度的离散格式为：
Figure FDA0003389124240000045
Figure FDA0003389124240000046
式中，w表示图像的宽度，h表示图像的高度；
将式(4)所示的偏微分方程组通过式(7)进行迭代求解直至收敛，反演出河道像素点的运动方向和速度：
Figure FDA0003389124240000047
式中，θ为步长参数，k表示当前迭代的轮次。
10.根据权利要求7所述的基于变分原理的河道表面流速计算装置，其特征在于，还包括：
输入显示部，与所述变换关系获取部、所述求解部、所述流速计算部和所述控制部均通信相连，用于让用户输入操作指令，并进行相应显示。
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