CN113847906A - 一种基于视觉边缘检测的实验室空间波浪实时测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于视觉边缘检测的实验室空间波浪实时测量方法，包括以下步骤：S1：对摄像机进行标定；S2：通过摄像机拍摄波浪运动下的波面图像，将波面图像发送到数字信号处理系统；S3：数字信号处理系统对接收到的波面图像进行视觉边缘检测；S4：数字信号处理系统对波面图像中的水位线和波面特征进行检测；S5：数字信号处理系统对检测到的水位特征进行坐标转换；S6：将水坐标转换结果进行存储，并且实时显示在波面识别显示界面上。本发明所述的一种基于视觉边缘检测的实验室空间波浪实时测量方法解决了现有测量技术无法对波浪的运动既实现空间波面的实时检测又实现水位的实时测量的问题。

Description

一种基于视觉边缘检测的实验室空间波浪实时测量方法
技术领域
本发明属于海洋工程领域，尤其是涉及一种基于视觉边缘检测的实验室空间波浪实时测量方法。
背景技术
为研究水工实验中波浪要素的特性，当前，国内外相关研究部门需要采取措施来监测实验室的波浪运动，常用的波浪运动测量方法主要包括人工目视观测、视频监测、波高传感器等传感装置接触测量等。人工目视观测可用来简单大致观测水位和波面变化，但此方法耗时费力且观测准确性欠缺，难以在实验和工程中广泛应用；视频监测可远程观测波浪运动，但只能对波浪运动的视频进行实时观测和录制，无法实时的记录水位的高度和波面特征；波高传感器、超声波液位计、雷达液位计等电子装置通过对电信号或声信号的转化可实时测量出水位和波高的变化，但是无法获得波浪的空间形态。上述几种方法在波浪的运动观测中都较为常用，但是均未能够对空间的波浪运动实现实时自动的测量。
近年来，计算机视觉技术和图形处理技术凭借着精度高、效率高、成本低廉等优势得到了高速的发展。越来越多的研究人员开始将计算机视觉技术应用到波浪运动的研究领域。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种基于视觉边缘检测的实验室空间波浪实时测量方法以解决现有测量技术无法对波浪的运动既实现空间波面的实时检测又实现水位的实时测量的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于视觉边缘检测的实验室空间波浪实时测量方法，包括以下步骤：
S1：对摄像机进行标定；
S2：通过摄像机拍摄波浪运动下的波面图像，将波面图像发送到数字信号处理系统；
S3：数字信号处理系统对接收到的波面图像进行视觉边缘检测；
S4：数字信号处理系统对波面图像中的水位线和波面特征进行检测；
S5：数字信号处理系统对检测到的水位特征进行坐标转换；
S6：将水坐标转换结果进行存储，并且实时显示在波面识别显示界面上。
进一步的，步骤S1对摄像机进行标定的方法为张正友标定方法。
进一步的，步骤S3所述的视觉边缘检测包括以下步骤：
S31：采用小波变换对所采集波面图像进行滤波去噪，得到去噪后的波面图像A；
S32：对滤波去噪后的波面图像A进行二值化处理，从而突出图像的空间波面特征；
S33：对二值化处理后的波面图像进行高斯滤波，得到平滑的波面图像 B；
S34：通过平滑的波面图像B计算波面图像B的梯度值和梯度方向，获取波面图像B的轮廓特征；
S35：根据步骤S34中梯度计算得到的梯度方向，对波面图像B的中的所有点进行遍历，每个点均设定成一次中心点，在所述梯度方向上比较中心点和其他像素点的梯度值大小，若中心点梯度值最大，则保留中心点，否则舍去该点，从而获取较为细化的轮廓边缘；
S36：设置高低两个阈值，如果中心像素点或中心像素点邻域内存在一点大于高阈值，则判断该点为波面图像B的边缘点并对其进行保留，否则舍去该点，从而得到更为细致的边缘轮廓。
进一步的，步骤S34获取波面图像B的轮廓特征的方法如下：
S341：通过Sobel水平边缘检测算子对波面图像B进行滤波，得到波面图像B水平方向上的梯度值Gx；
S342：通过Sobel垂直边缘检测算子对波面图像B进行滤波，得到波面图像B垂直方向上的梯度值Gy；
S343：根据勾股定理计算波面图像的梯度值大小为:
Figure RE-GDA0003382869600000031
梯度方向为：
Figure RE-GDA0003382869600000032
从而获取波面图像B的轮廓特征。
进一步的，步骤S4所述的水位线和波面特征检测是通过在图像坐标系的原点处，对波面图像的轮廓特征进行自上而下的遍历，当扫描到水位时，从左往右依次获取整条水位线数据信息，进而获取波面的轮廓特征。
进一步的，步骤5所述的坐标转换方法包括以下步骤：
S51：实验前在水槽的墙壁上沿竖直方向喷涂刻度尺，刻度尺的量程包含波浪运动的范围；
S52：在波面图像上获取刻度尺最高点的像素纵坐标值x1，该点的实际高度值y1，获取刻度尺最低点的像素纵坐标值x2，该点的实际高度值y2，
y1＝kx1+b
对一下方程式进行计算y2＝kx2+b，得到常数b、常数k，得到坐标转换函数y＝kx+b；
S53：将采集到的波面图像上特征点像素高度x带入到坐标转换函数中，从而计算得到实际高度值y，完成坐标转换。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用图像处理技术中的边缘检测方法，实现对波面视频图像的分割，可实时获取波浪运动的空间形态和水位的高度，克服了传统测量方法中难以确定波浪运动的空间形态信息；
(2)本发明提供了一种基于视觉边缘检测的实验室水槽空间波浪测量方法，通过实验室水槽墙壁上喷涂的刻度尺，可以将波面图像上的水位值转化成实际中的水位值；
(3)本发明提供的一种基于视觉边缘检测的实验室水槽空间波浪测量方法可实时识别水位，在视频图像中定点显示水位实际高度。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种基于视觉边缘检测的实验室空间波浪实时测量方法示意图；
图2为本发明实施例所述的一种基于视觉边缘检测的实验室水槽空间波浪实时测量方法的实验布置图。
附图标记说明：
1、刻度尺；2、水位线；3、空间波面形态；4、摄像机；5、视觉边缘检测数字信号处理系统。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“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和简化描述，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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，一种基于视觉边缘检测的实验室空间波浪实时测量方法，包括以下步骤：
S1：对摄像机4进行标定；
S2：通过摄像机4拍摄波浪运动下的波面图像，将波面图像发送到数字信号处理系统；
S3：数字信号处理系统对接收到的波面图像进行视觉边缘检测；
S4：数字信号处理系统对波面图像中的水位线2和波面特征进行检测；
S5：数字信号处理系统对检测到的水位特征进行坐标转换；
S6：将水坐标转换结果进行存储，并且实时显示在波面识别显示界面上。
步骤S1所述的标定方法为张正友标定法。
步骤S3所述的视觉边缘检测包括以下步骤：
S31：采用小波变换对所采集波面图像进行滤波去噪，得到去噪后的波面图像A；
S32：对滤波去噪后的波面图像A进行二值化处理，从而突出图像的空间波面特征；
S33：对二值化处理后的波面图像进行高斯滤波，得到平滑的波面图像B；
S34：通过平滑的波面图像B计算波面图像B的梯度值和梯度方向，获取波面图像B的轮廓特征；
S35：根据步骤S34中梯度计算得到的梯度方向，对波面图像B的中的所有点进行遍历，每个点均设定成一次中心点，在所述梯度方向上比较中心点和其他像素点的梯度值大小，若中心点梯度值最大，则保留中心点，否则舍去该点，从而获取较为细化的轮廓边缘；
S36：设置高低两个阈值，如果中心像素点或中心像素点邻域内存在一点大于高阈值，则判断该点为波面图像B的边缘点并对其进行保留，否则舍去该点，从而得到更为细致的边缘轮廓。
进一步的，步骤S34获取波面图像B的轮廓特征的方法如下：
S341：通过Sobel水平边缘检测算子对波面图像B进行滤波，得到波面图像B水平方向上的梯度值Gx；
S342：通过Sobel垂直边缘检测算子对波面图像B进行滤波，得到波面图像B垂直方向上的梯度值Gy；
S343：根据勾股定理计算波面图像的梯度值大小为:，梯度方向为：，从而获取波面图像B的轮廓特征。
步骤S4所述的水位线2和波面特征检测是通过在图像坐标系的原点处，对波面图像的轮廓特征进行自上而下的遍历，当扫描到水位时，从左往右依次获取整条水位线2数据信息，进而获取波面的轮廓特征。
步骤5所述的坐标转换方法包括以下步骤：
S51：实验前在水槽的墙壁上沿竖直方向喷涂刻度尺1，刻度尺1的量程包含波浪运动的范围；
S52：在波面图像上获取刻度尺1最高点的像素纵坐标值，该点的实际高度值，获取刻度尺1最低点的像素纵坐标值，该点的实际高度值，对一下方程式进行计算，得到常数b、常数k，得到坐标转换函数；
S53：将采集到的波面图像上特征点像素高度x带入到坐标转换函数中，从而计算得到实际高度值y，完成坐标转换。
实验室水槽全长456米，宽5米，深8～12米，其中造波段长为42米，试验段116米，生波段和消能段共298米。本发明在试验段共设置8台摄像机4，每台摄像机4相对的水槽墙壁均喷涂一根刻度尺1，刻度尺1分度值为2cm，数码摄像机4设置于水槽一侧顶端,使得水位线2位置在图像画面上居中，保证摄像机4可以将波面形态和水槽墙壁上的标尺信息都采集到，所述视觉边缘检测的数字信号处理系统将采集的图像进行边缘检测处理，将检测结果保存并实时显示在视频图像中。所述视觉边缘检测的数字信号处理系统对单帧波面图片的处理速度约36毫秒，测量精度4mm，可满足水槽实验室实时测量的速度要求和精度要求。
本发明采用图像处理技术中的边缘检测方法，实现对波面视频图像的分割，可实时获取波浪运动的空间形态和水位的高度，克服了传统测量方法中难以确定波浪运动的空间形态信息；
本发明提供了一种基于视觉边缘检测的实验室水槽空间波浪测量方法，通过实验室水槽墙壁上喷涂的刻度尺1，可以将波面图像上的水位值转化成实际中的水位值；
本发明提供的一种基于视觉边缘检测的实验室水槽空间波浪测量方法可实时识别水位，在视频图像中定点显示水位实际高度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于视觉边缘检测的实验室空间波浪实时测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：对摄像机进行标定；
S2：通过摄像机拍摄波浪运动下的波面图像，将波面图像发送到数字信号处理系统；
S3：数字信号处理系统对接收到的波面图像进行视觉边缘检测；
S4：数字信号处理系统对波面图像中的水位线和波面特征进行检测；
S5：数字信号处理系统对检测到的水位特征进行坐标转换；
S6：将水坐标转换结果进行存储，并且实时显示在波面识别显示界面上。
2.根据权利要求1所述的一种基于视觉边缘检测的实验室空间波浪实时测量方法，其特征在于：步骤S1对摄像机进行标定的方法为张正友标定方法。
3.根据权利要求1所述的一种基于视觉边缘检测的实验室空间波浪实时测量方法，其特征在于：步骤S3所述的视觉边缘检测包括以下步骤：
S31：采用小波变换对所采集波面图像进行滤波去噪，得到去噪后的波面图像A；
S32：对滤波去噪后的波面图像A进行二值化处理，从而突出图像的空间波面特征；
S33：对二值化处理后的波面图像进行高斯滤波，得到平滑的波面图像B；
S34：通过平滑的波面图像B计算波面图像B的梯度值和梯度方向，获取波面图像B的轮廓特征；
S35：根据步骤S34中梯度计算得到的梯度方向，对波面图像B的中的所有点进行遍历，每个点均设定成一次中心点，在所述梯度方向上比较中心点和其他像素点的梯度值大小，若中心点梯度值最大，则保留中心点，否则舍去该点，从而获取较为细化的轮廓边缘；
S36：设置高低两个阈值，如果中心像素点或中心像素点邻域内存在一点大于高阈值，则判断该点为波面图像B的边缘点并对其进行保留，否则舍去该点，从而得到更为细致的边缘轮廓。
4.根据权利要求3所述的一种基于视觉边缘检测的实验室空间波浪实时测量方法，其特征在于：步骤S34获取波面图像B的轮廓特征的方法如下：
S341：通过Sobel水平边缘检测算子对波面图像B进行滤波，得到波面图像B水平方向上的梯度值Gx；
S342：通过Sobel垂直边缘检测算子对波面图像B进行滤波，得到波面图像B垂直方向上的梯度值Gy；
S343：根据勾股定理计算波面图像的梯度值大小为:
Figure FDA0003257086690000021
梯度方向为：
Figure FDA0003257086690000022
从而获取波面图像B的轮廓特征。
5.根据权利要求1所述的一种基于视觉边缘检测的实验室空间波浪实时测量方法，其特征在于：步骤S4所述的水位线和波面特征检测是通过在图像坐标系的原点处，对波面图像的轮廓特征进行自上而下的遍历，当扫描到水位时，从左往右依次获取整条水位线数据信息，进而获取波面的轮廓特征。
6.根据权利要求1所述的一种基于视觉边缘检测的实验室空间波浪实时测量方法，其特征在于：步骤5所述的坐标转换方法包括以下步骤：
S51：实验前在水槽的墙壁上沿竖直方向喷涂刻度尺，刻度尺的量程包含波浪运动的范围；
S52：在波面图像上获取刻度尺最高点的像素纵坐标值x1，该点的实际高度值y1，获取刻度尺最低点的像素纵坐标值x2，该点的实际高度值y2，对一下方程式进行计算
Figure FDA0003257086690000031
得到常数b、常数k，得到坐标转换函数y＝kx+b；
S53：将采集到的波面图像上特征点像素高度x带入到坐标转换函数中，从而计算得到实际高度值y，完成坐标转换。
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