CN114152313A - 一种水位标尺智能视觉读数装置及读取方法 - Google Patents

一种水位标尺智能视觉读数装置及读取方法 Download PDF

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CN114152313A CN202111411843.7A CN202111411843A CN114152313A CN 114152313 A CN114152313 A CN 114152313A CN 202111411843 A CN202111411843 A CN 202111411843A CN 114152313 A CN114152313 A CN 114152313A
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Abstract

本发明公开了一种水位标尺智能视觉读数装置及读取方法，其中：读数定标平行紧贴固定在水位标尺的最大刻度上方，读数浮标设置在水位标尺的下方，且读数浮标通过其上连接的浮球进行支撑，随着水面的升降，浮于水面上的浮球带动读数浮标沿着水位标尺升降；太阳能冲洗泵安装在水位标尺的顶部；通过摄像头拍摄读数定标、读数浮标的图像，并将拍到的图像发送给处理器；处理器中存储有智能视觉读数算法，通过智能视觉读数算法对读数定标、读数浮标的图像进行处理，得到当前的水位高度值。本发明能自适应实现水位标尺的精确读数，在读数过程中既保证了原始水位的摄像监视，又准确地读取了水位标尺数据，可用于各类水域的水位监测尺读数辨识。

Description

一种水位标尺智能视觉读数装置及读取方法
技术领域
本发明涉及水位标尺读取设备技术领域，尤其涉及一种水位标尺智能视觉读数装置及读取方法。
背景技术
水位标尺是发电厂卸煤码头的一种常见水位监视设备，用于指导运输船的码头进出管理。采用数字辨识等视觉方法读数标尺，会受到光线、江面浮游物遮拦等影响，会严重影响读数的精准性，而采用其它测量技术，又需要增加设备，增加维护成本。采用视觉读数技术，既可以充分利用水位标尺监视摄像头，所读取数据又能和水位标尺的视频监控一一对应。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种水位标尺智能视觉读数装置及读取方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种水位标尺智能视觉读数装置，该装置包括：摄像头、读数定标、读数浮标、太阳能冲洗泵、水位标尺、处理器；其中：
读数定标平行紧贴固定在水位标尺的最大刻度上方一定高度，读数浮标设置在水位标尺的下方，且读数浮标通过其上连接的浮球进行支撑，随着水面的升降，浮于水面上的浮球带动读数浮标沿着水位标尺升降；太阳能冲洗泵安装在水位标尺的顶部，太阳能冲洗泵通过太阳能供电，并抽水对读数定标、读数浮标进行冲洗；
摄像头安装在距离水位标尺一定距离的位置，摄像头与处理器相连；通过摄像头拍摄读数定标、读数浮标的图像，并将拍到的图像发送给处理器；处理器中存储有智能视觉读数算法，通过智能视觉读数算法对读数定标、读数浮标的图像进行处理，得到当前的水位高度值。
进一步地，本发明的所述读数定标包括：定标本体、前侧固定片、后侧固定片；其中：
前侧固定片一侧粘接在定标本体的背面，另一侧紧贴水位标尺的前侧，后侧固定片紧贴水位标尺的后侧，且前侧固定片、后侧固定片的两端均开设有固定孔，通过螺母和螺杆穿过固定孔固定在水位标尺上。
进一步地，本发明的所述太阳能冲洗泵通过连接结构安装在前侧固定片、后侧固定片之间。
进一步地，本发明的所述读数浮标包括：2个滚轮钳后侧片、2个滚轮钳厚度调节螺母、2个滚轮钳前侧片、2个滚轮钳宽度调节螺母、浮球高度调节螺母、2个滑动固定片、浮标本体、宽度调节横梁、带螺杆的浮球、横梁、滚轮；其中：
浮标本体后侧设置有横梁，横梁上设置有两个能沿横梁滑动的滑动固定片，滑动固定片上开设有固定孔；滚轮钳前侧片上开设有固定孔，通过螺母穿过滑动固定片和滚轮钳前侧片上的固定孔，使滑动固定片固定在滚轮钳前侧片上；滚轮钳前侧片和滚轮钳后侧片之间安装有多个滚轮，且滚轮钳前侧片和对应的滚轮钳后侧片的侧边通过滚轮钳厚度调节螺母连接，两组滚轮钳前侧片和对应的滚轮钳后侧片分别夹紧水位标尺的两侧，并通过滚轮沿水位标尺滑动；两组滚轮钳后侧片通过连杆连接到宽度调节横梁的两端的滚轮钳宽度调节螺母上；宽度调节横杆的中部设置有高度调节螺母，带螺杆的浮球连接到高度调节螺母上。
进一步地，本发明的所述读数定标和读数浮标均为亚光暗红色正方体。
进一步地，本发明的所述读数定标设置在水位标尺最大刻度上方25cm处。
本发明提供一种水位标尺智能视觉读数方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、通过摄像头拍摄读数定标、读数浮标的图像；
步骤2、在摄像头的监控区域内对读数定标、读数浮标的区域进行初始标定，通过鼠标标出读数定标、读数浮标的边界矩形区域，矩形区域大于读数定标、读数浮标的实际区域；
步骤3、对读数定标、读数浮标的矩形区域进一步确定：对标定的读数定标区域进行像素统计，计算均值像素与参比像素的距离，对读数定标，对划定区域进行像素块统计，并根据统计结果判断读数定标的区域划定是否正确；读数定标划定正确后，对读数浮标的区域进一步确定：求取读数浮标的质心坐标，再求取读数定标区域的边界直线，进而获取读数浮标的边界直线；
步骤4、根据步骤3得到的边界直线获取读数浮标在水位标尺上的读数；
步骤5、太阳能冲洗泵在电压足够的条件下，通过水泵入水管的虹吸原理，吸水进行冲洗；
步骤6、定标后水位标尺读数的应用：按一定大小的像素矩阵进行读数定标区间像素均值统计，判定读数定标区间是否发生移动，若发生移动，则调整摄像头位置，并重新定标读数定标区间；搜索读数浮标附近区域，并计算水位标尺实际变化的读数数值。
进一步地，本发明的所述步骤3具体包括：
对标定的读数定标区域进行像素统计，设检索的像素点i像素值为(Ri,Gi,Bi)，按10×10矩阵，每100个矩阵点进行像素均值统计；
Figure BDA0003374404540000041
Figure BDA0003374404540000042
Figure BDA0003374404540000043
计算均值像素与参比像素的距离H：
Figure BDA0003374404540000044
对于读数定标，按划定的(xbe0,ybe0)、(xbs0,ybs0)、(xbe0,ybs0)、(xbs0,ybe0)区域进行像素块统计判断，像素块边界值超过(xbe0,ybe0)、(xbs0,ybs0)、(xbe0,ybs0)、(xbs0,ybe0)的边界值，按超出边界值处理；第一个像素点坐标为(0,0)，右下角坐标为(行像素总数，列像素总数)，其中(xbs0,ybs0)为左上点，(xbe0,ybe0)为右下点；
如果H值<40则标志为一致块，一致块的数量统计值为ɑ0，如果100ɑ0/((xbe0-xbs0)(ybe0-ybs0))<0.3,则认为划定区域不正确；
如果划定区域正确，则进一步进行读数定标的区域确认；
将划定区域扩大成(xbe1,ybe1)、(xbs1,ybs1)、(xbe1,ybs1)、(xbs1,ybe1)，其中：
xbs1＝2xbs0-xbe0 (5)
ybs1＝2ybs0-ybe0 (6)
xbe1＝2xbe0-xbs0 (7)
ybe1＝2ybe0-ybs0 (8)
(2)(xbe1,ybe1)、(xbs1,ybs1)、(xbe1,ybs1)、(xbs1,ybe1)的质心求取；
统计(xbe1,ybe1)、(xbs1,ybs1)、(xbe1,ybs1)、(xbs1,ybe1)区域内的一致块数量ɑ1，并对ɑ1的像素块所有均值像素再次求取均值；
Figure BDA0003374404540000051
Figure BDA0003374404540000052
Figure BDA0003374404540000053
并对(xbe1,ybe1)、(xbs1,ybs1)、(xbe1,ybs1)、(xbs1,ybe1)区域内进行(1)～(3)式10×10矩阵的像素均值统计；
计算均值像素与参比像素的距离H
Figure BDA0003374404540000054
如果H值<40则标志为一致块；以每个10×10一致块的左上坐标(xbsi,ybsi)为计算值，则重心坐标为：
Figure BDA0003374404540000055
Figure BDA0003374404540000056
(2)读数定标区域的边界直线求取；
以(Xa，Ya)为中心，做0度直线L、90度直线N两条直线，统计(xbe1,ybe1)、(xbs1,ybs1)、(xbe1,ybs1)、(xbs1,ybe1)区域内两条直线所切割的一致块数量ɑ2，对这两条直线按0.5弧度进行旋转，统计一致块数量ɑ2，形成ɑ2数量序列ɑ2i一共180个，数量最小的是正方形的中心线，数量最大的是对角线；从原理上中心线和对角线的弧度差接近45度；由于图形有可能缺失，并且中心并不对称，选择ɑ2值最小的20组直线，再分别平行向左、向右、向上、向下按100像素的距离分别切割(xbe1,ybe1)、(xbs1,ybs1)、(xbe1,ybs1)、(xbs1,ybe1)矩形域4次，也就是每组十字交叉线切割50次，分别求取这50次的ɑ2值的标准差σ：
Figure BDA0003374404540000061
Figure BDA0003374404540000062
20组标准差σ最小的那组L与N就是所定中心线L与N；
以L和N为中心，向上、向下、向左、向右搜索，直到切割直线的一致块数量ɑ2值小于0.1μ，则认为已找到读数定标的四个边界线L1，L2，N1，N2，对应于上下左右四个方位；分别求取上下、左右两两边界线的距离D1、D2，用像素点数表达；
如果1.05>D1/D2>0.95,则判断已经辨识出读数定标区域的边框，并记录L1，L2，N1，N2四条边界直线的方程；否则，通知用户重新划分标准浮标区域；
(3)读数浮标的边界直线获取；
按读数定标的方式，获取读数浮标的扩大后的边界点(xbe1,ybe1)、(xbs1,ybs1)、(xbe1,ybs1)、(xbs1,ybe1)；以L1，N1边界直线为标准，平行切割(xbe1,ybe1)、(xbs1,ybs1)、(xbe1,ybs1)、(xbs1,ybe1)区域，搜索到读数浮标的边界直线L3，L4，N3，N4，判断依据也是切割直线的一致块数量ɑ2值小于0.1μ，同样对应于上下左右四个方位；分别求取上下、左右两两边界线的距离D3、D4，用像素点数表达；
1.05>D3/D4>0.95,且1.05>(D1+D2)/(D4+D3)>0.95，则L3，L4，N3，N4为所求读数浮标的边界直线，否则，需要重新标定读数浮标区域。
进一步地，本发明的所述步骤4具体包括：
取L1，L2，N1，N2的中心点(Xz1,Yz1)，L3，L4，N3，N4中心点(Xz2,Yz2)，计算二者之间的距离D5；则读数初始L计算方式为：
L＝400D5/(D1+D2+D3+D4) (15)
在水位标尺读数精度不够的情形下，采用定标方式，对水位标尺读数进行校准；
测量D5的准确到mm的实际距离Db，作为定标尺寸，输入设备；又将定标D5作为标准的定标尺寸D5b，则L的读数表达为：
L＝DbD5/D5b (16)
定标时D5与D5b是同一个值，测量状态下D5与D5b不一定相同。
进一步地，本发明的所述步骤6具体包括：
(1)按像素进行10×10矩阵进行读数定标区间像素均值统计；
在L1，L2，N1，N2的区域内进行按10×10矩阵，每100个矩阵点进行像素均值统计；
Figure BDA0003374404540000071
Figure BDA0003374404540000072
Figure BDA0003374404540000073
其中m为行数，n为列数；
(2)判定读数定标区间是否移动；
Figure BDA0003374404540000074
Figure BDA0003374404540000075
Figure BDA0003374404540000076
Figure BDA0003374404540000077
Figure BDA0003374404540000081
Figure BDA0003374404540000082
如果σR<0.01且σG<0.01且σB<0.01，则表示L1，L2，N1，N2区域没有移动，否则需要调整相机，重新定标读数定标区间；
(3)搜索读数浮标附近区域；
按D3间距沿(Xz1,Yz1)、(Xz2,Yz2)直线平行移动L1，L2，N1，N2区间，形成L3，L4，N3，N4区间；按式(17)-(18)统计10×10矩阵的像素均值；
计算像素均值与参比像素的距离H：
Figure BDA0003374404540000083
如果H值<40则标志为一致块；L3，L4，N3，N4区间内一致块数目超过0.3mn,则说明已经查找到L3，L4，N3，N4区间附近；
(4)搜索读数浮标准确区域；
按10个像素点间距沿(Xz1,Yz1)、(Xz2,Yz2)直线平行移动L3，在N3，N4直线区间统计每行L3线段的一致块个数ɑ1值，如果ɑ1/m>0.1，则表示进入读数浮标准确区域，如果ɑ1/m<0.1则表示离开读数浮标准确区域；形成读数浮标准确区域L3，L4，N3，N4；计算L3，L4的间距D3；形成L3，L4，N3，N4的中心点(Xz3,Yz3)，则(Xz1,Yz1)、(Xz3,Yz3)的距离标记为D5，按式(16)计算L；
实际标尺的读数为：LM-L。其中LM是最大刻度值。
本发明产生的有益效果是：本发明的水位标尺智能视觉读数装置及读取方法，水位标尺智能视觉读数装置中采用了滚轮钳和浮球的结构，使读数浮标能够沿水位标尺上下移动，且装置结构紧凑，可靠性、可调节性强；读取方法采用读数浮标和读数定标，自适应实现水位标尺的精确读数，在读数过程中既保证了原始水位的摄像监视，又准确地读取了水位标尺数据，太阳能清洗装置保证了读数浮标和读数定标的及时清洁，具有容错性的读数浮标和读数定标的辨识算法保证了即便70％以下的超大面积污垢干扰，均可以保持非常准确的辨识与读数，本发明可用于各类水域的水位监测尺读数辨识。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例的读数定标结构示意图；
图3是本发明实施例的读数浮标结构示意图；
图中：
1-摄像头，2-读数定标，3-读数浮标，4-太阳能冲洗泵，5-水位标尺，21-定标本体，22-前侧固定片，23-后侧固定片，31-滚轮钳后侧片，32-滚轮钳厚度调节螺母，33-滚轮钳前侧片，34-滚轮钳宽度调节螺母，35-浮球高度调节螺母，36-滑动固定片，37-浮标本体，38-宽度调节横梁，39-带螺杆的浮球，310-横梁，311-滚轮。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例的水位标尺智能视觉读数装置，该装置包括：摄像头1、读数定标2、读数浮标3、太阳能冲洗泵4、水位标尺5、处理器；其中：
读数定标2平行紧贴固定在水位标尺5的最大刻度上方一定高度，读数浮标3设置在水位标尺5的下方，且读数浮标3通过其上连接的浮球进行支撑，随着水面的升降，浮于水面上的浮球带动读数浮标3沿着水位标尺5升降；太阳能冲洗泵4安装在水位标尺5的顶部，太阳能冲洗泵4通过太阳能供电，并抽水对读数定标2、读数浮标3进行冲洗；
摄像头1安装在距离水位标尺5一定距离的位置，摄像头1与处理器相连；通过摄像头1拍摄读数定标2、读数浮标3的图像，并将拍到的图像发送给处理器；处理器中存储有智能视觉读数算法，通过智能视觉读数算法对读数定标2、读数浮标3的图像进行处理，得到当前的水位高度值。
读数定标2包括：定标本体21、前侧固定片22、后侧固定片23；其中：
前侧固定片22一侧粘接在定标本体21的背面，另一侧紧贴水位标尺5的前侧，后侧固定片23紧贴水位标尺5的后侧，且前侧固定片22、后侧固定片23的两端均开设有固定孔，通过螺母和螺杆穿过固定孔固定在水位标尺5上。太阳能冲洗泵4通过连接结构安装在前侧固定片22、后侧固定片23之间。
读数浮标3包括：2个滚轮钳后侧片31、2个滚轮钳厚度调节螺母32、2个滚轮钳前侧片33、2个滚轮钳宽度调节螺母34、浮球高度调节螺母35、2个滑动固定片36、浮标本体37、宽度调节横梁38、带螺杆的浮球39、横梁310、滚轮311；其中：
浮标本体37后侧设置有横梁310，横梁310上设置有两个能沿横梁310滑动的滑动固定片36，滑动固定片36上开设有固定孔；滚轮钳前侧片33上开设有固定孔，通过螺母穿过滑动固定片36和滚轮钳前侧片33上的固定孔，使滑动固定片36固定在滚轮钳前侧片33上；滚轮钳前侧片33和滚轮钳后侧片31之间安装有多个滚轮311，且滚轮钳前侧片33和对应的滚轮钳后侧片31的侧边通过滚轮钳厚度调节螺母32连接，两组滚轮钳前侧片33和对应的滚轮钳后侧片31分别夹紧水位标尺5的两侧，并通过滚轮311沿水位标尺5滑动；两组滚轮钳后侧片31通过连杆连接到宽度调节横梁38的两端的滚轮钳宽度调节螺母34上；宽度调节横杆38的中部设置有高度调节螺母35，带螺杆的浮球39连接到高度调节螺母35上。
在本发明的另一个具体实施例中：读数定标为一个亚光暗红色正方体，平行紧贴固定在水位标尺的最大刻度往上25cm，正方体尺寸为200mm×200mm×2mm。读数浮标是浮球支撑的亚光暗红色正方体，正方体尺寸为200mm×200mm×2mm，放置在水位标尺的前侧，通过两个可调钳形滑轮固定在读数标尺上，并通过滑轮上下浮动，浮球放在水位标尺的后侧，与钳形滑轮后的支撑杆垂直，支撑读数浮标随着水位上下移动。调整读数浮标的亚光暗红色正方体，底部平行放置在水平面往上5cm的刻度上。太阳能冲洗泵是一个电压为3V，功率为0.8W的太阳能冲洗泵。
读数定标由定标本体21、前侧固定片22、后侧固定片23组成，其中前侧固定片22粘接在定标本体21的后侧，开有两个Φ4固定孔，孔距250mm，后侧固定片23也开有两个Φ4固定孔，孔距250mm，前侧固定片22、后侧固定片23采用Φ4螺母和螺杆固定在标尺上。太阳能冲洗泵也固定在前侧固定片22、后侧固定片23中间。
读数浮标由浮标本体37，2个滑动固定片36，2个滚轮钳前侧片33,2个滚轮钳后侧片31，2个滚轮钳厚度调节螺母32，2个滚轮钳宽度调节螺母34，一组浮球高度调节螺母35，宽度调节横梁38，带螺杆的浮球39。浮标本体后侧有一个横梁，滑动放置了两个具有Φ4固定孔的厚度为5mm的滑动固定片，滚轮钳前侧片安装了一个2个小滚轮，并开有一个Φ4固定孔，可以通过Φ4螺母固定并加紧滚轮钳前侧片。滚轮钳后侧片通过宽度调节横梁夹紧两个滚轮钳，滚轮钳后侧片主体为Φ8螺杆，中间为一个开有Φ8孔的小方片，用于调整浮球的Φ8螺杆高度。两个滚轮钳后侧片通过宽度调节横梁调整滚轮钳宽度，这样既保证了读数浮标可以紧贴着水位标尺，又保证了通过浮球，在水位上下的时候读数浮标可以上下移动。
本发明实施例的水位标尺智能视觉读数方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、通过摄像头拍摄读数定标、读数浮标的图像；
在水位标尺监视摄像头安装的时候注意水位标尺在摄像头内成像，摄像头安装的距离与水位标尺实际的高度、摄像头的焦距相关。摄像头可选用100万像素的常规监控摄像头，也就是分辨率约为0.005mm。
步骤2、在摄像头的监控区域内对读数定标、读数浮标的区域进行初始标定，通过鼠标标出读数定标、读数浮标的边界矩形区域，矩形区域大于读数定标、读数浮标的实际区域；
步骤3、对读数定标、读数浮标的矩形区域进一步确定：对标定的读数定标区域进行像素统计，计算均值像素与参比像素的距离，对读数定标，对划定区域进行像素块统计，并根据统计结果判断读数定标的区域划定是否正确；读数定标划定正确后，对读数浮标的区域进一步确定：求取读数浮标的质心坐标，再求取读数定标区域的边界直线，进而获取读数浮标的边界直线；其具体方法为：
对标定的读数定标区域进行像素统计，设检索的像素点i像素值为(Ri,Gi,Bi)，按10×10矩阵，每100个矩阵点进行像素均值统计；
Figure BDA0003374404540000131
Figure BDA0003374404540000132
Figure BDA0003374404540000133
计算均值像素与参比像素的距离H：
Figure BDA0003374404540000134
对于读数定标，按划定的(xbe0,ybe0)、(xbs0,ybs0)、(xbe0,ybs0)、(xbs0,ybe0)区域进行像素块统计判断，像素块边界值超过(xbe0,ybe0)、(xbs0,ybs0)、(xbe0,ybs0)、(xbs0,ybe0)的边界值，按超出边界值处理；第一个像素点坐标为(0,0)，右下角坐标为(行像素总数，列像素总数)，其中(xbs0,ybs0)为左上点，(xbe0,ybe0)为右下点；
如果H值<40则标志为一致块，一致块的数量统计值为ɑ0，如果100ɑ0/((xbe0-xbs0)(ybe0-ybs0))<0.3,则认为划定区域不正确；
如果划定区域正确，则进一步进行读数定标的区域确认；
将划定区域扩大成(xbe1,ybe1)、(xbs1,ybs1)、(xbe1,ybs1)、(xbs1,ybe1)，其中：
xbs1＝2xbs0-xbe0 (5)
ybs1＝2ybs0-ybe0 (6)
xbe1＝2xbe0-xbs0 (7)
ybe1＝2ybe0-ybs0 (8)
(3)(xbe1,ybe1)、(xbs1,ybs1)、(xbe1,ybs1)、(xbs1,ybe1)的质心求取；
统计(xbe1,ybe1)、(xbs1,ybs1)、(xbe1,ybs1)、(xbs1,ybe1)区域内的一致块数量ɑ1，并对ɑ1的像素块所有均值像素再次求取均值；
Figure BDA0003374404540000135
Figure BDA0003374404540000141
Figure BDA0003374404540000142
并对(xbe1,ybe1)、(xbs1,ybs1)、(xbe1,ybs1)、(xbs1,ybe1)区域内进行(1)～(3)式10×10矩阵的像素均值统计；
计算均值像素与参比像素的距离H
Figure BDA0003374404540000143
如果H值<40则标志为一致块；以每个10×10一致块的左上坐标(xbsi,ybsi)为计算值，则重心坐标为：
Figure BDA0003374404540000144
Figure BDA0003374404540000145
(2)读数定标区域的边界直线求取；
以(Xa，Ya)为中心，做0度直线L、90度直线N两条直线，统计(xbe1,ybe1)、(xbs1,ybs1)、(xbe1,ybs1)、(xbs1,ybe1)区域内两条直线所切割的一致块数量ɑ2，对这两条直线按0.5弧度进行旋转，统计一致块数量ɑ2，形成ɑ2数量序列ɑ2i一共180个，数量最小的是正方形的中心线，数量最大的是对角线；从原理上中心线和对角线的弧度差接近45度；由于图形有可能缺失，并且中心并不对称，选择ɑ2值最小的20组直线，再分别平行向左、向右、向上、向下按100像素的距离分别切割(xbe1,ybe1)、(xbs1,ybs1)、(xbe1,ybs1)、(xbs1,ybe1)矩形域4次，也就是每组十字交叉线切割50次，分别求取这50次的ɑ2值的标准差σ：
Figure BDA0003374404540000146
Figure BDA0003374404540000151
20组标准差σ最小的那组L与N就是所定中心线L与N；
以L和N为中心，向上、向下、向左、向右搜索，直到切割直线的一致块数量ɑ2值小于0.1μ，则认为已找到读数定标的四个边界线L1，L2，N1，N2，对应于上下左右四个方位；分别求取上下、左右两两边界线的距离D1、D2，用像素点数表达；
如果1.05>D1/D2>0.95,则判断已经辨识出读数定标区域的边框，并记录L1，L2，N1，N2四条边界直线的方程；否则，通知用户重新划分标准浮标区域；
(3)读数浮标的边界直线获取；
按读数定标的方式，获取读数浮标的扩大后的边界点(xbe1,ybe1)、(xbs1,ybs1)、(xbe1,ybs1)、(xbs1,ybe1)；以L1，N1边界直线为标准，平行切割(xbe1,ybe1)、(xbs1,ybs1)、(xbe1,ybs1)、(xbs1,ybe1)区域，搜索到读数浮标的边界直线L3，L4，N3，N4，判断依据也是切割直线的一致块数量ɑ2值小于0.1μ，同样对应于上下左右四个方位；分别求取上下、左右两两边界线的距离D3、D4，用像素点数表达；
1.05>D3/D4>0.95,且1.05>(D1+D2)/(D4+D3)>0.95，则L3，L4，N3，N4为所求读数浮标的边界直线，否则，需要重新标定读数浮标区域。
步骤4、根据步骤3得到的边界直线获取读数浮标在水位标尺上的读数；
取L1，L2，N1，N2的中心点(Xz1,Yz1)，L3，L4，N3，N4中心点(Xz2,Yz2)，计算二者之间的距离D5；则读数初始L计算方式为：
L＝400D5/(D1+D2+D3+D4) (15)
在水位标尺读数精度不够的情形下，采用定标方式，对水位标尺读数进行校准；
测量D5的准确到mm的实际距离Db，作为定标尺寸，输入设备；又将定标D5作为标准的定标尺寸D5b，则L的读数表达为：
L＝DbD5/D5b (16)
定标时D5与D5b是同一个值，测量状态下D5与D5b不一定相同。
步骤5、太阳能冲洗泵在电压足够的条件下，通过水泵入水管的虹吸原理，吸水进行冲洗；
步骤6、定标后水位标尺读数的应用：按一定大小的像素矩阵进行读数定标区间像素均值统计，判定读数定标区间是否发生移动，若发生移动，则调整摄像头位置，并重新定标读数定标区间；搜索读数浮标附近区域，并计算水位标尺实际变化的读数数值。其具体方法为：
(1)按像素进行10×10矩阵进行读数定标区间像素均值统计；
在L1，L2，N1，N2的区域内进行按10×10矩阵，每100个矩阵点进行像素均值统计；
Figure BDA0003374404540000161
Figure BDA0003374404540000162
Figure BDA0003374404540000163
其中m为行数，n为列数；
(2)判定读数定标区间是否移动；
Figure BDA0003374404540000164
Figure BDA0003374404540000165
Figure BDA0003374404540000166
Figure BDA0003374404540000171
Figure BDA0003374404540000172
Figure BDA0003374404540000173
如果σR<0.01且σG<0.01且σB<0.01，则表示L1，L2，N1，N2区域没有移动，否则需要调整相机，重新定标读数定标区间；
(3)搜索读数浮标附近区域；
按D3间距沿(Xz1,Yz1)、(Xz2,Yz2)直线平行移动L1，L2，N1，N2区间，形成L3，L4，N3，N4区间；按式(17)-(18)统计10×10矩阵的像素均值；
计算像素均值与参比像素的距离H：
Figure BDA0003374404540000174
如果H值<40则标志为一致块；L3，L4，N3，N4区间内一致块数目超过0.3mn,则说明已经查找到L3，L4，N3，N4区间附近；
(4)搜索读数浮标准确区域；
按10个像素点间距沿(Xz1,Yz1)、(Xz2,Yz2)直线平行移动L3，在N3，N4直线区间统计每行L3线段的一致块个数ɑ1值，如果ɑ1/m>0.1，则表示进入读数浮标准确区域，如果ɑ1/m<0.1则表示离开读数浮标准确区域；形成读数浮标准确区域L3，L4，N3，N4；计算L3，L4的间距D3；形成L3，L4，N3，N4的中心点(Xz3,Yz3)，则(Xz1,Yz1)、(Xz3,Yz3)的距离标记为D5，按式(16)计算L；
实际标尺的读数为：LM-L。其中LM是最大刻度值。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种水位标尺智能视觉读数装置，其特征在于，该装置包括：摄像头(1)、读数定标(2)、读数浮标(3)、太阳能冲洗泵(4)、水位标尺(5)、处理器；其中：
读数定标(2)平行紧贴固定在水位标尺(5)的最大刻度上方一定高度，读数浮标(3)设置在水位标尺(5)的下方，且读数浮标(3)通过其上连接的浮球进行支撑，随着水面的升降，浮于水面上的浮球带动读数浮标(3)沿着水位标尺(5)升降；太阳能冲洗泵(4)安装在水位标尺(5)的顶部，太阳能冲洗泵(4)通过太阳能供电，并抽水对读数定标(2)、读数浮标(3)进行冲洗；
摄像头(1)安装在距离水位标尺(5)一定距离的位置，摄像头(1)与处理器相连；通过摄像头(1)拍摄读数定标(2)、读数浮标(3)的图像，并将拍到的图像发送给处理器；处理器中存储有智能视觉读数算法，通过智能视觉读数算法对读数定标(2)、读数浮标(3)的图像进行处理，得到当前的水位高度值。
2.根据权利要求1所述的水位标尺智能视觉读数装置，其特征在于，所述读数定标(2)包括：定标本体(21)、前侧固定片(22)、后侧固定片(23)；其中：
前侧固定片(22)一侧粘接在定标本体(21)的背面，另一侧紧贴水位标尺(5)的前侧，后侧固定片(23)紧贴水位标尺(5)的后侧，且前侧固定片(22)、后侧固定片(23)的两端均开设有固定孔，通过螺母和螺杆穿过固定孔固定在水位标尺(5)上。
3.根据权利要求2所述的水位标尺智能视觉读数装置，其特征在于，所述太阳能冲洗泵(4)通过连接结构安装在前侧固定片(22)、后侧固定片(23)之间。
4.根据权利要求1所述的水位标尺智能视觉读数装置，其特征在于，所述读数浮标(3)包括：2个滚轮钳后侧片(31)、2个滚轮钳厚度调节螺母(32)、2个滚轮钳前侧片(33)、2个滚轮钳宽度调节螺母(34)、浮球高度调节螺母(35)、2个滑动固定片(36)、浮标本体(37)、宽度调节横梁(38)、带螺杆的浮球(39)、横梁(310)、滚轮(311)；其中：
浮标本体(37)后侧设置有横梁(310)，横梁(310)上设置有两个能沿横梁(310)滑动的滑动固定片(36)，滑动固定片(36)上开设有固定孔；滚轮钳前侧片(33)上开设有固定孔，通过螺母穿过滑动固定片(36)和滚轮钳前侧片(33)上的固定孔，使滑动固定片(36)固定在滚轮钳前侧片(33)上；滚轮钳前侧片(33)和滚轮钳后侧片(31)之间安装有多个滚轮(311)，且滚轮钳前侧片(33)和对应的滚轮钳后侧片(31)的侧边通过滚轮钳厚度调节螺母(32)连接，两组滚轮钳前侧片(33)和对应的滚轮钳后侧片(31)分别夹紧水位标尺(5)的两侧，并通过滚轮(311)沿水位标尺(5)滑动；两组滚轮钳后侧片(31)通过连杆连接到宽度调节横梁(38)的两端的滚轮钳宽度调节螺母(34)上；宽度调节横杆(38)的中部设置有高度调节螺母(35)，带螺杆的浮球(39)连接到高度调节螺母(35)上。
5.根据权利要求1所述的水位标尺智能视觉读数装置，其特征在于，所述读数定标(2)和读数浮标(3)均为亚光暗红色正方体。
6.根据权利要求1所述的水位标尺智能视觉读数装置，其特征在于，所述读数定标(2)设置在水位标尺(5)最大刻度上方25cm处。
7.一种水位标尺智能视觉读数方法，采用权利要求1所述的水位标尺智能视觉读数装置，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、通过摄像头拍摄读数定标、读数浮标的图像；
步骤2、在摄像头的监控区域内对读数定标、读数浮标的区域进行初始标定，通过鼠标标出读数定标、读数浮标的边界矩形区域，矩形区域大于读数定标、读数浮标的实际区域；
步骤3、对读数定标、读数浮标的矩形区域进一步确定：对标定的读数定标区域进行像素统计，计算均值像素与参比像素的距离，对读数定标，对划定区域进行像素块统计，并根据统计结果判断读数定标的区域划定是否正确；读数定标划定正确后，对读数浮标的区域进一步确定：求取读数浮标的质心坐标，再求取读数定标区域的边界直线，进而获取读数浮标的边界直线；
步骤4、根据步骤3得到的边界直线获取读数浮标在水位标尺上的读数；
步骤5、太阳能冲洗泵在电压足够的条件下，通过水泵入水管的虹吸原理，吸水进行冲洗；
步骤6、定标后水位标尺读数的应用：按一定大小的像素矩阵进行读数定标区间像素均值统计，判定读数定标区间是否发生移动，若发生移动，则调整摄像头位置，并重新定标读数定标区间；搜索读数浮标附近区域，并计算水位标尺实际变化的读数数值。
8.根据权利要求7所述的水位标尺智能视觉读数方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：
对标定的读数定标区域进行像素统计，设检索的像素点i像素值为(Ri,Gi,Bi)，按10×10矩阵，每100个矩阵点进行像素均值统计；
Figure FDA0003374404530000031
Figure FDA0003374404530000041
Figure FDA0003374404530000042
计算均值像素与参比像素的距离H：
Figure FDA0003374404530000043
对于读数定标，按划定的(xbe0，ybe0)、(xbs0，ybs0)、(xbe0，ybs0)、(xbs0，ybe0)区域进行像素块统计判断，像素块边界值超过(xbe0，ybe0)、(xbs0，ybs0)、(xbe0，ybs0)、(xbs0，ybe0)的边界值，按超出边界值处理；第一个像素点坐标为(0，0)，右下角坐标为(行像素总数，列像素总数)，其中(xbs0，ybs0)为左上点，(xbe0，ybe0)为右下点；
如果H值＜40则标志为一致块，一致块的数量统计值为α0，如果100α0/((xbe0-xbs0)(ybe0-ybs0))＜0.3，则认为划定区域不正确；
如果划定区域正确，则进一步进行读数定标的区域确认；
将划定区域扩大成(xbe1，ybe1)、(xbs1，ybs1)、(xbe1，ybs1)、(xbs1，ybe1)，其中：
xbs1＝2xbs0-xbe0 (5)
ybs1＝2ybs0-ybe0 (6)
xbe1＝2xbe0-xbs0 (7)
ybe1＝2ybe0-ybs0 (8)
(1)(xbe1，ybe1)、(xbs1，ybs1)、(xbe1，ybs1)、(xbs1，ybe1)的质心求取；
统计(xbe1，ybe1)、(xbs1，ybs1)、(xbe1，ybs1)、(xbs1，ybe1)区域内的一致块数量α1，并对α1的像素块所有均值像素再次求取均值；
Figure FDA0003374404530000044
Figure FDA0003374404530000045
Figure FDA0003374404530000051
并对(xbe1，ybe1)、(xbs1，ybs1)、(xbe1，ybs1)、(xbs1，ybe1)区域内进行(1)～(3)式10×10矩阵的像素均值统计；
计算均值像素与参比像素的距离H
Figure FDA0003374404530000052
如果H值＜40则标志为一致块；以每个10×10一致块的左上坐标(xbsi，ybsi)为计算值，则重心坐标为：
Figure FDA0003374404530000053
Figure FDA0003374404530000054
(2)读数定标区域的边界直线求取；
以(Xa，Ya)为中心，做0度直线L、90度直线N两条直线，统计(xbe1，ybe1)、(xbs1，ybs1)、(xbe1，ybs1)、(xbs1，ybe1)区域内两条直线所切割的一致块数量α2，对这两条直线按0.5弧度进行旋转，统计一致块数量a2，形成α2数量序列α2i一共180个，数量最小的是正方形的中心线，数量最大的是对角线；从原理上中心线和对角线的弧度差接近45度；由于图形有可能缺失，并且中心并不对称，选择a2值最小的20组直线，再分别平行向左、向右、向上、向下按100像素的距离分别切割(xbe1，ybe1)、(xbs1，ybs1)、(xbe1，ybs1)、(xbs1，ybe1)矩形域4次，也就是每组十字交叉线切割50次，分别求取这50次的α2值的标准差σ：
Figure FDA0003374404530000055
Figure FDA0003374404530000061
20组标准差σ最小的那组L与N就是所定中心线L与N；
以L和N为中心，向上、向下、向左、向右搜索，直到切割直线的一致块数量α2值小于0.1μ，则认为已找到读数定标的四个边界线L1，L2，N1，N2，对应于上下左右四个方位；分别求取上下、左右两两边界线的距离D1、D2，用像素点数表达；
如果1.05＞D1/D2＞0.95，则判断已经辨识出读数定标区域的边框，并记录L1，L2，N1，N2四条边界直线的方程；否则，通知用户重新划分标准浮标区域；
(3)读数浮标的边界直线获取；
按读数定标的方式，获取读数浮标的扩大后的边界点(xbe1，ybe1)、(xbs1，ybs1)、(xbe1，ybs1)、(xbs1，ybe1)；以L1，N1边界直线为标准，平行切割(xbe1，ybe1)、(xbs1，ybs1)、(xbe1，ybs1)、(xbs1，ybe1)区域，搜索到读数浮标的边界直线L3，L4，N3，N4，判断依据也是切割直线的一致块数量α2值小于0.1μ，同样对应于上下左右四个方位；分别求取上下、左右两两边界线的距离D3、D4，用像素点数表达；
1.05＞D3/D4＞0.95，且1.05＞(D1+D2)/(D4+D3)＞0.95，则L3，L4，N3，N4为所求读数浮标的边界直线，否则，需要重新标定读数浮标区域。
9.根据权利要求8所述的水位标尺智能视觉读数方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：
取L1，L2，N1，N2的中心点(Xz1，Yz1)，L3，L4，N3，N4中心点(Xz2，Yz2)，计算二者之间的距离D5；则读数初始L计算方式为：
L＝400D5/(D1+D2+D3+D4) (15)
在水位标尺读数精度不够的情形下，采用定标方式，对水位标尺读数进行校准；
测量D5的准确到mm的实际距离Db，作为定标尺寸，输入设备；又将定标D5作为标准的定标尺寸D5b，则L的读数表达为：
L＝DbD5/D5b (16)
定标时D5与D5b是同一个值，测量状态下D5与D5b不一定相同。
10.根据权利要求9所述的水位标尺智能视觉读数方法，其特征在于，所述步骤6具体包括：
(1)按像素进行10×10矩阵进行读数定标区间像素均值统计；
在L1，L2，N1，N2的区域内进行按10×10矩阵，每100个矩阵点进行像素均值统计；
Figure FDA0003374404530000071
Figure FDA0003374404530000072
Figure FDA0003374404530000073
其中m为行数，n为列数；
(2)判定读数定标区间是否移动；
Figure FDA0003374404530000074
Figure FDA0003374404530000075
Figure FDA0003374404530000076
Figure FDA0003374404530000077
Figure FDA0003374404530000078
Figure FDA0003374404530000081
如果σR＜0.01且σG＜0.01且σB＜0.01，则表示L1，L2，N1，N2区域没有移动，否则需要调整相机，重新定标读数定标区间；
(3)搜索读数浮标附近区域；
按D3间距沿(Xz1，Yz1)、(Xz2，Yz2)直线平行移动L1，L2，N1，N2区间，形成L3，L4，N3，N4区间；按式(17)-(18)统计10×10矩阵的像素均值；
计算像素均值与参比像素的距离H：
Figure FDA0003374404530000082
如果H值＜40则标志为一致块；L3，L4，N3，N4区间内一致块数目超过0.3mn，则说明已经查找到L3，L4，N3，N4区间附近；
(4)搜索读数浮标准确区域；
按10个像素点间距沿(Xz1，Yz1)、(Xz2，Yz2)直线平行移动L3，在N3，N4直线区间统计每行L3线段的一致块个数a1值，如果α1/m＞0.1，则表示进入读数浮标准确区域，如果α1/m＜0.1则表示离开读数浮标准确区域；形成读数浮标准确区域L3，L4，N3，N4；计算L3，L4的间距D3；形成L3，L4，N3，N4的中心点(Xz3，Yz3)，则(Xz1，Yz1)、(Xz3，Yz3)的距离标记为D5，按式(16)计算L；
实际标尺的读数为：LM-L。其中LM是最大刻度值。
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