CN202008382U - 一种基于机器视觉的液位检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于机器视觉的液位检测装置，摄像头通过A/D转换器与数据处理模块连接；数据处理模块中具有用于从数字图像中分割出液位线以及标定测量坐标的数字图像处理单元，数据处理模块中还具有根据图像中的液位线以及标定测量坐标计算出实际液位值的计算单元。由于采用了自适应坐标设定，该装置不仅适合开放式和/或封闭式的液位检测环境，也适用于机械设备定位和产品计数，具有非常广泛的应用前景。

Description

一种基于机器视觉的液位检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于机器视觉的液位检测装置。

技术背景

液位检测是指用一定的方法对液体的高度进行测量。这种技术广泛应用于日常生活、工业生产、石油运输、发电站及城市排污电机的节能控制等许多方面。

现阶段的水位检测大致可分为接触式和非接触式两种方法。一是采用浮子式液位计，浮子式液位计属于机械模式，易出故障。二是采用压阻式液位变送器，对液位进行检测，这种检测方法是依据液面下某处的压强与其离液面的距离成正比关系的原理而设计。目前使用的大多为进口产品，价格高，抗扰性较差，器件的非线性和液体中的杂质对测量精度影响很大，例如对同一高度的清水与含泥沙的水进行检测时，检测结果却不一样。同时，由于检测器与被测液体直接接触，造成检测器件本身被有害物质侵蚀、影响了检测精度和使用寿命，从而一定程度上限制了其应用范围。

在非接触式的检测装置中，目前有超声波，红外线、激光液位测量仪表等。其中超声波具有代表性，超声波液位测量仪表具有非接触的特点，性能可靠，具有实用价值，因而成为液位检测仪表的一个发展方向，在国内外均得到较为光泛而深入的研究和应用。但是，受自身特点(如受温度变化影响较大、模拟量转换精度不足，受检测液面的波动影响较大)等因素的制约，超声波液位测量仪表在大量程范围内难以达到高精度，安装要求高，需要专业人员安装，而且当检测液面有悬浮物、泡沫、波动时，检测精度大幅降低。

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种基于机器视觉的液位检测装置，该基于机器视觉的液位检测装置具有非接触，抗扰性强，测量精度高等特点。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种基于机器视觉的液位检测系统，摄像头通过A/D转换器与数据处理模块连接；数据处理模块中具有用于从数字图像中分割出液位线以及标定测量坐标的数字图像处理单元，数据处理模块中还具有根据图像中的液位线以及标定测量坐标计算出实际液位值的计算单元。

所述的摄像头为红外摄像头。

所述的数据处理模块为UT6410CV05核心板。

数据处理模块中执行的具体方法如下：

步骤1：设置摄像头的测量坐标；测量坐标为竖直方向的一维坐标；

步骤2：采用标准刻度对测量坐标进行标定；

步骤3：通过摄像头采集包含有背景和液体的图像；

步骤4：通过数字图像处理，将图像中的液体与背景相分离，获得图像中的液位值；

步骤5：结合图像中的液位值和标定后的测量坐标最终得到实际液位值。

步骤2的具体步骤为：

步骤A：调整摄像头，保证液位变化方向为测量坐标的轴向；

步骤B：选择液位变化的最高高度为测量坐标的顶点；将具有标准刻度的标尺的上端对准液位变化的顶点；标尺竖直设置；

步骤C：向摄像头的前方旋转测量坐标并调整测量刻度，当测量坐标上的刻度与标尺的标准刻度对准时，即完成测量坐标的标定，此时，记录测量坐标旋转的角度θ；移除标尺；所述的旋转坐标即上移并在竖直平面内旋转摄像头；

步骤5的具体步骤如下：

摄像头所在的位置为0，在标定前的测量坐标中，液位变化的最高点和最低点分别为A和B，在标定后的测量坐标中，B点对应B″，A和B在摄像头的成像平面中分别对应A′和B′点；C″点为标定后的测量坐标中当前液位点，AC″为实际液位高度；OC″与直线AB和直线A′B′分别相交于C点和C′点；三角形OAB为等腰三角形，OA＝OB；

AC＝kA′C′，其中k为成像比例系数，为已知常数；A′C′为AC″投影到成像平面内的像素高度，用像素的个数表示，A′C′为测量液位时初始检测值；

△OAC内，AO、AC、∠OAC已知，根据三角函数关系求出∠OCA，于是∠ACC″＝180°-∠OCA；

在△ACC′内，已知∠ACC″、边AC和∠CAC″即角θ，则由公式AC″/sin(∠ACC″)＝AC/sin(180°-θ-∠ACC″)求得AC″的值。

所述的旋转坐标即上移并在竖直平面内旋转摄像头；具体原理如下：

假设摄像头垂直对坐标成像，而液位高度按坐标的方向变化，由于摄像头不可能浸入水中，测量范围只有图像中坐标的一部分(比如一半)，为了扩大测量范围，必须上移摄像头，并使得摄像头的镜头的轴心线(即镜头的入射光的光路)与水平面成一个角度θ，及旋转了θ角，这个过程也可看成是摄像头不动坐标以顶点为定点向前旋转一个角度θ，θ的变化范围0-90度，如果事先我们把坐标从0-90度间各种旋转θ都计算出来，在实际测量时，只要知道三个以上的实际液位变化值(比如用标尺来进行匹配，标尺上有多个刻度，主要完成高精度的匹配-即校准)，就可以确定θ，也就确定了实际的液位变化坐标，并为后续求得实际的液位变化值提供技术准备。

检测中对每幅原始图像首先进行畸变校正处理。

有益效果：

本实用新型的基于机器视觉的液位检测装置，将通过红外摄像头获取的现场液位图片经算法处理，得到液位实时高度信息，从而检测到液位的即时高度。为准确、高效获得液位的高度信息，本装置使用了自主设计的五大算法：摄像头畸变校正算法、自适应检测坐标设定算法、液位线分割算法、数据滤波和数据整定算法。

本实用新型最大的独创性体现在巧妙地采用坐标旋转(虚拟旋转，实际上是镜头的上移并旋转)和坐标标定的方式(并将坐标标定的方式应用于摄像头对目标的跟踪过程中)并结合基本的几何原理求出实际液位坐标。

本装置采用ARM系列单片机为主处理器，使用彩色液晶显示与触摸屏为输出输入设备，接口部分包括有线、无线通讯控制和视频接口。该装置运算数度快，实时性强，测量精度高，体积小，安装调试方便，具有良好的人机界面。由于采用了自适应坐标设定，该装置不仅适合开放式和/或封闭式的液位检测环境，也适用于机械设备定位和产品计数，具有非常广泛的应用前景。

本实用新型的基于机器视觉的液位检测装置，正是考虑传统检测装置的不足而提出的一种新的检测技术，具有非接触，抗扰性强，测量精度高等特点，做到一帧多测，成本低，安装简便，故障率低等优点。而且由于所用的器材是通用的，便于选材，检测的精度与所选摄像机的像素精度和算法的计算精度直接相关，因而可以根据需要的检测精度进行量体裁衣，节省成本。特别是可以对于有悬浮物、泡沫、液位波动强的液面进行准确的检测。能够对流动的、无光照的液面进行检测，同时做到无人值守24小时不间断的检测。通过无线装置能够实施远程监控检测，如河流、水池等，减轻了监控人员的工作量，并能够在抗洪抢险中对水位进行预估，这对工业生产、工业检测、抗洪抢险、城市排污、城市供水，准确检测提供了一种新型、稳定而高效的检测手段，对社会的发展有着重大的现实意义。

附图说明

图1为实施本实用新型的基于机器视觉的液位检测装置的原理图。

图2为坐标标定原理图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明：

实施例1：

参照图1，本基于机器视觉的液位检测装置为一个嵌入式装置，包括如下部分：红外摄像头或相机、嵌入式检测装置，包含液晶显示及触摸屏、有线无线通信接口以及控制接口等，液位检测参照背板，被检测对象。

本实例中，采用嵌入式系统，采用Linux操作系统，ARM11为主芯片，处理采集到系统中的数据。嵌入式液位检测装置人机交互采用触摸屏、彩色/黑白液晶显示屏。利用触摸屏设定预警液位高度等系统参数。利用液晶显示屏显示液位高度数值和液位变化曲线。利用有线和无线模块将采集到的图像信息传送到系统存储模块。利用有图像畸变校正算法、自适应坐标设定算法、液位线分割算法以及位置跟踪算法收集液位图像信息。使用数据滤波算法、数据整定算法、背景抑制算法取得液位图像的精确位置。

本基于机器视觉的液位检测装置对应的测量方法具有如下的步骤：

对摄像头所摄图像进行畸变校正：

①选择标准多色方格图片，每个应用摄像头或相机对标准图片垂直成像，与标准图片比较后得到此摄像头或相机成像后畸变部分像素点偏移值，形成畸变校正表，检测中每幅液位图片处理前首先进行校正。畸变校正保证了待处理图片的真实性，即保证了测量精度

②构造一维坐标，轴向为液位变化方向，刻度为像素n，n取值为(0，1，2，3，...)中的任意整数，数值越小表明坐标精度越高，但值太小在坐标变换时会引入舍入误差，根据摄像头的分辨率，n一般选取5-20个像素点，每刻度间的实际间距会因成像图片的远近成比例的放大缩小，然后对坐标系以轴上部顶端为原点向前方旋转0-90度，可得到相应各种角度下的坐标系如图一)。在实际测量过程中，首先调整摄像头，保证液位变化方向为坐标的轴向，选择液位变化的最高高度为坐标的顶点，置一含有几格标准刻度的标尺在液位变化顶端，标准刻度的选取是按照用户对测量精度的要求而设定，然后旋转测量坐标并调整测量刻度，当坐标变化与设置的标准刻度标尺一致时，就得到了液位测量的坐标系，此时可移开标准刻度标尺。当摄像头安装后，这种坐标旋转匹配的方法能很快得到测量图片中液位变化坐标，克服了以往根据像素点现场标定液位线所要花费人力物力，如果液位不能快速从最高点到最低点变化，像素点现场标定法还不能即时标定测量坐标。当摄像头发生移动时，能很快进行校正。

③液位线分割：利用灰度值的变化和颜色的变化对液位线进行分割，当自然环境不能稳定分割液位线时，通常加一块白色检测背板，使得液体与背景有更大的灰度值差，保证液位线的准确分割。

④对分割的图像滤波处理，计算实时液位高度h1，与上次采集的液位高度h2比较，得到液位变化率v，当v大于设定的最大变化率Vmax时，需重新采集一次并计算，如满足条件，则采集结果有效，保存结果。

数据通信及控制：液位高度检测结果通过有线或无线方式发送到上位机，同时进入控制流程，根据需求对外部装置进行控制。该嵌入式装置可保存超过百万次的计算和控制结果，可通过触摸屏查询。

具体应用步骤如下：

嵌入式ARM视频液位检测器由固定在液位区域上方的红外摄像头采集液位图像，通过AV采集板(即A/D转换器)将图像传输至ARM处理器处理。处理流程如下：对摄像头畸变进行校正，建立转换坐标，然后采集图像、图像预处理(滤波，裁减)、图像分割、图像边缘检测、液位线提取，计算液位高度、预估和校正液位高度、LCD显示液位高度。

软件由摄像头畸变校正算法、自适应检测坐标设定算法、液位线分割算法、数据滤波和数据整定算法组成。

设定标定坐标步骤如下：

a)构造一维坐标，轴向为液位变化方向，刻度为像素n；n取值为(0，1，2，3，...)中的任意整数，数值越小表明坐标精度越高，但值太小在坐标变换时会引入舍入误差，根据摄像头的分辨率，n一般选取5-20个像素点，每刻度间的实际间距会因成像图片的远近成比例的放大缩小。

b)依不同的测量精度对n进行标定，刻度进行同比例缩放；每刻度间的实际间距会因成像图片的远近成比例的放大缩小

c)坐标系以轴上部顶端为原点向前方旋转0-90度时，得到相应各种角度下的坐标系。

跟踪扫描步骤如下：

a)调整摄像头，保证液位变化方向为坐标的轴向；

b)选择液位变化的最高高度为坐标的顶点；

c)设置一含有几格标准刻度的标尺在液位变化顶端；

d)设置一标准刻度于待测液位的最高点，如现场要求精度为1cm，设置20cm的标尺与待测液位的最高点，旋转测量坐标，当测量坐标的变化与设置的20cm变化一致时，表明旋转角度已匹配，并调整测量刻度，计算出每1cm间距所占的像素点，当坐标变化顶端与设置的20cm标准刻度标尺一致时，当20个刻度点都一一对应时，就得到了液位测量的坐标系；

e)可移除标准刻度标尺；

f)采用位置跟踪算法跟踪液位变化；

使用摄像模块将不同液位位置的图像集合采集并通过通信模块输入到系统存储单元。

使用背景抑制算法去掉背景中的干扰因素。背景抑制算法属于一种滤波算法，由动态和静态滤波组成，主要是滤除影响测量结果的静止物体和运动物体，如背景的突出部或随机降落物，这种滤波的方法属于现有技术，但应用都有特色。

结合标定坐标、背景抑制算法分解出的实际液位信息、以及位置跟踪算法，计算实际液位高度。其基本原理见附图2。

如图2所示：摄像机的视角为∠AOB(为定值，由相机参数可得到)，AB为标尺，且AB平行摄像机的成像平面A′B′。假设A、B为图像平面的上下端点，即AB为摄像头的成像范围，有OA＝OB，所以三角形OAB是等腰三角形，所以可以得到∠OAB和∠OBA的值，且∠OBA＝∠OAB。另外，标尺AB旋转一个角度θ后，记为AB″，则有AB＝AB″。设点C″为AB″上的任意一点，点C′为C″在成像平面上的投影，点C为直线OC″与AB的交点。

现在目标是根据A′C′及其他已知条件和三角关系计算出AC″的长度。

求解过程如下：

因为∠AOB已知，AB也是已知的，且三角形OAB是等腰三角形，所以可求出OA，即 $\mathrm{OA}=\frac{1}{2}\mathrm{AB}/\sin \frac{1}{2}\∠\mathrm{AOB}$

又摄像头垂直于平面AB，因此可以根据像素高度A′C′求出AC的实际高度。(因为垂直条件下物体成像畸变较小，可看成线性)

△OAC内，AO、AC、∠OAC已知，根据三角函数关系可求出∠OCA，于是∠ACC″＝180°-∠OCA。

在△ACC′内，已知∠ACC″、边AC，如已知∠CAC″即角θ，则可以根据三角函数算出边AC″的实际高度。由正弦定理，AC″/sin(∠ACC″)＝AC/sin(180°-θ-∠ACC″)，可以求得AC″的值。

Claims (3)

1.一种基于机器视觉的液位检测装置，其特征在于，摄像头通过A/D转换器与数据处理模块连接。

2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的液位检测装置，其特征在于，所述的摄像头为红外摄像头。

3.根据权利要求1或2所述的基于机器视觉的液位检测装置，其特征在于，所述的数据处理模块为UT6410CV05核心板。 

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