TWI673686B - 影像式水尺刻度偵測辨識系統及其方法 - Google Patents

Abstract

一種影像式水尺刻度偵測辨識系統及其方法，該系統包括：影像擷取模組，係用以擷取一水尺數位影像；影像轉換模組，係用以將該水尺數位影像的色彩空間轉換為灰階影像；多重動態二值化模組，係用以將該灰階影像的像素執行二值化，以得到黑白影像；定位點偵測模組，係利用該黑白影像偵測一定位點；以及水尺刻度辨識模組，係利用該定位點辨識一水尺刻度，以計算一水位高度。本發明可有效地降低因環境光線變化所造成的誤判，並基於精確的水尺定位點偵測，讓水尺刻度分析與判讀更為準確。此外，本發明可進一步與智慧型影像監控系統平台及行動智慧裝置做整合。

Description

影像式水尺刻度偵測辨識系統及其方法

本發明係關於一種判讀水尺刻度及淹水高度之系統及其方法，特別為一種利用數位影像畫面來偵測判讀水尺刻度及淹水高度之系統及其方法。

在現有技術中，目前有幾種技術來判讀水尺及測量水位高度，例如：使用壓力傳感器來測量目前水位高度，乃利用氣泵、單向閥及壓力傳感器來測量水位高度值。另一種方法是利用電阻感測技術來測量目前水位，乃利用導電觸塊、直線電阻及電流表來透過電阻值的變化來量測水位高度值。再一種為數位影像式處理辨識與判讀，先對水尺影像區域做旋轉校正，然後分析水尺刻度影像進而找到水位線，最後依據公式計算出目前水位高度。

然而，上述前二種技術方法的穩定性及精準度雖佳，但是由於電子設備價格及維護費用高而且常常無法依據各種高度量測需要來量測水位，所以普及率並不高，第三種影像式辨識方法則因為必須要先要有人工介入調校水尺影像區域旋轉校正的參數，且易受環境光線變化造成誤判， 進而無法全自動的進行影像辨識，所以只適用於固定式攝影機的場景。

由此可見，上述習用方式仍有諸多缺失，實非一良善之設計，而亟待加以改良。因而如何找出一種有效判讀水尺刻度及淹水高度之系統及其方法，特別是，如何避免受環境光線變化造成誤判，進而利用數位影像畫面來偵測判讀水尺刻度及淹水高度之系統及其方法，此將成為本技術領域人員努力追求之目標。

為了達成上述影像式水尺刻度偵測辨識系統及其方法，本發明係將監視器攝影機或是智慧行動裝置所拍攝水尺的數位影像畫面，透過數位影像擷取及傳輸，於工作平台上可透過數位影像處理技術並運用創新的電腦視覺之偵測及分析辨識方法判讀出水尺的刻度數及淹水高度。

本發明提供一種影像式水尺刻度偵測辨識系統，其包括：影像擷取模組，係用以擷取一水尺數位影像；影像轉換模組，係用以將該水尺數位影像的色彩空間轉換為灰階影像；多重動態二值化模組，係用以將該灰階影像的像素執行二值化，以得到黑白影像；定位點偵測模組，係利用該黑白影像偵測一定位點；以及水尺刻度辨識模組，係利用該定位點辨識一水尺刻度，以計算一水位高度。

本發明復提供一種影像式水尺刻度偵測辨識方法，其包括：擷取一水尺數位影像；將該水尺數位影像的色彩空間轉換為灰階影像；對該灰階影像進行多重動態二值化， 以得到黑白影像；利用該黑白影像偵測一定位點；以及利用該定位點辨識一水尺刻度，以計算一水位高度。

前述之影像式水尺刻度偵測辨識系統及其方法，其中，該定位點偵測模組更包括一階層式矩形框偵測單元，用以偵測階層式矩形框。

前述之影像式水尺刻度偵測辨識系統及其方法，其中，該多重動態二值化模組執行二值化後，執行一影像邊緣偵測。

前述之影像式水尺刻度偵測辨識系統及其方法，其中，係利用一坎尼邊界(Canny Edge)演算法執行該影像邊緣偵測。

由上述可知，本案發明內容主要分為定位點偵測、水尺刻度判讀二大部份。定位點偵測主要是應用數位影像處理技術中的多重動態二值化及階層式找矩形框來找出整張影像中可能的定位點圖形，包括定位點圖形區域的位置資訊和大小資訊。水尺刻度辨識則將上一步驟所找到的定位點圖形資訊，用來搜尋定位點下方的可能刻度矩形框，運用向下掃描線的概念計算出水尺的刻度數量，然後將水尺的總刻度數減去計數出的刻度數乘上刻度高度即為目前的水位高度。

1‧‧‧水尺

11‧‧‧定位點

2‧‧‧影像式水尺刻度偵測辨識系統

21‧‧‧影像擷取模組

22‧‧‧影像轉換模組

23‧‧‧多重動態二值化模組

24‧‧‧定位點偵測模組

241‧‧‧階層式矩形框偵測單元

25‧‧‧水尺刻度辨識模組

S1~S54‧‧‧步驟

第1圖為本發明影像式水尺刻度偵測辨識系統之水尺圖形樣式示意圖；第2圖為本發明影像式水尺刻度偵測辨識系統之水尺 定位點樣式示意圖；第3圖為本發明影像式水尺刻度偵測辨識系統之系統架構圖；第4圖為本發明影像式水尺刻度偵測辨識方法流程圖；第5圖為本發明影像式水尺刻度偵測辨識方法中的定位點判斷流程圖；以及第6圖為本發明影像式水尺刻度偵測辨識方法中的水尺刻度辨識流程圖。

以下藉由特定的具體實施形態說明本發明之技術內容，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之優點與功效。然本發明亦可藉由其他不同的具體實施形態加以施行或應用。

第1圖所示者為本發明影像式水尺刻度偵測辨識系統之水尺圖形樣式示意圖，而第2圖所示者為本發明影像式水尺刻度偵測辨識系統之水尺定位點樣式示意圖。如第1圖所示，本發明所欲偵測判讀的水尺1(例如：自製水尺或一般水尺)，主要係使用水尺1上方如第2圖的水尺定位點2樣式，供做水尺影像定位點2的偵測，並以多個相同長寬矩形條，等距排列於水尺定位點2樣式之下方，以形成水尺刻度樣式供影像掃描計算。

第3圖為本發明影像式水尺刻度偵測辨識系統之系統架構圖。本影像式水尺刻度偵測辨識系統2包括影像擷取 模組21、影像轉換模組22、多重動態二值化模組23、定位點偵測模組24與水尺刻度辨識模組25。

該影像擷取模組21係擷取水尺1數位影像，該影像擷取模組21為如監視器、攝影機或智慧行動裝置。在該數位影像輸入後，影像轉換模組22執行數位影像處理，以將該數位影像具有的色彩空間轉為灰階影像，俾供後續影像處理。

為能適應多樣環境中光線變化的圖像拍攝，該多重動態二值化模組23即用以執行一多重動態二值化方法。該多重動態二值化方法，舉例而言，是先計算出整張灰階影像的平均值，以其用來設定出複數個門檻值，例如，這複數個門檻值可為平均值乘上1、0.8、1.2、...等等，然後利用這複數個對整張灰階影像像素執行二值化，大於門檻值為255，小於門檻值為0。如此便可得到複數個二值化黑白影像，黑色數值為0和白色數值為255。

在一些實施例中，多重動態二值化模組23可對這複數個二值化黑白影像做影像邊緣偵測。在一些實施例中，本發明可使用坎尼邊界(Canny Edge)演算法對複數個二值化黑白影像做邊緣偵測，因此可以得到複數個邊緣偵測的黑白影像。

接著定位點偵測模組24利用該黑白影像偵測一定位點。在一些實施例中，定位點偵測模組24更包括一階層式矩形框偵測單元241，用以偵測階層式矩形框。舉例而言，所謂矩形框偵測是找尋整張黑白影像中的白色相連區域， 每一個白色相連區域用一個矩形框去記錄其大小及位置資訊，而階層式的作法就是去記錄當有大的矩形框去包圍一個內部小的矩形框的相關資訊，其中一個內部沒有包圍任何其他矩形框的階層數為1，若一個矩形框內部包圍著一個階層數為1的矩形框則其階層數為2，再若一個矩形框內部包圍著一個階層數為2的矩形框則其階層數為3，其餘依此類推。

因此在階層式矩形框偵測單元241偵測完複數個邊緣偵測的黑白影像後，以偵測得多個到矩形框的大小、位置資訊及階層數等方式，以便階層式矩形框偵測單元241暫存所偵測到的所有矩形框的大小、位置資訊及階層數等。再以矩形框階層數是否大有於一預設值(例如：數字6等)來做為是否為水尺定位點的判斷。若是找不到任何合適的水尺定位點，則進入回傳畫面中無任何水尺1圖形的處理程序。若是定位點偵測模組24已找到水尺定位點11之圖形，則定位點偵測模組24將之判定為定位點圖形。

接著，水尺刻度辨識模組25依據此矩形框資訊訂定向下掃描的線段，利用此矩形框的影像中心點當作起點，利用此矩形框的寬度(Width)加上高度(Height)加總後，乘以5即是此向下掃描線段的向下掃描長度。然後水尺刻度辨識模組25計算向下掃描線中所經過的合法矩形框，亦即再利用階層式矩形框偵測單元241暫存所偵測到的所有矩形框資訊，找出有掃描線經過的矩形框且寬度和高度的比例約為4比1後，水尺1刻度辨識模組25再依據回傳所計 算的矩形框數量及計算水位高度，將水尺1的總刻度數15減去計數出的刻度數乘上刻度高度，此即為目前的水位高度。

本發明復提供一種影像式水尺刻度偵測辨識方法，如第4圖之影像式水尺刻度偵測辨識方法流程圖所示，其包括：

步驟S1：擷取一水尺數位影像。

步驟S2：將該水尺數位影像的色彩空間轉換為灰階影像。

步驟S3：對灰階影像進行多重動態二值化，以得到黑白影像。

步驟S4：利用該黑白影像偵測一定位點。

步驟S5：利用該定位點辨識一水尺刻度，以計算一水位高度。

第5圖為本發明影像式水尺刻度偵測辨識方法中的定位點判斷流程圖。在一些實施例中，其中，偵測定位點的方法更包括：

步驟S41：偵測影像邊緣。

步驟S42：偵測階層式矩形框。

步驟S43：量測矩形框的階層數。

步驟S44：判斷定位點。

第6圖為本發明影像式水尺刻度偵測辨識方法中的水尺刻度辨識流程圖。在一些實施例中，其中，辨識水尺刻度，以計算水位高度的方法更包括：

步驟S51：判斷定位點。

步驟S52：依據矩形框資訊向下掃描線段。

步驟S53：計算向下掃描線中所經過的合法矩形框。

步驟S54：回傳所計算的矩形框數量及計算水位高度。

綜上所述，本發明所提供之影像式水尺刻度偵測辨識系統之系統及其方法，與其他習用技術相互比較時，更具備下列優點，如：(1)使用水尺圖形除了數位影像擷取裝置需要有設備費用外，單純的水尺圖形無需任何供電設備和維護費用，因此相較於一般的電子設備水位偵測，本發明的普及率更高，可應用的各式水位高度及場區之領域也比較寬廣。(2)提出利用定位點偵測方法，有別於其他先利用人工計算做影像定位和旋轉校正之固定攝影機的作法，較能適應各種天候環境光線變化，而且可適用於大部的數位影像擷取裝置監視器攝影機等，尤其是智慧行動裝置無須事先作任何的影像校正和水尺位置定位，即可以快速自動地進行水尺刻度及水位高度辨識。

上列詳細說明乃針對本發明之一可行實施例進行具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

Claims (7)

1. 一種影像式水尺刻度偵測辨識系統，其包括：影像擷取模組，係用以擷取一水尺數位影像；影像轉換模組，係用以將該水尺數位影像的色彩空間轉換為灰階影像；多重動態二值化模組，係用以將該灰階影像的像素執行二值化，以得到黑白影像；定位點偵測模組，係利用該黑白影像偵測一定位點，其中，該定位點偵測模組包括一階層式矩形框偵測單元，用以偵測階層式矩形框，且經偵測之該階層式矩形框的階層數大於預設值者作為水尺定位點；以及水尺刻度辨識模組，係利用該定位點辨識一水尺刻度，以計算一水位高度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之影像式水尺刻度偵測辨識系統，其中，該多重動態二值化模組執行二值化後，執行一影像邊緣偵測。
3. 如申請專利範圍第1項所述之影像式水尺刻度偵測辨識系統，其中，係利用一坎尼邊界(Canny Edge)演算法執行該影像邊緣偵測。
4. 一種影像式水尺刻度偵測辨識方法，其包括：擷取一水尺數位影像；將該水尺數位影像的色彩空間轉換為灰階影像；對該灰階影像進行多重動態二值化，以得到黑白影像； 利用該黑白影像偵測一定位點；以及利用該定位點辨識一水尺刻度，以計算一水位高度；其中，該偵測一定位點包括：偵測該水尺數位影像中具有階層的階層式矩形框；以及判斷經偵測之該階層式矩形框的階層數大於預設值者作為水尺定位點。
5. 如申請專利範圍第4項所述之影像式水尺刻度偵測辨識方法，其中，若未偵測到該水尺定位點，則回傳該水尺數位影像中無水尺圖形。
6. 如申請專利範圍第4項所述之影像式水尺刻度偵測辨識方法，其中，進行多重動態二值化後，執行一影像邊緣偵測。
7. 如申請專利範圍第6項所述之影像式水尺刻度偵測辨識方法，其中，係利用一坎尼邊界(Canny Edge)演算法執行該影像邊緣偵測。