专利名称：基于图像视觉的水位测量系统和方法
技术领域：
本发明属于电子测量领域，利用图像视觉处理技术实现水位的测量，可用于水库、
水电站等场所中大量程水位的测量。
背景技术：
针对各地区水量分布不均、洪涝灾害复杂、水体环境恶化等问题，必须对水资源优 化配置，实现水资源的可持续利用，因此，需掌握水资源的基础信息，没有基本的水位等信 息，水资源的优化配置与科学管理就失去了基础。在水位测量方面，国际上普遍采用了自记 式水位计，根据感应水位原理不同可分为浮子式水位计、压力式水位计、气介或液介超声波 水位计。 浮子式水位计在水情监测中的应用最为普遍。浮子水位计需要专用的测井，它的 缺点就是安装较复杂，同时如果水流含泥沙较重，经过一段时间的运行，测井的进水管就会 产生淤积的现象，易形成假水位。 压力式水位计是根据压力与水深成正比关系的静水压力原理，运用压敏元件作传 感器，在不同的水深感应不同压力产生相应的电流而测出相应水位的高低，这种方式解决 了浮子式水位计的缺点，但无法达到很高的精度，且易受环境温度和液体密度变化的影响。
气介式或液介式超声波式水位计应用超声波反射的原理来测量水位。两种形式均 不需建测井，液介式易受水温、水压及水中浮悬粒子浓度影响，气介式易受气温影响，其优 点是不受水中水草、泥沙等影响。这种方法有其先进性，但成本较高。
发明内容
针对现有水位测量设备的缺陷，本发明的目的是提供一种基于图像视觉的水位测 量系统和水位测量方法，实现水位的快速、准确测量。 本发明水位测量系统采用的技术方案是CCD摄像头设置于浮子装置的正上方， 其输出连接视频A/D采集模块，视频A/D采集模块的输出连接FPGA处理模块，FPGA处理模 块的输出分别连接LCD显示模块和扩展通信模块；浮子装置用于水位的物理标定；CCD摄像 头和视频A/D采集模块采集图像并变换为便于数字设备处理的数字图像；FPGA处理模块获 取图像、对图像边缘提取以及距离测量。 本发明水位测量方法采用的技术方案是先在水面放置浮子装置，其正上方的 CCD摄像头对浮子进行视频采集；经视频A/D采集模块变换成数字图像帧，水位变化引起的 浮子与CCD摄像头距离的改变影响动态图像中浮子图像面积；再通过FPGA处理模块计算采 集所得到的视频中浮子图像面积，得到浮子与CCD摄像头的相对距离，测量出水位；最后将 测量结果通过外部LCD显示模块显示，或通过扩展通信模块传送至远端主机上。
本发明具有的有益效果是 1、本发明综合了嵌入式技术和视觉图像处理技术，将图像视觉技术应用于水位监 测领域，通过图像视觉技术测量视频中的浮子面积，从而间接测量水位，无需昂贵的水位传感器，因而成本低；适用于各种测量水位、流体位置的情况。 2、采用模块化的设计方法，安装简单，便于现场测试和系统的维护；受环境影响 小，适应性强。
图1是本发明的系统组成示意图； 图2是图1中CCD摄像头2和浮子装置1中的浮子的位置关系模型示意图；
图3是图1的实际测量结果。 图中1.浮子装置；2. CCD摄像头；3.视频A/D采集模块；4.外部LCD显示模块； 5. FPGA处理模块；6.扩展通信模块。
具体实施例方式
如图1 ，水位测量系统包括浮子装置1 、CCD摄像头2、视频A/D采集模块3、外部LCD 显示模块4、 FPGA处理模块5和扩展通信模块6六个部分。浮子装置1主要用于水位的物 理标定，CCD摄像头2和视频A/D采集模块3主要用于采集图像并变换为便于数字设备处 理的数字图像，CCD摄像头2设置于浮子装置1的正上方，其输出连接视频A/D采集模块3。 FPGA处理模块5即现场可编程门阵列核心处理模块，主要实现图像的获取、边缘提取、以及 距离测量等功能，将视频A/D采集模块3的输出连接FPGA处理模块5， FPGA处理模块5的 输出分别连接LCD显示模块4和扩展通信模块6， LCD显示模块4用于显示测量结果，扩展 通信模块6为系统的外部通信接口 ，便于系统结果的在线显示。 上述系统在测量时，在水面放置浮子装置l，利用浮子装置1正上方的CCD摄像头 2垂直监控浮子装置1中的浮子，对浮子进行视频采集，通过A/D芯片采集动态图像数据，经 视频A/D采集模块3变换成数字图像帧后，并交由FPGA芯片处理，通过FPGA处理模块5计 算采集所得到的视频中浮子装置1中的浮子图像面积，利用浮子与CCD摄像头2的相对距 离，得到水位信息，利用水位变化所引起的浮子与CCD摄像头2距离的改变，进而影响动态 图像中浮子图像面积的原理，通过计算浮子面积，得到浮子与CCD摄像头2的相对距离，从 而测量到水位，最后，将最终测量结果通过外部LCD显示模块4显示，或通过扩展通信模块 6传送至远端主机上。 为了进一步得到动态图像中浮子投影所占的面积，本发明采用Ca皿y检测算子对 于灰度分量进行边缘提取，步骤如下 1)使用高斯滤波器来平滑图像，从而可以减少噪声。
2)在每一点处计算局部梯度如下<formula>formula see original document page 4</formula> 和边缘方向如下 <formula>formula see original document page 4</formula> 其中边缘点定义为梯度方向上其强度局部最大的点。 3)应用浮子在图像中的投影 圆形特征的先验知识，对整个边缘像素进行规整操 作，选择能够覆盖绝大部分边缘像素点的最小圆，即寻找最佳的原点(x。，y。)，以及包含边缘 像素的最小半径r，规整操作表示为
<formula>formula see original document page 5</formula>(3) 上式中，(Xl， y》G T， T代表所有的边缘像素的集合，P为概率，通过规整操作，实 现浮子在灰度图像中的边缘提取，完成限定计算面积的区域的计算。 为了得到实际的水位，必须将实际得到灰度面积进行换算。图2描述了浮子装置 1中的浮子和CCD摄像头2的位置关系模型。图2中1表示浮子和CCD摄像头2的相对距 离，r表示浮子的半径，d表示在浮子的表面投影半径，a表示相对距离1与另一条边的夹 角，f表示摄像头的焦距，d'表示由三角函数关系可得 Sill Of = 了:
所以
<formula>formula see original document page 5</formula>根据光学投影原理，浮子在图像中的投影半径为 乙" <formula>formula see original document page 5</formula>
由此可推导得到浮子图像面积与相对距离1的关系
2 <formula>formula see original document page 5</formula> 利用公式7，通过计算浮子图像的面积得到实际的浮子和CCD摄像头2的相对距离 1。由于CCD摄像头2是固定的，因此CCD摄像头2高度与相对距离之差即为实际水位。实 际水位测量曲线图如图3所示，CCD摄像头2和水面的距离与所摄浮子的面积呈平方反比 关系，即呈一个由陡变缓的曲线，即浮子距CCD摄像头2越近，相同的水位变化，浮子面积变 化越大。
权利要求
一种基于图像视觉的水位测量系统，包括浮子装置(1)，其特征是CCD摄像头(2)设置于浮子装置(1)的正上方，其输出连接视频A/D采集模块(3)，视频A/D采集模块(3)的输出连接FPGA处理模块(5)，FPGA处理模块(5)的输出分别连接LCD显示模块(4)和扩展通信模块(6)；浮子装置(1)用于水位的物理标定；CCD摄像头(2)和视频A/D采集模块(3)采集图像并变换为便于数字设备处理的数字图像；FPGA处理模块(5)获取图像、对图像边缘提取以及距离测量。
2. —种基于图像视觉的水位测量方法，其特征是采用如下步骤1) 在水面放置浮子装置(l)，其正上方的CCD摄像头(2)对浮子进行视频采集；2) 经视频A/D采集模块(3)变换成数字图像帧，水位变化引起的浮子与CCD摄像头(2)距离的改变影响动态图像中浮子图像面积；3) 通过FPGA处理模块(5)计算采集所得到的视频中浮子图像面积，得到浮子与CCD摄像头(2)的相对距离，测量出水位；4) 将测量结果通过外部LCD显示模块(4)显示，或通过扩展通信模块(6)传送至远端主机上。
3. 根据权利要求2所述的基于图像视觉的水位测量方法，其特征是步骤3)具体为1) 使用高斯滤波器平滑图像减少噪声；2) 计算图像中每一点处局部梯度和边缘方向；3) 应用浮子在图像中的投影为圆形特征的先验知识，对整个边缘像素进行规整操作，实现浮子在灰度图像中的边缘提取，完成限定计算面积的区域计算；4) 通过计算浮子图像的面积得到实际的浮子和CCD摄像头(2)的相对距离，CCD摄像头(2)高度与相对距离之差即为实际水位。
全文摘要
本发明公开了一种基于图像视觉的水位测量系统和方法，用于水库、水电站等场所中大量程水位的测量。CCD摄像头设置于浮子装置的正上方进行视频采集；经视频A/D采集模块变换成数字图像帧，水位变化引起的浮子与CCD摄像头距离的改变影响动态图像中浮子图像面积；通过FPGA处理模块计算采集所得到的视频中浮子图像面积，得到浮子与CCD摄像头的相对距离测量出水位。本发明通过图像视觉技术测量视频中的浮子面积间接测量水位，无需昂贵的水位传感器，成本低；采用模块化的设计方法，安装简单，便于现场测试和系统维护，适应性强。
文档编号G01F23/64GK101718573SQ200910232679
公开日2010年6月2日 申请日期2009年12月4日 优先权日2009年12月4日
发明者丁燕琼, 奚吉, 孙浩, 张卓, 张学武, 梁瑞宇, 钱萧诚, 顾丽萍, 顾灏 申请人:河海大学常州校区