一种用于玻璃水槽内水位分析的图像测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于图像测量技术领域，涉及到流体边缘定位问题，特别涉及玻璃水槽内 边壁处水位边缘的提取方法。
【背景技术】
[0002] 在海洋工程模型中，往往将目标物放在波流水槽中进行运动仿真，从而总结出研 宄对象在海况中可能出现的运动情况。过程中，水位边缘的变化是其中一项较为重要的监 测项目。目前，在玻璃水槽中进行水位边缘测量时，多使用电阻式或电容式浪高传感器，而 使用图像分析技术进行水位的测量，可以有效地减少过程中传感器的使用，解决接触式测 量所引起的扰动问题。
[0003] 国内外一些资料表明，将图像技术应用在水位测量上的研宄工作已经开展：任明 武等在[1]中通过沈俊算子进行边缘提取，然后利用水位线在图像上的垂向分布的特性进 行辨别，最后使用八链码的方法进行边缘轮廓追踪。高晓亮等在[2]中通过HSV空间变换和 直方图阈值法来分割标尺，然后通过行统计函数的差异性进行水位线的辨别。王伟等在[3] 中通过大津阈值法进行图像二值化，然后利用形态学算法进行边缘细化，最后使用Hough 变化进行水面边缘的检测。石玉力等在[4]中通过累积水尺图像的亮度构造能量函数，并 根据能量函数的一阶导数判断水位边缘。P D M Brady等在[5]中使用先二值化后边缘提 取的方法研宄了水槽内流体边缘的提取问题。Jaehyoung Yu等在[6]中首先对图像进行水 平边缘提取，并进行y轴向的变化分析确定边缘，通过参考标志物与边缘图像之间的距离 变化来表征水位变化。Valentin Poncos等在[7]中使用遥感图像的处理方法研宄了多瑙 河三角洲水位的监测方法。Troy E.Gilmore等在[8]中采用图像边缘检测的方法捕捉水位 线并与背景参照校准获取水位高度。Franco Lin等在[9]中首先对图像进行灰度转换，然 后进行直方图均衡，并通过〇stu法进行阈值二值化提取边缘，最后移除小区域并进行形态 学方法对边缘图像进行处理。在这些研宄工作中，将图像分析技术与水尺标识方法相结合， 解决了许多实际中水位的监测问题。这些研宄中所使用的标识物（如水尺）在本方法更替 为玻璃水槽的玻璃壁。正是由于标识物的改变与水位测量的特殊性要求，使得这些图像分 析方法在波流水槽中出现了一系列的问题，如玻璃水槽中水位线的识别问题、波浪边缘包 络线的提取问题、以及水位快速变化时的边缘追踪问题。
[0004] 综上所述，目前还没有一种基于图像的水位分析技术可以很好地解决玻璃水槽中 流体边缘的测量问题。
[0005] 较有代表性的已公开的技术文献有以下9篇：
[0006] [1]任明武，杨万扣，王欢，等.一种基于图像的水位自动测量新方法.计算机 工程与应用，2007, 43 (22) : 204 - 206.
[0007] [2]高晓亮，王志良，王馨，等.基于HSV空间的视频实时水位检测算法.郑州 大学学报（理学版），2010, 42 (3) : 75 - 79.
[0008] [3]王伟，马福昌.基于图像处理的水位自动测量技术.南水北调与水利科 技，2012, 10 (6): 147-150.
[0009][4]石玉立，夏振，王林.基于IDL的视频图像水位检测新算法.科学技术与工 程，2014, 14(29): 114-116.
[0010] [5]BradyPD M,BoutounetM,BeechamS.FreeSurfaceMonitoringUsing ImageProcessing. 15thAustralasianFluidMechanicsConference,Sydney, 2004
[0011] [6]YuJ，HahnH.RemoteDetectionandMonitoringofaWater LevelUsingNarrowBandChannel.JournalofInformationScienceand Engineering，2010, 26:71-82.
[0012] [7]PoncosV，TeleagaD，BondarC，etal.Anewinsightonthewaterlevel dynamicsoftheDanubeDeltausingahighspatialdensityofSARmeasurements. JournalofHydrology, 2013, 482:79-91.
[0013] [8]GilmoreTE,BirgandF，ChapmanKW.Sourceandmagnitudeoferror inaninexpensiveimage-basedwaterlevelmeasurementsystem,Journalof Hydrology, 2013, 496:178 - 186.
[0014] [9]LinF,ChangWY,LeeLC,etal.ApplicationsofImageRecognitionfor Real-TimeWaterLevelandSurfaceVelocity. 2013IEEEInternationalSymposiumon Multimedia，AnaheimCA，2013:259-262.
【发明内容】
[0015] 针对波流水槽过程中水位线的提取问题，本发明将图像分析技术与流体特性相结 合，提出一种用于玻璃水槽内水位分析的图像测量方法。
[0016] 本发明的技术方案如下：
[0017] 一种用于玻璃水槽内水位分析的图像测量方法，包括一个带有定焦镜头的摄像 机、图像采集卡、传输导线、计算机（PC机）。摄像机固定在玻璃水槽外侧，透过玻璃水槽侧 壁观测水位边缘，并通过传输导线与计算机连接。图像采集卡通过PCI或PCIE总线插入PC 机中，负责图像的采集。
[0018] 测量时，首先在图像上选择一个控制点，并以它为中心构建分析窗口。分析窗口随 着水位变化而调整位置以满足边缘追踪的要求。然后，在分析窗口内根据测地距离计算分 类曲线。最后，结合梯度的峰值与分类曲线的拐点定位分析窗口内的水位。具体方法描述 如下：
[0019] 步骤A:根据测试范围的要求固定好摄像机的位置，并调好摄像机参数。
[0020] 步骤B:打印标准网格图像，并将该网格纸紧紧贴在水槽玻璃内壁，网格纸需要覆 盖整个测试区域，并在测量坐标系下定义每个网格节点的物理坐标。
[0021] 步骤C:对网格纸进行拍照，并使用Harris算子检测网格节点，得到每个网格节点 的图像坐标。
[0022] 步骤D :将网格节点的图像坐标与物理坐标相对应，形成坐标对应查找表，命名为 MapLut，此时若网格的密度已达到测试精度要求，则直接进行步骤E;否则，根据测试精度 要求使用最小二乘法对未存在对应值的像素位置进行插值，最后形成满足要求的MapLut。
[0023] 步骤E:采集水位变化图像，并在图像中水位边缘的下方（即水体图像内）选择初 始分析点P。之后，以P为中心划分一细长型分析窗口，行数大于列数。
[0024] 步骤F:首次分析时，以P点为分析中心，否则将以指定分析位置或预测位置为 中心在分析窗口内进行测地距离计算。两个像素1和 7之间的测地距离D(x，y)定义为
【主权项】
1. 一种用于玻璃水槽内水位分析的图像测量方法，包括一个带有定焦镜头的摄像机 (1)、传输导线（2)、图像采集卡（3)、计算机（4);其特征在于， 摄像机（1)固定在玻璃水槽外侧，透过玻璃水槽玻璃壁（5)观测水位边缘线化），并通 过传输导线（2)与图像采集卡（3)相连；而图像采集卡（3)通过PCI总线或PCIE总线插入 计算机（4)中；测量方法如下： 步骤A;固定好摄像机（1)的位置，并调好摄像机（1)的参数； 步骤B;打印标准网格图像，并将该网格纸紧紧贴在玻璃水槽玻璃壁巧）的内侧，网格 纸需要覆盖整个测试区域，并在测量坐标系下定义每个网格节点的物理坐标； 步骤C;对网格纸进行拍照，并使用Harris算子检测网格节点，得到每个网格节点的图 像坐标； 步骤D;将网格节点的图像坐标与物理坐标相对应，形成坐标对应查找表，命名为MapLut;若网格的密度已达到测试精度要求，则直接进行步骤E;否则，根据测试精度要求 使用最小二乘法对未存在对应值的像素位置进行插值，最后形成满足要求的MapLut; 步骤E;计算机（4)控制图像采集卡（3)采集水位边缘线化），并在图像中水位边缘的 下方选择初始分析点P;之后，WP为中屯、划分一细长型分析窗口，行数大于列数； 步骤F;首次分析时，WP点为分析中屯、，否则将W指定分析位置或预测位置为中 屯、在分析窗口内进行测地距离计算；两个像素X和y之间的测地距离D(x，y)定义为
为连接X和y两点的所有 路径的集合，r是连接X和y两点的8连通空间邻域像素构成的离散序列{X=P。，Pi，… ,Pn-l，Pn=y}； 步骤G;w距离矩阵每行的最小值代替本行，形成一维序列V; 步骤H;将序列VWP点为基准点，分为两部分；将两部分的数据进行绝对差值计算，形 成分类曲线Q; 步骤I;使用梯度法统计曲线Q上的拐点位置； 步骤J;若是首幅图像则选择第一个拐点位置，否则选择与预测值邻近的拐点位置，并 将选择的拐点位置记作化； 步骤K;W化为中屯、在垂向邻域内计算灰度梯度，并选择近邻的梯度峰值位置Ed,位置Ed即为分析点P垂向的水位位置； 步骤L;按照水位位置占分析窗口的1/4尺寸原则，对原分析窗口位置进行垂向调整， 并将调整位置的窗口用于下一帖图像的分析W及同一图像近邻位置的水位分析； 步骤M;根据近邻的相关性原理，将Ed作为近邻位置或下一时刻水位位置的预测值，重 复步骤F-L直到水位监测停止； 步骤N;将分析后的水位边缘在MapLut中进行近邻查找，从而完成图像坐标到物理坐 标的转换，从而得到水位的变化信息。
【专利摘要】一种用于玻璃水槽内水位分析的图像测量方法，属于图像测量技术领域。由一个摄像机、传输导线、图像采集卡、计算机组成；摄像机固定在实验水槽外侧，透过玻璃侧壁观测水位边缘线，并通过传输导线与图像采集卡相连；而图像采集卡通过PCI总线或PCIE总线插入计算机中。测量时，首先在图像上选择一个控制点，并以它为中心构建分析窗口。分析窗口随着水位变化而调整位置以满足边缘追踪的要求。在分析窗口内根据测地距离计算分类曲线，结合梯度的峰值与分类曲线的拐点定位分析窗口内的水位。本发明充分考虑了流体的透明特性、运动的连续性以及水槽杂质对梯度曲线的影响等问题，高效地对玻璃水槽侧壁上的水位边缘位置信息进行准确测量。
【IPC分类】G01F23-292
【公开号】CN104848917
【申请号】CN201510188617
【发明人】杜海, 孟娟, 李木国
【申请人】大连理工大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年4月20日