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。
[0119] 在各种环境下有较高的检测精度，如果摄像头的分辨率达到要求，在液位相对平 稳时，检测精度可小于1_，检测结果不会像超声波检测随温度变化而变化。
[0120] 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。
[0121] 如图1所示，本嵌入式装置有如下部分，摄像头或相机，云台控制的可见光激光发 射器和嵌入式检测装置，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，被检 测对象。
[0122] 应用步骤：嵌入式ARM视频液位检测器由固定在液位区域上方的摄像头采集液位 图像，通过AV采集板将图像传输至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）、可见激光点运动目标检测、可 见激光点轨迹合成、轨迹角点特征提取、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。
[0123] 跟踪扫描步骤如下：
[0124] a)调整摄像头，保证液位变化方向为坐标的轴向；
[0125] b)选择液位变化的最高高度为坐标的顶点；
[0126] c)设置一含有儿格标准刻度的标尺在液位变化顶端；
[0127] 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，设置一 20cm的 标尺，每Icm处有一条刻度线，先预拍一张标尺的图片，利用图像分割算法，计算得到标尺 的刻度坐标系，然后将标尺置于待测液位的最高点，调整角度参数旋转刻度坐标系，当刻度 坐标系的变化与此时放置在待测液位的最高点的标尺刻度线重合时，表明旋转角度已匹 配，计算出每Icm间距所占的像素点，就得到了液位测量的坐标系；
[0128] e)可移除标准刻度标尺；
[0129] 使用摄像模块将不同激光点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，利用可见激光点目标检测方法提取出所有的可见激光点集合。
[0130] 对所有的可见激光点集合采用激光轨迹合成以及角点提取算法，轨迹合成算法是 综合了特征点提取算法的自主设计的图像合成算法；激光轨迹合成的方法即在[0015]所 述的step3中得到激光点的移动坐标序列后重新生成一张二值图片，因激光点是一个小范 围的光斑，因此将整个光斑所在的像素值赋值为1，其他赋值为〇,最后在图像上显示效果 为一条宽度为η像素的白色线条，η大于1小于图像的宽度，一般与摄像头到背景的距离成 正比，距离越近，η越大，白色线条越粗，为了提高检测的精度和检测范围，调整摄像头与背 景距离，使得η的取值范围为5-10为宜；角点是两个边缘的交点，比如十字交叉口和丁字路 口的拐角。如图2所示，粗实线为激光轨迹合成路径，虚线为液位线。角点提取算法是计算 机视觉和数字图像处理领域中常用的一种算子。
[0131] 结合标定坐标、角点提取算法提取出的实际液位信息、以及位置跟踪算法，计算实 际液位高度，其基本原理见附图4。
【主权项】
1. 一种基于可见激光和图像处理的液位检测方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1 :建立测量坐标系； 沿竖直方向建立用于表征实际液位变化的液位一维坐标AB";-维坐标AB"位于背景 所在的平面中；背景为存储液体的容器的竖直方向的内壁； 摄像头和用于发出可见激光的激光头设置在液面之上；摄像机相对于水平面斜向下面 对背景；摄像机的光轴相对于水平面的夹角为9 ; 建立投影一维坐标AB，投影一维坐标AB与液位一维坐标AB"之间的夹角为0 ; 记摄像机所在位置为O点，激光头的扫描面为平面，该扫描面与OAB"平面存在一个非 零的夹角； A为投影一维坐标AB与液位一维坐标AB"的公共原点； 步骤2 :通过可见激光点运动目标检测，获取可见激光点运动的运动轨迹； 将可见激光在液面的上下位置进行扫描，可见激光在所述的背景上形成激光点，由摄 像机捕捉激光点的运动轨迹图像； 步骤3 :基于所述的运动轨迹图像获得对应液面位置的角点坐标；并基于该角点坐标 求取实际的液位值； 所述的角点坐标为投影一维坐标AB的坐标，角点的位置为C，角点在投影一维坐标AB内C的坐标为AC; 基于以下公式求取液位值AC": AC" =AC*sin(ZACC" )/sin(180。-9-ZACC"); 所述的*号为乘号； ZACC"的计算方法为： 八(^内，六0、六(：、2(^已知，根据三角函数关系求出2(0，于是有/^0："=180°-/ OCA02. 根据权利要求1所述的基于可见激光和图像处理的液位检测方法，其特征在于，在 步骤1中，对摄像机的图像畸变进行校正，校正方法为：选择标准多色方格图片，摄像头对 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，对每幅液位图片处理前首先进行校正。3. 根据权利要求1所述的基于可见激光和图像处理的液位检测方法，其特征在于，在 步骤1中，采用标尺对投影一维坐标AB与液位一维坐标AB"进行标定。4. 根据权利要求1-3任一项所述的基于可见激光和图像处理的液位检测方法，其特征 在于，所述的激光头设置在云台上，由云台带动激光头实现扫描。5. -种基于可见激光和图像处理的液位检测装置，其特征在于，包括摄像头、激光头和 用于实现数值计算的数据处理模块； 背景为存储液体的容器内壁； 摄像头和用于发出可见激光的激光头设置在液面之上；摄像机相对于水平面斜向下面 对背景；摄像机的光轴相对于水平面的夹角为9 ; 采用权利要求1-4任一项所述的基于可见激光和图像处理的液位检测方法实现液位 测量。6. 根据权利要求5所述的基于可见激光和图像处理的液位检测装置，其特征在于，所 述的激光头设置在云台上。7. 根据权利要求6所述的基于可见激光和图像处理的液位检测装置，其特征在于，所 述的数据处理模块采用ARM处理器。8. 根据权利要求7所述的基于可见激光和图像处理的液位检测装置，其特征在于，ARM 处理器与触摸显示屏相连。9. 根据权利要求8所述的基于可见激光和图像处理的液位检测装置，其特征在于，ARM 处理器与通信单元相连。10. 根据权利要求8所述的基于可见激光和图像处理的液位检测装置，其特征在于， ARM处理器集成于UT6410CV05核心板上，液位检测装置还包括与数据处理模块相连的网 口，所述的通信单元为无线通信单元或串口。
【专利摘要】本发明公开了一种基于可见激光和图像处理的液位检测方法和装置，该方法包括：步骤1：建立测量坐标系；背景为存储液体的容器的竖直方向的内壁；摄像头和用于发出可见激光的激光头设置在液面之上；摄像机相对于水平面斜向下面对背景；摄像机的光轴相对于水平面的夹角为θ；步骤2：通过可见激光点运动目标检测，获取可见激光点运动的运动轨迹；步骤3：基于所述的运动轨迹图像获得对应液面位置的角点坐标；并基于该角点坐标求取实际的液位值AC″＝AC*sin(∠ACC″)/sin(180°-θ-∠ACC″)。该基于可见激光和图像处理的液位检测方法和装置易于实施，抗干扰能力强。
【IPC分类】G01F23/292
【公开号】CN105181082
【申请号】CN201510213096
【发明人】张帆, 张显
【申请人】湖南大学
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年4月30日