一种基于图像识别的静力水准仪自动测量装置及测量方法与流程

本发明主要涉及测量仪器领域，具体涉及一种基于图像识别的静力水准仪自动测量装置及测量方法。

背景技术：

静力水准系统是测量两点间或多点间相对高程变化的精密仪器，主要用于大型储罐、大坝、核电站、高层建筑、基坑、隧道、桥梁、地铁等垂直位移和倾斜的监测，静力水准仪在测量高差上具有测量精度高、稳定性强、不受低温的影响等优点，其通过液位的变化来测量高差，传统的静力水准测量采用人工的读数方式，由于人为因素导致的误差会影响数据的准确性，同时也无法做到及时的数据采集。

随着网络信息技术的发展，已经开始采用一体化模块化自动测量单元采集数据，通过有线或无线通讯与计算机连接，从而实现自动化观测。现如今，随着通过信息技术实现自动化的数据采集功能在静力水准测量技术上得到了很大的发展，市场上出现了很多种静力水准测量设备，其大多采用电子传感器进行数据采集和传输，其成本较为昂贵。而静力水准仪的设计需要尽可能的减少人力资源的投入，提高测量的精度以及实现自动化的数据采集分析。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于图像识别的静力水准仪自动测量装置及测量方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于图像识别的静力水准仪自动测量装置，包括静力水准仪，其特征在于：所述静力水准仪包括两个通过连通管连通的液位罐，所述连通管位于对应的液位罐靠近底部位置，每个所述液位罐均装有连通液和浮球，所述浮球漂浮在连通液上；所述液位罐为封闭结构，且其上、下端面均透明；每个所述液位罐上方设置有工业相机，所述工业相机的镜头垂直向下正对着液位罐的轴向中心；每个所述液位罐的下方均设有光源，所述光源对准所述液位罐。

作为优选，所述工业相机通过固定夹固定在所述液位罐上方，所述固定夹的下端固定在所述液位罐顶部的外表面上，所述固定夹内部为中空结构，其顶部的内表面固定安装所述工业相机。

作为优选，所述连通管选用软管。

作为优选，每个所述液位罐的底部设有圆孔，在该圆孔中安装所述连通管。

作为优选，所述工业相机上连接usb传输线的一端接口，所述usb传输线的另一端接口连接电脑。

本发明还提供一种使用上述的基于图像识别的静力水准仪自动测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤1：设置装置：将装置安装好后，置于测量点上；

步骤2：收集数据：打开光源的开关，控制工业相机拍摄浮在连通液上的浮球的图像，将得到的图像数据通过有线或无线的方式传输到电脑上；

步骤3：预处理图像：通过对得到的图像进行二值化、滤波处理以及膨胀腐蚀处理，得到最终的目标图像；

步骤4：计算图像相关信息：通过matlab的圆形最小二乘法拟合筛选获取目标图像中的浮球的面积大小，通过像素点将浮球在图像中所占的面积大小进行量化，根据浮球在图像中所占的像素点数量得到图像中浮球到工业相机镜头的距离，以此获得静力水准仪中液面所在的刻度值。

作为优选，所述步骤1中，在所述工业相机上连接usb传输线的一端接口，另一端接口连接电脑。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明采用工业相机进行测量数据的采集，通过拍摄静力水准仪液面浮球的图像，并通过分析图像中浮球的尺寸大小得到浮球与相机镜头的距离，实现对静力水准仪的自动化测量，实用且减少了人力资源的投入，提高了测量的精度。

附图说明

图1为静力水准仪的剖面图；

图2为工业相机拍摄浮球的图像简图；

图3为在某一距离上成像的实际面积与工业相机中像素点的比例关系图；

其中，1、工业相机，2、静力水准仪，101、usb传输线，201、液位罐，202、连通管，203、浮球，204、固定夹，3、光源。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，一种基于图像识别的静力水准仪自动测量装置，包括两个静力水准仪2，静力水准仪2包括柱形的液位罐201、连通管202、浮球203、固定夹204和连通液205，液位罐201的内部为空心结构且其上下端面透明，固定夹204的下端固定在液位罐201顶部的外表面上，固定夹204内部为中空结构，其顶部的内表面固定安装工业相机1；在工业相机1上连接usb传输线101的一端接口，usb传输线101的另一端接口连接电脑。连通液205设在液位罐201的内部，浮球203选用球型结构，漂浮在连通液205的液面上；液位罐201的底部设有圆孔，在该圆孔中安装软管结构的连通管202；两个静力水准仪2的连通管202相互连通；在静力水准仪2的下方设有光源3，光源3对准液位罐201的下端面。

本发明还提供一种使用上述的基于图像识别的静力水准仪自动测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤1：设置装置：将静力水准仪置于测量点上，在工业相机上连接usb传输线的一端接口，另一端接口连接电脑；

步骤2：收集数据：打开光源的开关，控制工业相机拍摄浮在连通液上的浮球的图像，将得到的图像数据通过有线或无线的方式传输到电脑上；

步骤3：预处理图像：通过对得到的图像进行二值化、滤波处理以及膨胀腐蚀处理，得到最终的目标图像；

步骤4：计算图像相关信息：通过matlab的圆形最小二乘法拟合筛选获取目标图像中的浮球的面积大小，通过像素点将浮球在图像中所占的面积大小进行量化，根据浮球在图像中所占的像素点数量得到图像中浮球到工业相机镜头的距离，以此获得静力水准仪中液面所在的刻度值。

本发明包括数据采集和软件分析两个系统，其中数据采集系统是将工业相机固定在静力水准仪上方，并在水准仪管道中安装灯源，通过工业相机拍摄浮在水上的浮球的图像，并将图像数据通过有线或无线的方式传输出来；图像获取之后可以通过软件分析系统进行处理，这一过程主要是通过matlab对图形进行处理，主要分为图像的预处理阶段和图像相关信息的计算两部分；图像的预处理包括图像的二值化、图像的滤波处理以及图像的膨胀腐蚀处理，进过一系列的预处理，可以得到所需要的目标图像；获得目标图像之后需要获取浮球的相关信息，因此需要对图像中目标信息进行筛选；浮球采用球形设计，拍摄所获得的图像是一个圆形，通过matlab的圆形最小二乘法拟合筛选得到目标浮球的相关信息，获取图像中浮球的面积大小；浮球在图像中所占的面积大小，可以通过像素点进行量化，浮球在图像中所占的像素点多少与浮球到工业相机的距离成一定的对应关系；通过获取图像中的浮球所占的像素点数量，可以得到图像中浮球与相机镜头的距离，以此可以获得静力水准仪中液面所在的刻度值，进而可以测量结果。

如图2-3所示，其中，oo1的距离为l，表示浮球中心到镜头的距离；o3o4表示的是成像的平面；o1o2的距离为l’，表示镜头到实际成像平面的距离；oo2的距离为d，表示浮球中心到实际成像平面的距离；oo3的距离为r，表示浮球的实际半径，是已知量；o2o3的距离为r，表示实际成像平面的半径；f表示镜头到工业相机成像平面的距离。

使用时，按照图1所示，连接好静力水准仪，将浮球至于液面上，最后将工业相机固定在静力水准仪的管壁上面，得到如图1所示的装置结构。通过工业相机拍摄到的图像经过有线或者无线的方式连接传输到电脑上，在电脑上可以通过matlab进行图像处理以及获取浮球的相关尺寸信息，得到图像中浮球所占的像素点数量，通过与标定的像素点数量与镜头到浮球中心的距离的关系进行比较，得到实际镜头到浮球的距离，以此得到液面刻度的变化，得到实际的测量结果。

如图2可以推到出浮球中心到镜头距离l与实际成像的物距l’的关系：

同时，可以得到实际成像面积s与实际成像图像距离l的关系：

按照图3可以通过相关的比例换算得到图像中浮球的所占的像素点数量，已知图像中工业相机的成像硬件面积为s’，成像的分辨率为k，可以得到图像中浮球所占的像素点数量k’表达公式为：

得到的k’之后，对比成像距离与图像上浮球成像所占的像素点数量的关系表格，即可定出浮球中心到镜头的距离l，以此来判定静力水准仪的测量刻度值。

本发明基于工业相机设计一种静力水准自动化测量装置，用于实现自动化的高差测量，可代替人工进行高差测量，弥补了传统人工读数方式中的可靠性差、无法连续自动监测等缺陷。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。