一种泥沙颗粒沉降过程图像采集系统的制作方法

本实用新型涉及颗粒物沉降测量技术领域，具体而言，涉及一种泥沙颗粒沉降过程图像采集系统。

背景技术：

细颗粒泥沙的粒径和沉速是河流动力学的基础问题，也是河流数值模拟的关键参数，但细颗粒泥沙极易絮凝导致其沉降观测仍未完全解决。现有的泥沙粒径和沉速测量方法较多，如粒径测量的筛析法、激光粒度仪、图像处理技术等方法，沉速测量的粒子图像技术、激光衍射技术和声波散射技术等。传统的筛析法、激光粒度仪等不能适用于细颗粒泥沙絮凝状态下的测量，声波散射技术只能单独测量沉速，激光衍射技术可同步测量粒径和沉速但存在干扰。一般而言，前述声学和光学测量技术多用于现场测量，而图像处理技术是室内同步测量细颗粒泥沙粒径和沉速的有效方法。

现有的PIV(粒子图像测速法)和PTV(粒子追踪测速)等图像技术已经成熟的应用于流场的测量，但是在利用图像技术测量细颗粒泥沙粒径和沉速时就必须使用图像采集装置对泥沙颗粒的沉降图像进行采集，传统的示踪粒子的图像采集方式及装置还存在打光不足和打光位置偏差的问题，进而造成泥沙颗粒的沉降图像采集不清晰。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种泥沙颗粒沉降过程图像采集系统，以改善上述泥沙颗粒的沉降图像采集不清晰的问题。

本实用新型的实施例是这样实现的：

本实用新型提供了一种泥沙颗粒沉降过程图像采集系统，所述泥沙颗粒沉降过程图像采集系统包括沉降筒、摄像装置和光源装置。所述摄像装置包括正对所述沉降筒的观测侧面的镜头。所述光源装置安装在所述摄像装置上平行于所述镜头的位置，所述光源装置的照射方向与所述镜头的朝向相同。

在本实用新型可选的实施例中，所述泥沙颗粒沉降过程图像采集系统还包括移动滑台，所述移动滑台设置在所述沉降筒的观测侧面的一侧，用于安装所述摄像装置。

在本实用新型可选的实施例中，所述泥沙颗粒沉降过程图像采集系统还包括图像采集控制装置，所述图像采集控制装置与所述摄像装置、所述光源装置以及所述移动滑台连接。

在本实用新型可选的实施例中，所述摄像装置为COMS摄像机。

在本实用新型可选的实施例中，所述镜头为焦距为50mm的高清镜头。

在本实用新型可选的实施例中，所述沉降筒内设置有温度传感器和温度控制装置。

在本实用新型可选的实施例中，所述光源装置为高亮LED阵列光源。

在本实用新型可选的实施例中，所述光源装置为环形光源，所述环形光源环绕固定在所述摄像装置的镜头周面。

在本实用新型可选的实施例中，所述移动滑台为电子滑台。

在本实用新型可选的实施例中，所述移动滑台为十字滑台。

在本实用新型可选的实施例中，所述图像采集控制装置为个人计算机。

本实用新型实施例的有益效果是：

本实用新型实施例提供了一种泥沙颗粒沉降过程图像采集系统，所述泥沙颗粒沉降过程图像采集系统通过将光源装置安装在摄像装置的镜头位置，保证所述光源装置和所述镜头的方向相同，打光方向和镜头方向一致，对沉降筒内的泥沙颗粒的打光穿透效果更好，进而使所述镜头能够采集更加清晰完成的泥沙颗粒的沉降图像。可选地，所述泥沙颗粒沉降过程图像采集系统还可以包括移动滑台，使所述摄像装置能够根据沉降筒中泥沙颗粒的具体沉降位置对摄像装置进行位置调节，以便获得更好的泥沙颗粒图像。进一步地，所述光源装置可以选用环形光源，所述环形光源环绕固定在所述摄像装置的镜头的周面上，从而获得更好的打光稳定性和更精确的打光角度，使光线能够更好地穿透所述沉降筒中图像采集区域的泥沙颗粒，提高泥沙颗粒图像采集质量。所述沉降筒内设置有温度传感器和温度控制装置，从而对沉降筒中的水温进行监控和调节，将水温保持在适合进行泥沙沉降的温度。此外，所述泥沙颗粒沉降过程图像采集系统还可以包括与所述摄像装置、所述光源装置和所述移动滑台连接的图像采集控制装置，以对所述摄像装置、所述光源装置和所述移动滑台进行统一调度调节，并对采集到的泥沙颗粒图像进行处理，提高泥沙颗粒图像的质量。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

通过附图所示，本实用新型的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰，在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本实用新型的主旨。

图1为现有的传统泥沙颗粒图像采集设备的结构示意图。

图2为本实用新型实施例提供的一种泥沙颗粒沉降过程图像采集系统的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种沉降筒的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的一种图像采集控制装置的连接示意图。

图标：10-泥沙颗粒沉降过程图像采集系统；11-沉降筒；112-温度传感器；114-温度控装置；12-摄像装置；122-镜头；13-光源装置；14-移动滑台；15-图像采集控制装置。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型实施例而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

经本申请人研究发现，如今已经有部分泥沙颗粒沉降测量是通过图像处理技术完成泥沙颗粒的沉速和粒径计算，而进行图像处理的前提是能够采集获得质量足够好的泥沙颗粒图像，但是如图1所示，现有的传统示踪粒子图像采集方式为在沉降筒侧向打光，均匀照亮沉降筒的一个纵剖面，在另一侧面采用调整好焦距的摄像机对准该纵剖面方向进行泥沙颗粒图像采集，在沉降筒中为细颗粒泥沙浑水时，其透光性较差，采用侧面打光方式很难穿透图像采集区域，从而造成泥沙颗粒图像采集区域的打光不足，无法获得高清晰度的泥沙颗粒图像。为了解决上述问题，本实用新型实施例提供了一种泥沙颗粒沉降过程图像采集系统10。

请参考图2，图2为本实用新型实施例提供的一种泥沙颗粒沉降过程图像采集系统的结构示意图。

泥沙颗粒沉降过程图像采集系统10包括沉降筒11、摄像装置12和光源装置13。

请参考图3，图3为本实用新型实施例提供的一种沉降筒的结构示意图。

沉降筒11可以为圆柱或棱柱形，沉降筒11的材料可以是金属、塑料或玻璃等不浸水且不与水发生化学反应的材料制成。应当理解的是，沉降筒11至少有一个侧面是透明的，以便于摄像装置12进行泥沙颗粒图像的采集。可选地，沉降筒11的透明面可以为多个，根据泥沙颗粒图像采集的具体要求可对其进行具体调整。

应当理解的是，在沉降筒11不稳定或受到外力影响引发振动时，也会对沉降筒11内的泥沙颗粒的自然沉降产生干扰，从而造成采集获得的泥沙颗粒图像无法准确反映泥沙颗粒的自然沉降特征。因此，本实施例提供的沉降筒11在底部设置有减震装置，所述减震装置可以是弹簧、橡胶垫等具有减震功能的弹性件，从而避免沉降筒11在外力干扰下产生振动对泥沙颗粒的自然沉降产生意外影响。

进一步地，泥沙颗粒在水中的沉降特性还受到水的影响，而温度会对水中的泥沙颗粒的沉降产生影响。例如水温对絮凝会产生较大的影响，絮凝是指使水或液体中悬浮微粒集聚变大，或形成絮团，从而加快粒子的聚沉的现象。一般情况下，随着水温的降低，絮凝剂的水解速度缓慢，颗粒的“布朗运动”强度也减弱，形成絮凝物所需时间增长，不易形成絮凝，而本实施例需要对泥沙颗粒的自然沉降进行观测，因此应该避免絮凝，从而需要对沉降筒11内的水温进行监测和调节。进一步地，在需要模拟白天或夜晚的湖泊或河道内的泥沙沉降时，也可能需要对沉降筒11内的水温进行相应的调节。因此，作为一种实施方式，本实施例中的沉降筒11内还设置有温度传感器112和温度控装置114，其中，温度控装置114可以包括电热片、制冷机等加热和制冷设备。

摄像装置12设置在沉降筒11的用于进行泥沙颗粒图像采集和观测的透明面一侧，包括正对沉降筒11的观测侧面的镜头122。作为一种实施方式，考虑到成像质量和整体装置成本，摄像装置12采用CMOS图像传感器，其中CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)指互补金属氧化物半导体及其制程，互补金属氧化物半导体是电压控制的一种放大器件，是组成CMOS数字集成电路的基本单元，采用CMOS图像传感器的摄像装置12具有更好的随机窗口读取能力、抗辐射能力以及更好的曝光控制，有利于提高图像采集质量。同时，在对对泥沙颗粒图像采集的感光要求较高时，还可以根据需要选取感光面积较大的CMOS图像传感器。

可选地，本实施例中的镜头122可以是高清镜头。进一步的，所述高清镜头可以采用超低色散镜片解决光学镜头产生的色散和色差问题。此外，镜头122可以选用定焦镜头，例如尼康AF-S 50mm高清镜头，还可以根据需求选用电动变焦镜头。

考虑到传统的示踪粒子测量装置中光源设置的缺陷，在本实施例中，光源装置13安装在摄像装置12上平行于镜头122的位置，同时，光源装置13的照射方向与镜头122的朝向相同，均正对沉降筒11的观测侧面。可选地，光源装置13为LED光源，即以发光二极管(LED)为发光体的光源，其具有发光效率高、耗电量少、使用寿命长和安全可靠性强的优点。在发光效率上，白炽灯、卤钨灯光效为12-24流明/瓦，荧光灯50～70流明/瓦，钠灯90～140流明/瓦，大部分的耗电变成热量损耗，LED光效经改良后将达到达50～200流明/瓦，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光，能够为泥沙颗粒图像采集提供更好的照明条件。

进一步地，为了更好地配合摄像装置12的镜头122，光源装置13还可以是环形光源，以便光源装置13能够环绕固定在摄像装置12的镜头122的周面，从而使镜头122和光源装置13被固定安装在一起，更好地统一图像采集角度和光线照射角度以获取更加清晰的泥沙颗粒沉降图像。其中，所述环形光源的LED阵列成圆锥状以斜角照射在被测物体表面，通过漫反射方式照亮一小片区域，工作距离较小时，所述环形光源可以突出显示被测物体原本难以看清的部分，同时环形光源能够提供不同角度照射，能突出物体的三维信息，有效解决对角照射阴影问题，能够看清颗粒更小的泥沙颗粒，并且易于获取泥沙颗粒的粒径等立体特征。

在进行泥沙颗粒图像采集的实际操作中，由于泥沙颗粒在沉降筒11中各个区域的沉降情况可能存在差别，需要选取合适的泥沙沉降区域进行观察，此时，需要对摄像装置12的位置进行调节，若通过人工手动调节则可能存在精度不够的问题。为了改善上述不足，作为一种实施方式，本实施例中的泥沙颗粒沉降过程图像采集系统10还包括移动滑台14。同摄像装置12一样，移动滑台14设置在沉降筒11的透明面一侧，摄像装置12安装在移动滑台14上。可选地，移动滑台14可以为电动滑台，所述电动滑台为通过马达驱动实现带动工件自动线性运动，通过多方向轴的组合，组成设备上的运动执行机构，因为电动滑台能够通过计算机或其他控制设备对移动距离和方向实现精确控制，因此相对于手动调节效果更好。具体地，考虑到本实施例控制摄像装置12采集泥沙颗粒图像是对位移方向的多向性要求不太高，移动滑台14还可以为十字滑台，十字滑台是指由两组直线滑台的按照X轴方向和Y轴方向组合而成的组合滑台，通常也称为坐标轴滑台、XY轴滑台。

请参考图4，图4为本实用新型实施例提供的一种图像采集控制装置的连接示意图。

进一步地，为了获得更好的泥沙颗粒图像，本实施例还设置有图像采集控制装置15，图像采集控制装置15分别与温度传感器112、温度控装置114、摄像装置12、光源装置13以及移动滑台14连接，用于控制各个测量装置，还用于处理和存储摄像装置12采集的泥沙颗粒图像。可选地，图像采集控制装置15可以是普通个人计算机，还可以是其他具有运算能力和图像处理能力的处理设备。

综上所述，本实用新型实施例提供了一种泥沙颗粒沉降过程图像采集系统，所述泥沙颗粒沉降过程图像采集系统通过将光源装置安装在摄像装置的镜头位置，保证所述光源装置和所述镜头的方向相同，打光方向和镜头方向一致，对沉降筒内的泥沙颗粒的打光穿透效果更好，进而使所述镜头能够采集更加清晰完成的泥沙颗粒的沉降图像。可选地，所述泥沙颗粒沉降过程图像采集系统还可以包括移动滑台，使所述摄像装置能够根据沉降筒中泥沙颗粒的具体沉降位置对摄像装置进行位置调节，以便获得更好的泥沙颗粒图像。进一步地，所述光源装置可以选用环形光源，所述环形光源环绕固定在所述摄像装置的镜头的周面上，从而获得更好的打光稳定性和更精确的打光角度，使光线能够更好地穿透所述沉降筒中图像采集区域的泥沙颗粒，提高泥沙颗粒图像采集质量。所述沉降筒内设置有温度传感器和温度控制装置，从而对沉降筒中的水温进行监控和调节，将水温保持在适合进行泥沙沉降的温度。此外，所述泥沙颗粒沉降过程图像采集系统还可以包括与所述摄像装置、所述光源装置和所述移动滑台连接的图像采集控制装置，以对所述摄像装置、所述光源装置和所述移动滑台进行统一调度调节，并对采集到的泥沙颗粒图像进行处理，提高泥沙颗粒图像的质量。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。