液位测量方法、装置及存储介质与流程

1.本技术涉及液位测量技术领域，特别是涉及一种液位测量方法、装置及存储介质。


背景技术：

2.在现代工业生产过程中通常需要对物位进行严格的检测和控制。而液位作为物位的一种，同样是工业监控的重要环节。用于测量液位的仪表叫液位计，液位计是一种在工业生产中经常使用到的测量仪表，在工业场景中对各式各样的液体变化测量后再读数值。液位计的应用场景也比较广泛，如工业、电力、石油、化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等场景，不同的场景对于液位计的要求不尽相同。
3.目前液位计的类型主要有磁浮式、超声波、音叉振动式、压力式、声呐波，磁翻板、雷达等。常见的磁翻板液位计是一种机械式浮子式的液位测量装置，其是根据浮力原理和磁性耦合作用制作而成。当被测容器中的液位发生变化时，磁翻板液位计导管中的磁性浮子随之升降，磁性浮子内的永久磁钢通过磁耦合传递到磁翻板指示器，从而驱动红柱和白柱的翻转。当液位上升时，翻转柱从白色变为红色，当液位下降时，翻转柱从红色变为白色。红、白翻转柱的交界处即为液位实际高度，从而可以直接读取容器内的液位变化。但这种磁翻板液位计容易受到被测介质密度的影响，其精度不高。更重要的是，利用磁翻板液位计需要人工进行数据的读取，一是人工读取的数值存在差异性导致测量精度下降，二是人工方式无法实时检测液位，效率低下，不能满足现代工业生产的需求。
4.现有技术中采用其他类型的液位计进行液位测量时，同样需要人工对液位计进行计数，从而导致测量精度差且测量效率低。如何提高工业生产中液位的测量精度和测量效率就成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。


技术实现要素：

5.鉴于以上所述现有技术的缺点，本技术的目的在于提供一种液位测量方法、装置及存储介质，用于解决现有技术中液位的测量精度差且测量效率低的问题。
6.为实现上述目的及其他相关目的，本技术的第一方面，提供一种液位测量方法，包括：
7.利用接触式图像传感器获取液位管的原始图像；
8.对所述原始图像进行预处理以获取目标图像，所述目标图像中包括液位图像；
9.获取所述液位图像在所述目标图像中的坐标位置；
10.根据所述坐标位置获取液位管中的液位高度。
11.在本技术第一方面的某些实施方式中，所述对所述原始图像进行预处理以获取目标图像的步骤包括：
12.通过空域滤波器对所述原始图像进行滤波以获取滤波后的图像；
13.对所述滤波后的图像进行图像二值化处理，以获取所述目标图像。
14.在本技术第一方面的某些实施方式中，在对所述滤波后的图像进行图像二值化处
理之后，对二值化后的图像进行形态学处理，将经过形态学处理的图像作为所述目标图像。
15.在本技术第一方面的某些实施方式中，所述通过空域滤波器对所述原始图像进行滤波以获取滤波后的图像的步骤包括：
16.通过均值滤波器对所述原始图像进行均值滤波；
17.通过双边滤波器对均值滤波后的图像进行双边滤波；
18.将双边滤波后的图像作为所述滤波后的图像。
19.在本技术第一方面的某些实施方式中，在对所述原始图像进行预处理以获取目标图像的步骤之后，包括：判断所述液位图像的平整度是否符合预设阈值，当所述液位图像的平整度小于预设阈值时，获取所述液位图像在所述目标图像中的坐标位置。
20.在本技术第一方面的某些实施方式中，所述获取所述液位图像在所述目标图像中的坐标位置的步骤包括：
21.基于边缘检测算法获取所述液位图像的边缘数据；
22.对所述边缘数据做霍夫变换以获取边缘线段，将所述边缘线段的端点坐标的平均值作为所述液位图像在所述目标图像中的坐标位置；或，
23.基于垂直投影方式获取所述边缘数据对应的各个像素数据；
24.将所述各个像素数据的平均值作为所述液位图像在所述目标图像中的坐标位置。
25.在本技术第一方面的某些实施方式中，所述根据所述坐标位置获取液位管中的液位高度的步骤包括：
26.基于目标图像的图像宽度以及目标图像对应的物理刻度获取单个像素对应的物理刻度；
27.将单个像素对应的物理刻度与所述坐标位置的积作为所述液位高度。
28.在本技术第一方面的某些实施方式中，在根据所述坐标位置获取液位管中的液位高度的步骤之后，所述方法还包括：将所述液位高度进行显示。
29.在本技术第一方面的某些实施方式中，将所述液位高度进行显示的步骤包括：判断所述液位高度是否小于告警阈值，当所述液位高度小于所述告警阈值时，对所述液位高度进行显示。
30.在本技术第一方面的某些实施方式中，所述利用接触式图像传感器获取液位管的原始图像的步骤包括：基于操作指令启动所述接触式图像传感器，以获取液位管的原始图像；或，实时或定时地启动所述接触式图像传感器，以获取液位管的原始图像。
31.本技术的第二方面，提供一种液位测量装置，所述装置包括：液位管、接触式图像传感器、采集卡和处理器；所述接触式图像传感器设置于所述液位管的一侧，用于在所述采集卡的控制下采集所述液位管的图像；所述采集卡将采集到的图像传输至处理器；所述处理器包括存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项所述的方法的步骤，以获得液位管中的液位高度。
32.在本技术第二方面的某些实施方式中，所述液位测量装置还包括：光源；所述光源位于所述液位管的另一侧，且与所述接触式图像传感器相对设置。
33.本技术的第三方面，提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项所述的方法的步骤。
34.如上所述，本技术的液位测量方法、装置及存储介质，具有以下有益效果：
35.本技术的液位测量方法、装置及存储介质，利用接触式图像传感器获取液位管的原始图像；接着对所述原始图像进行预处理以获取目标图像；然后获取液位图像在所述目标图像中的坐标位置；最后根据所述坐标位置获取液位管中的液位高度。本技术中，通过图像处理方式获取液位管中的液位高度，无需人工进行液位的读取，不仅提高了液位测量的效率而且也提高了液位结果的精度。
附图说明
36.图1显示为本技术液位测量方法的实施例一流程示意图。
37.图2显示为本技术液位测量方法中获取目标图像的一实现方式的流程示意图。
38.图3显示为本技术液位测量方法中获取坐标位置的一实现方式的流程示意图。
39.图4显示为本技术液位测量方法中获取坐标位置的另一实现方式的流程示意图。
40.图5显示为本技术液位测量方法的实施例二的流程示意图。
41.图6显示为本技术液位测量装置的实施例一的结构示意图。
具体实施方式
42.以下由特定的具体实施例说明本技术的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本技术的其他优点及功效。
43.在下述描述中，参考附图，附图描述了本技术的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本公开的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本技术的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本技术。空间相关的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，可在文中使用以便于说明图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。
44.虽然在一些实例中术语第一、第二等在本文中用来描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个元件进行区分。再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“a、b或c”或者“a、b和/或c”意味着“以下任一个：a；b；c；a和b；a和c；b和c；a、b和c”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
45.请参阅图1，图1显示为本技术液位测量方法实施例一的流程示意图，如图所示，所述液位测量方法包括：
46.步骤s10，利用接触式图像传感器获取液位管的原始图像；
47.步骤s20，对所述原始图像进行预处理以获取目标图像，所述目标图像中包括液位图像；
48.步骤s30，获取所述液位图像在所述目标图像中的坐标位置；
49.步骤s40，根据所述坐标位置获取液位管中的液位高度。
50.具体地，所述步骤s10：利用接触式图像传感器(contact image sensor，cis)获取液位管的原始图像的步骤可以包括：基于操作指令启动所述接触式图像传感器，以获取液位管的原始图像；或，实时或定时地启动所述接触式图像传感器，以获取液位管的原始图像。
51.在具体应用中，获取原始图像的过程可以基于用户的操作指令进行，例如，用户通过人机交互界面进行操作指令的输入，在接收到用户的操作指令后，所述接触式图像传感器被启动，然后利用所述接触式图像传感器采集液位管的原始图像。当然，还可以实时地或定时地启动接触式图像传感器，例如可以根据实际需求将接触式图像传感器设置为每隔10分钟启动一次以获取液位管中的原始图像，定时时间间隔可根据实际情况进行设置，本技术对此不做限制。无论采用上述哪种方式获取到原始图像均在本技术的保护范围内。
52.通过步骤s10获取到液位管的原始图像后，执行步骤s20，对所述原始图像进行预处理以获取目标图像。具体地，如图2所示，所述步骤s20可以包括：
53.步骤s201，通过空域滤波器对所述原始图像进行滤波以获取滤波后的图像；
54.步骤s202，对所述滤波后的图像进行图像二值化处理，以获取所述目标图像。
55.具体地，在执行步骤s201时可以首先通过均值滤波器对所述原始图像进行均值滤波；然后通过双边滤波器对均值滤波后的图像进行双边滤波；最后将双边滤波后的图像作为所述滤波后的图像。
56.本实施例中可以采用邻域平均法对原始图像进行均值滤波，即用均值代替原图像中的各个像素值，例如对待处理的目标像素点a(x，y)，选择一个滤波模板，该滤波模板由其近邻的若干像素组成，求模板中所有像素的均值，再把该均值赋予当前像素点a(x，y)，作为处理后图像在该点上的灰度g(x，y)，即g(x，y)＝∑f(x，y)/m；其中m为该模板中包含当前像素在内的像素总个数。例如，可以选取目标像素点a(x，y)为中心的周围8个像素以构成一个滤波模板(包括目标像素本身)，再用该滤波模板中的全体像素的平均值来代替原来像素值。在实际应用中，可以根据实际需求选取不同数量的像素点组成滤波模板，本技术对此不做限制。通过对原始图像进行均值滤波可以将原始图像中的噪点滤除从而提高图像数据的精度。
57.在完成均值滤波后再对图像进行双边滤波(bilateral filter)，双边滤波时可以利用一个与空间距离相关的高斯函数与一个灰度距离相关的高斯函数相乘。其中，空间距离指的是当前点与中心点的欧氏距离，空间域的高斯函数为：
58.其中，(xi，yi)为当前点位置，(xc，yc)为中心点的位置，σ为空间域标准差。
59.灰度距离指的是当前点灰度与中心点灰度的差的绝对值。值域高斯函数为：其中，gray(xi，yi)为当前点灰度值；gray(xc，yc)为中心点的灰度值，σ为值域标准差。
60.对均值滤波后的图像进行双边滤波，一方面进一步滤除了图像中的噪点，另一方
面还可以对液位图像进行增强，从而进一步提高了图像的精度。
61.在执行完步骤s201获得滤波后的图像之后，执行步骤s202，对滤波后的图像进行二值化处理。具体地，图像二值化(image binarization)就是将图像上的像素点的灰度值设置为0或255，也就是将整个图像呈现出明显的黑白效果的过程。在本实施例中，可以将背景处理为白色(灰度值255)，而相对于背景而言颜色(灰度)更深的物体(液位)，在二值化之后变为黑色(灰度值0)。当然，也可以根据其他需求或个人偏好，将背景处理为黑色，而需要测量的物体(液位)设置为白色，本技术对此不做限制。
62.通过步骤s202对图像进行二值化处理后，大大减少了图像中的数据量从而提高后续处理的效率；同时还能凸显出目标(液位图像)的轮廓，从而提高后续处理的精度。
63.在其他实施例中，在执行完步骤s202，即在对所述滤波后的图像进行图像二值化处理之后，还可以包括对二值化后的图像进行形态学处理，将经过形态学处理的图像作为所述目标图像。具体地，可以根据图像及实际应用场景对二值化的图像进行腐蚀、膨胀、开和闭运算等形态学运算。具体形态学处理的过程及原理与现有技术中的相似，本技术对此不再赘述。
64.在执行完步骤s20获取到目标图像后，执行步骤s30：获取所述液位图像在所述目标图像中的坐标位置。图3示出了本技术中步骤s30的一实现方式的流程示意图；如图3所示，所述步骤s30可以包括：
65.步骤s301，基于边缘检测算法获取所述液位图像的边缘数据；
66.步骤s302，对所述边缘数据做霍夫变换以获取边缘线段；
67.步骤s303，将所述边缘线段的端点坐标的平均值作为所述液位图像在所述目标图像中的坐标位置。
68.所述步骤s301的具体实现过程可以为：首先对所述目标图像进行高斯平滑，以降低错误率；接着，采用soble算子、prewitt算子、roberts算子、canny算子等计算梯度幅度和方向来估计每一点处的边缘强度与方向；然后，根据梯度方向，对梯度幅值进行非极大值抑制；最后利用双阈值算法对sobel算子、prewitt等算子结果的进一步细化，从而检测和连接边缘。在本实现方式中，优选canny算法获取所述液位图像的边缘数据。通过步骤s301，可快速且精确地获取所述液位图像的边缘数据。
69.通过步骤s301获取到液位图像的边缘数据后，对所述边缘数据进行霍夫变换(hough transform)以获取液位图像的边缘线段，进行霍夫变换的过程与现有技术相似，在此不再赘述。在获取到边缘线段后，获取所述边缘线段的两个端点的坐标，将这两个端点的坐标进行平均以获得其平均值，将所述平均值作为所述液位图像在所述目标图像中的坐标位置。通过本实现方式可快速、有效且精准地获取到液位图像在所述目标图像中的坐标位置，从而为后续的处理提高效率和精度。
70.图4示出了本技术中步骤s30的另一实现方式的流程示意图，如图4所示，所述步骤s30还可以包括：
71.步骤s301，基于边缘检测算法获取所述液位图像的边缘数据；
72.本实施例中获取液位图像的边缘数据的实现方式可参考前述图3中的详细描述，对此不再赘述。
73.步骤s304，基于垂直投影方式获取所述边缘数据对应的各个像素数据；
74.具体地，在获取到液位图像的边缘数据之后，可以采用垂直投影的方式对边缘数据进行扫描，从而获得所述边缘数据对应的各个像素数据。对于二值图像而言，可以通过行扫描或列扫描的方式获取水平方向的投影或垂直方向的投影，从而获得水平方向上的像素数据或垂直方向上的像素数据。水平方向的投影就是每行的非零像素值的个数(1或者255)，类似地，垂直投影就是每列图像数据中非零像素值的个数。通过水平方向的投影可获得图像的横坐标，而通过垂直方向的投影可获得图像的纵坐标。本实现方式中，通过垂直投影方式获得的即边缘数据对应的各个像素的纵坐标。
75.步骤s305，将所述各个像素数据的平均值作为所述液位图像在所述目标图像中的坐标位置。
76.为精确地获取到液位图像在所述目标图像中的坐标位置，可以将步骤s304中获取到的各个像素的数据进行平均，将平均值作为所述液位图像在所述目标图像中的坐标位置。需要说明的是，前述两种关于坐标位置的获取方式仅为举例说明，本领域技术人员还可以采用其他方式来实现，其并不应限制本技术的保护范围。
77.在本实施例中，在获取到液位图像在所述目标图像中的坐标位置后，执行步骤s40，即通过所述坐标位置获取液位管中的液位高度。具体地，获取液位高度的过程可以包括：基于目标图像的图像宽度以及目标图像对应的物理刻度获取单个像素对应的物理刻度；将单个像素对应的物理刻度与所述坐标位置的积作为所述液位高度。
78.在实际应用中，所述目标图像的图像宽度可以准确的获得或计算出来，并且与所述目标图像对应的实现物理刻度成一定比例，具体的比例根据实际应用场景和使用的设备确定，在此不做赘述。通过所述目标图像的图像宽度可获知目标图像中的像素数量，根据目标图像中的像素数量、目标图像对应的物理刻度以及目标图像与实际物理刻度之间的比例可获知单个像素对应的物理刻度，将单个像素对应的物理刻度与步骤s30获得的坐标位置相乘，所得出的积即为液位高度。所述液位高度表征的即为待测设备中液位的实际高度。
79.在本实施例的液位测量方法中，只需要获得液位管中的图像数据即可直接获取出液位高度，不需要进行人工测量，从而大大缩短了测量的流程、提高了测量的效率、降低了测量的成本，同时还可有效地提高测量的精度。
80.需要说明的是，本技术的液位测量方法中，在通过步骤s40获取液位管中的液位高度的步骤之后还可以包括：将所述液位高度进行显示。具体地可以将所述液位高度传输至人机交互界面或其他显示设备进行显示，显示的方式可以为显示液位数值，还可以显示为图形，或者以其他形式进行显示，此不应限制本技术的保护范围。
81.图5显示为本技术液位测量方法的实施例二的流程示意图，如图所示，本实施例的液位测量方法包括：
82.步骤s10，利用接触式图像传感器获取液位管的原始图像；
83.与实施例一类似地，通过所述步骤s10获取原始图像时，可以基于操作指令启动所述接触式图像传感器，以获取液位管的原始图像；或，实时或定时地启动所述接触式图像传感器，以获取液位管的原始图像，本技术对此不做限制。具体的获取原始图像的过程可参考前述实施例一及附图1的详细说明，对此不再赘述。
84.步骤s20，对所述原始图像进行预处理以获取目标图像，所述目标图像中包括液位图像；
85.对原始图像进行预处理的过程及原理可参考前述实施例一、附图1和附图2的详细说明，在此不再赘述。在执行完步骤s20，获取到目标图像及液位图像后，执行步骤s50：判断所述液位图像的平整度是否符合预设阈值。
86.具体地，可以利用边缘检测算子对所述液位图像的平整度进行计算，如sobel算子、prewitt算子、roberts算子、log算子或canny算子等等。具体采用哪种算子进行平整度进行计算，可在应用中根据实际情况进行选择，本技术对此不做限制。在计算出所述液位图像的平整度之后，与预设阈值进行比对。所述预设阈值根据实际应用或具体场景做不同的设置或调整，此不应限制本技术的保护范围。
87.当所述液位图像的平整度小于预设阈值时，执行步骤s30：获取所述液位图像在所述目标图像中的坐标位置。然后再执行步骤s40，根据所述坐标位置获取液位管中的液位高度。所述步骤s30和步骤s40的具体工作过程可参考前述实施例一中的详细描述，在此不再赘述。
88.继续参考图5，在本实施例中，在执行完步骤s40获取到所述液位高度后，执行步骤s60：判断所述液位高度是否小于告警阈值。当所述液位高度小于所述告警阈值时，执行步骤s70：对所述液位高度进行显示。在实际应用中，当液位高度小于告警阈值时，可以将所述液位高度进行高亮显示，或者进行其他的告警显示，例如可以通过提示音、提示窗口等多种形式进行显示，本技术对此不做限制。当液位高度不小于告警阈值时，可以不显示，或者仅显示数值信息但不做其他提醒性的显示等等，具体的显示形式可根据需求做不同的设置。
89.另外，所述告警阈值可以根据实际需求或相关经验进行具体设定，不同的应用场景以及不同的应用需求对应不同的告警阈值，本技术对此不做限制。通过本实施例的显示方式，可有效地提高告警精度和效率。当然，在实际应用中，通过步骤s40获取到液位高度后，可如前述实施例一中所述的，直接对所述液位高度进行显示，例如可以将所述液位高度传输至人交互界面或相应的显示装置(如显示屏)进行显示。当然，也可以根据实际情况，对所述液位高度进行其他形式的显示。
90.本技术还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述的液位测量方法的步骤。处理器在执行所述计算机程序时的具体过程可参考前述图1～图5以及实施例一、实施例二中的详细说明，在此不再赘述。
91.图6显示为本技术液位测量装置的实施例一的结构示意图。如图所示，所述液位测量装置包括：液位管10、接触式图像传感器20、采集卡30和处理器40。
92.具体地，所述接触式图像传感器20设置于所述液位管10的一侧，用于在所述采集卡30的控制下采集所述液位管10的图像；所述采集卡30将采集到的图像传输至处理器40；所述处理器40可以包括存储器401，所述存储器401中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器40执行时实现如前述的液位测量方法的步骤，以获得液位管中的液位高度。
93.需要说明的是，所述存储器401可以设置于所述处理器40中，也可以为单独设置的部件，并通过接口或者数据线与所述处理器进行通信。本实施例中，所述接触式图像传感器是由cmos工艺制作的传感器ic组成阵列。在实际应用中可根据实际需求选择所述接触式图像传感器的型号，本技术对此不做限制。
94.在实际应用中，所述液位测量装置还可以包括光源。所述光源位于所述液位管10的另一侧，且与所述接触式图像传感器20相对设置。所述光源的作用在于提供光源以便所
述接触式图像传感器获得更清晰精准的图像。具体地，所述光源和所述接触式图像传感器20之间仅有液位管10相隔。所述光源在宽度及长度上至少与所述接触式图像传感器20相同，也就是说所述光源的长度可以与所述接触式图像传感器20的长度相同，或者比所述接触式图像传感器的长度长。同理，所述光源的宽度可以与所述接触式图像传感器20的宽度相同，或者比所述接触式图像传感器的宽度宽。关于所述光源和所述接触式图像传感器20的尺寸可以根据实际需求确认；另外，还可以根据具体应用场景选择恰当类型的光源，此并不应限制本技术的保护范围。
95.继续参考图6，所述采集卡30与所述接触式图像传感器20相连，所述接触式图像传感器20在所述采集卡30的驱动下采集相关图像。根据接触式图像传感器20的类型选择与之适配的采集卡30。所述采集卡与所述接触式图像传感器可通过数据线、总线等方式进行实物连接，也可以通过其他形式进行无线连接，本技术对此不做限制。
96.在采集卡获取到液位管中的原始图像后，通过无线网络、usb、蓝牙等各种方式将原始图像传输至处理器。所述处理器可以为cpu、mpu等处理器；当然，所述处理器还可以为电子设备中的一个组件，所述电子设备还可以包括存储器、存储器控制器、一个或多个处理单元(cpu)、外设接口、rf电路、音频电路、扬声器、麦克风、输入/输出(i/o)子系统、触摸屏、其他输出或控制设备，以及外部端口。这些组件通过一条或多条通信总线或信号线进行通信。所述电子设备还包括用于为各种组件供电的电源系统。该电源系统可以包括电源管理系统、一个或多个电源(例如电池、交流电(ac))、充电系统、电源故障检测电路、电源转换器或逆变器、电源状态指示器(例如发光二极管(led))，以及与便携式设备中的电能生成、管理和分布相关联的其他任何组件。所述电子设备包括但不限于笔记本电脑、平板电脑、移动电话、智能手机、媒体播放器、个人数字助理(pda)等等，还包括其中两项或多项的组合。
97.本技术的液位测量方法、装置、存储介质通过获取液位管中的原始图像，并对原始图像进行处理后，直接获取液位管中的液位高度，通过这样的方式不需要人为介入，大大减化了液位测量的流程，提高了液位测量的效率；同时避免了由于人为因素导致的液位高度不准确的问题，从而提高了液位测量的精度；进一步地，由于不需要人工进行处理，也大大降低了液位测量的成本。
98.上述实施例仅例示性说明本技术的原理及其功效，而非用于限制本技术。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本技术的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本技术所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本技术的权利要求所涵盖。