一种基于双目视觉的越浪量测量方法

本发明涉及近岸视频观测技术及水文测量领域，更具体地说是涉及一种基于双目视觉技术实现对近岸漫堤过程进行实时监测并计算其越浪量。

背景技术：

1、我国东临广阔的太平洋，每年夏季东南沿海地区易受台风侵袭，而风暴潮则是我国东南沿海地区共同面临的最主要的海洋灾害。风暴潮易造成海水漫堤淹浸等灾害，其对沿海地区造成的破坏很多是由越浪量引起，这已成为沿海城市生态环境和人民生命财产安全保护面临的一个普遍问题。

2、越浪量指的是指在波浪作用下，越过海堤等沿海建筑物堤顶的水体流量。越浪量是海堤等沿海建筑物设计的重要参数，对其堤身稳定与堤顶安全具有重要影响。然而，风暴潮期间近岸地区漫堤越浪量的获取一直以来都是近岸观测工作中的一个弱点和难点，之前的尝试大多基于实验室试验，越浪量测量主要还是通过收集越浪水体计算越浪量，实验室条件下易于实现且测量结果准确，但实际过程中仍较难实现且不能反映越浪过程。同时，有一些学者基于数值模拟进行研究，但数值模型的验证缺乏一定基础数据。此外，也有研究人员应用经验公式计算越浪量，但现有公式适用范围不广，局限性较大，不同公式计算结果差异也大。因此，若要把握漫堤淹水灾害的特点，准确计算越浪量，必须依赖于可靠、连续、长期的漫堤越浪过程的实测数据。

3、为了准确把握风暴潮漫堤淹水灾害特点，越浪量的测量已逐渐成为近年来的研究热点。例如申请日为2021年9月1日，专利号为cn202111019743.x的中国发明专利公开了一种基于三维激光雷达的海岸防浪建筑物越浪量测量方法，该方法可以实时获取防浪建筑物堤顶的流量和总越浪量，测量精度高，且可以反映整个越浪过程，为实验室和现场的越浪量分析提供了切实可行的方法。但激光雷达价格较高，不利于在沿海城市推广应用。

4、现有的越浪量测量大多在实验室进行，但该种方式易受模型比尺效应影响且不能反映其越浪过程，一些高精度的方法又因不够经济而无法推广使用。为更全面地了解海水漫堤过程及其对堤后造成的灾害特点，本发明采用双目视觉技术对漫堤过程进行监测，并测量越浪量，计划在现有研究的基础上，对各个因素作用机制深入探讨，定量分析各因素对越浪量大小的贡献。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于双目视觉的越浪量测量方法。

2、本发明包括如下步骤：

3、(1)图像采集与传输

4、采用两台图像采集设备，对近岸海堤附近区域的海浪进行实时监测；

5、分别采集并通过无线网络传输视频，得到对应的两组图像；

6、(2)图像匹配

7、通过图像匹配算法实现两个像素坐标点的精确匹配，使两组图像中的像素点坐标准确对应于同个三维空间点的坐标；

8、(3)三维信息重建，获取三维散点坐标；

9、(4)进行测点间距、波面高度求解；

10、(5)获取各测点对应的表面流速；

11、(6)采用流速-面积法计算越浪量。

12、进一步说，所述的图像采集设备采用高清摄像机，在得到对应的两组图像后，进行镜头光学畸变校正，进而输出摄像机主点位置，畸变系数，相机内参矩阵，每张图像对应的旋转矩阵和平移矩阵。

13、进一步说，还包括摄像机标定步骤，具体采用dlt方程进行标定。

14、进一步说，若处于夜间黑暗环境下，则使用多尺度视网膜图像增强技术，改善夜间黑暗环境下图像的视觉效果。

15、进一步说，步骤(4)具体是：基于所获取的三维散点坐标，经内部插值求得指定点处的测点坐标、堤顶高程与波面高程；波面高度通过波面高程与堤顶高程相减获得。

16、进一步说，步骤(5)采用大尺度粒子图像测速技术来获取表面流速。具体是：

17、首先，对图像进行正向校正：

18、基于dlt方程建立过程中所布设的地面控制点，在其所含范围内选取所要区域，并对该区域进行网格划分，通过插值获取各点在xy平面中的二维信息；

19、随后，基于获取三维散点坐标，利用dlt方程，反算出各点在原图像中的像素坐标；

20、再取原图像中该点的灰度值代入各网格节点，可得到正向投影图像；

21、其次，基于正向校正后的图像，在前一帧的查询区域和后一帧的搜索区域间进行相关分析操作，相关系数最大的两个窗口对应最可能的位移δs，位移δs除以对应的时间间隔δt便得出速度矢量，获得区域内海浪表面流速，进而获取各测点对应的表面流速。

22、进一步说，步骤(6)具体是：

23、首先，根据所得各测点对应的表面流速，将其通过流速系数转换为垂线平均流速；

24、其次，根据获取的测点位置、堤顶高程与波面高程，将二者相减获得各测点对应的波面高度；

25、最后，根据各测点垂线平均流速、测点间距与波面高度求解越浪量。

26、本发明的有益效果：

27、(1)使用两台高清摄像机即可实现高精度的连续观测，受台风风暴潮等极端天气影响小，成本低且易于实际操作，有利于在沿海城市大范围推广应用；

28、(2)本发明重点针对风暴潮期间近岸的漫堤越浪过程进行视频观测，实现对越浪量的非接触式测量，有助于未来对越浪量的不同影响因素开展定量研究；

29、(3)本发明能实时获取波高、流速、越浪量等数据，监测越浪过程，可为海水漫堤淹浸等灾害问题的研究提供科学依据与技术支持，对海岸带区域防灾减灾工程具有重要意义；

30、(4)本发明将双目视觉技术与大尺度粒子图像测速技术进行结合，使正向校正结果更能反映水流真实的流态，则表面流速的计算结果更加可靠，从而提高了越浪量的计算精度；

31、(5)本发明基于流速-面积法计算越浪量，测点数目灵活可控，更测点布设更为密集则可获取更高精度的越浪量计算结果。

技术特征：

1.一种基于双目视觉的越浪量测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉的越浪量测量方法，其特征在于：所述的图像采集设备采用高清摄像机，在得到对应的两组图像后，进行镜头光学畸变校正，进而输出摄像机主点位置，畸变系数，相机内参矩阵，每张图像对应的旋转矩阵和平移矩阵。

3.根据权利要求2所述的一种基于双目视觉的越浪量测量方法，其特征在于：还包括摄像机标定步骤，具体采用dlt方程进行标定。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种基于双目视觉的越浪量测量方法，其特征在于：若处于夜间黑暗环境下，则使用多尺度视网膜图像增强技术，改善夜间黑暗环境下图像的视觉效果。

5.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉的越浪量测量方法，其特征在于：步骤(4)具体是：基于所获取的三维散点坐标，经内部插值求得指定点处的测点坐标、堤顶高程与波面高程；波面高度通过波面高程与堤顶高程相减获得。

6.根据权利要求3所述的一种基于双目视觉的越浪量测量方法，其特征在于：步骤(5)采用大尺度粒子图像测速技术来获取表面流速。

7.根据权利要求6所述的一种基于双目视觉的越浪量测量方法，其特征在于：所述步骤(5)具体是：

8.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉的越浪量测量方法，其特征在于：步骤(6)具体是：

技术总结
本发明提供了一种基于双目视觉的越浪量测量方法。本发明首先通过光学畸变校正消除镜头畸变，随后进行摄像机标定，通过在观测区域内布设地面控制点分别建立两台摄像机的二维图像坐标和实际三维空间坐标之间的线性转换关系，再根据图像匹配技术将同一个三维目标点在两台摄像机拍摄的图像中的像点进行匹配，最后进行三维信息重建，结合后期数字图像处理技术与大尺度粒子图像测速技术反演测点间距、波面高度及表面流速等参数，最后使用流速‑面积法计算越浪量。本发明以较低成本即可实现近岸漫堤越浪过程的非接触式连续观测，获取漫堤过程、越浪量等实测数据，可作为风暴潮漫堤等数值模型检验和验证的重要参考资料。

技术研发人员：林颖典,叶一群,贺治国,王立忠
受保护的技术使用者：浙江大学海南研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15