專利名稱：視頻波浪測量方法和測量系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及海洋波浪測量技術，特別是涉及采用連續(xù)幀圖像執(zhí)行波浪測量的方法和系統(tǒng)。
背景技術：
海洋波浪的產生與運動是海洋中最常見的物理現象之一，波浪測量對于海洋工程設計、海上運輸和捕撈作業(yè)、海洋環(huán)境預報以及海洋科學研究等都是非常重要的。
傳統(tǒng)的海洋波浪監(jiān)測設備是將測波傳感器直接放入海水中，通過檢測海水質點的運動和海面的水位變化來測量海洋波浪參數。傳統(tǒng)的海洋波浪監(jiān)測設備采用單點測量方式，測量范圍小。即使多點布設測量儀器，其測量范圍也是有限的，而且測量數據資料整體性差。
隨著遙感和遙測技術的發(fā)展，采用視頻圖像測量海洋波浪參數的方法得到進一步的應用。用視頻圖像測量海洋參數，與傳統(tǒng)的海洋監(jiān)測設備的測量方式比較，有測量范圍大、整體性強的優(yōu)點。目前采用多種方式獲取的圖像包括衛(wèi)星遙感圖像、飛機航空拍攝圖像、船舶航行拍攝圖像、岸邊或平臺固定攝像裝置拍攝的圖像等，可以用于海洋波浪參數測量。
應用視頻圖像不僅能記錄海面波浪的靜態(tài)信息，而且還記錄海面波浪的動態(tài)信息，能夠測量波浪的運動參數。在海面圖像中，波峰與波谷的不同亮度構成了圖像紋理結構，特別是波浪破碎一般都發(fā)生在波峰，碎波白浪在圖像中為高亮度的像素，在波浪傳播方向的垂直方向形成了波浪峰谷的線狀紋理特征，研究波浪視頻圖像能獲得波浪運動參數。
目前已經報道的視頻圖像波浪測量研究工作包括通過檢測波浪運動中產生的碎波白浪，在圖像處理中跟蹤具有較高亮度值的波峰帶，來獲取運動參數的方法；通過傅立葉(Fourier)變換檢測波浪運動中頻譜和相關函數，獲取運動參數的方法；通過小波(Wavelet)變換分離波浪運動中頻譜各向異性獲取方向參數的方法。
但是，上述現有技術的視頻圖像波浪測量方法存在著計算復雜、測量參數少等問題。

發(fā)明內容
針對上述現有技術的視頻圖像波浪測量方法所存在的問題，本發(fā)明推出對數字視頻波浪圖像進行更便捷處理的新的視頻波浪測量方法，其目的在于通過對各向同性剪切圖像進行Radon變換(拉東變換)和對時棧圖像執(zhí)行Radon變換，以獲取波向、波速、波長和波周期的波浪參數。同時，本發(fā)明還推出實施上述視頻波浪測量方法的視頻波浪測量系統(tǒng)。
本發(fā)明所涉及的視頻波浪測量方法是由計算機對CCD攝像機拍攝的海面波浪圖像進行處理并提取波向、波速、波長、波周期等的波浪參數。所述的視頻波浪測量方法包括以下步驟1、采集海面圖像用CCD攝像機拍攝海面圖像，然后將圖像數據傳輸到計算機。
2、預處理圖像增強海面紋理對海面圖像進行預處理，對于較暗的圖像，采取增強對比度的方法增強海面紋理，改善圖像畫面質量。
3、各向同性剪切圖像將增強紋理的海面圖像在原圖像范圍內剪切最大可用的圓形圖像，實現海面圖像的各向同性剪切。
4、對圖像執(zhí)行Radon變換對各向同性剪切的圖像執(zhí)行Radon變換，將數字圖像變換為Radon變換域內的投影圖像。
具體為在二維圖像平面，定義坐標系，以x軸為水平方向的坐標軸，以y軸為垂直方向的坐標軸，f(x，y)為在(x，y)處的圖像亮度。Radon變換是計算圖像函數f(x，y)在同一個二維圖像平面上，沿指定角度射線方向上投影的變換方法。圖像函數f(x，y)的投影是其在確定方向上的線積分，將圖像中的像素亮度進行積分所得的結果，即為Radon變換域內的投影強度。例如，f(x，y)在垂直方向上的二維線積分就是f(x，y)在x軸上的投影；f(x，y)在水平方向上的二維線積分就是f(x，y)在y軸上的投影?？梢匝?°～360°任意角度θ計算函數f(x，y)的投影，這也就是說，任意角度上都存在函數f(x，y)的Radon變換。設x軸和y軸組成的坐標系在同一平面上以原點為中心、以角度θ旋轉，x軸以角度θ旋轉所得為x′軸，y軸以角度θ旋轉所得為y′軸，因而x′軸和y′軸組成新的一個坐標系，這里定義f(x，y)在角度為θ的Radon變換是f(x，y)平行于y′軸的一個在x′軸上的投影線積分Rθ(x′)=∫-∞∞f(x′cosθ-y′sinθ,x′sinθ+y′cosθ)dy′]]>式中
x′y′=cosθsinθ-sinθcosθxy]]>以角度θ為變量的Radon變換做出一幅Radon變換域內的投影圖像，其橫軸為角度θ，縱軸為x′，Radon變換的投影線積分的強度Rθ(x′)就是Radon變換域內的投影圖像亮度。
5、提取波長參數沿波浪傳播取向(Orientation)上提取波長參數。
在Radon變換域內的投影圖像中，檢測最大強度Rθ(x′)，提取Radon變換域內最大強度Rθ(x′)對應的角度θM，θM為波浪傳播取向。θM角存在±180°的多義性，可能是沿波浪傳播方向，也可能是逆波浪傳播方向。
沿波浪傳播取向上提取波長參數選用的是沿波浪傳播取向的θM角，即，在與波浪前進路徑平行方向的對應角度θM的強度內檢測強度峰值或谷值，計算峰值間距或谷值間距以得出波長。
6、堆疊時棧圖像從增強紋理的海面圖像中，根據波浪前進路徑平行方向的對應角度θM，沿波浪傳播取向截取線條狀圖像切片，再對連續(xù)相鄰幀在相同位置處用同樣方式截取線條狀圖像切片，并對連續(xù)相鄰幀的線條狀圖像切片，按照原來圖像幀的時間順序，類似于計算機的進棧操作過程，逐個地把線條狀圖像切片堆疊起來，集成為時棧(time-stack)圖像。
7、對時棧圖像執(zhí)行各向同性剪切在二維時棧圖像平面的圖像范圍內剪切最大可用的圓形圖像。
8、對時棧圖像執(zhí)行Radon變換對剪得的時棧圖像執(zhí)行Radon變換，將數字圖像變換為Radon變換域內的投影圖像。
9、提取波向、波速、周期參數在Radon變換域內的投影圖像中，檢測最大強度；提取Radon變換域內最大強度對應的角度，依據該角度值和沿波浪傳播的取向，確定波浪傳播的方向即為波向；在Radon變換域內提取的最大強度對應的角度，依據該角度值計算對應在時棧圖像內的波峰傳播方向的斜率，得到波速；再計算波長與波速的商，得到周期。
10、輸出波浪參數按照實際成像所對應的大地尺度和方向角度，將提取的波浪參數換算到實際的大地坐標，并在輸出裝置上顯示和打印。輸出的波浪參數為波向、波速、波長、周期。
本發(fā)明所涉及的視頻波浪測量系統(tǒng)包括海面圖像采集裝置、圖像處理和波浪參數提取裝置以及測量結果輸出裝置。
海面圖像采集裝置為CCD攝像機，具有USB、IEEE1394(Firewire)標準的數據傳輸方式或嵌入網絡傳輸方式，能夠將圖像數據直接、快速傳輸到計算機。海面圖像采集裝置安裝在高于海面的燈塔、海洋平臺、近岸建筑物或支架等上面，拍攝鏡頭對準測量海面，拍攝測量區(qū)域的海面圖像序列。
圖像處理和波浪參數提取裝置由微型計算機構成，具有實施上述視頻波浪測量方法的功能預處理圖像增強海面紋理，各向同性剪切圖像，堆疊時棧圖像，對海面圖像和時棧圖像執(zhí)行Radon變換，在波浪傳播取向提取波長、波向、波速、周期等波浪參數。
測量結果輸出裝置為與圖像處理和波浪參數提取裝置的微型計算機連接的顯示器和打印機，可以按照實際成像所對應的大地尺度和方向角度將波向、波速、波長、周期等波浪參數換算到實際的大地坐標。
本發(fā)明所涉及的視頻波浪測量方法和測量系統(tǒng)可以對采集的海面圖像進行更便捷地視頻數字圖像處理，以獲取更多的波浪測量參數。


圖1為本發(fā)明涉及的視頻波浪測量方法的流程圖。
圖2為本發(fā)明涉及的視頻波浪測量系統(tǒng)的框圖。
圖3為波浪模擬圖像圖。
圖4為對圖3圖像各向同性剪切獲得的圖像。
圖5為對圖4圖像執(zhí)行Radon變換獲得的強度圖。
圖6為對圖5檢測峰值強度對應角度獲得的強度曲線圖。
圖7為沿波浪傳播取向截取線條狀圖像切片并堆疊獲得時棧圖像。
圖8為對圖7圖像各向同性剪切獲得的圖像。
圖9為對圖8圖像執(zhí)行Radon變換獲得的強度圖。
附圖中標記說明S1、采集海面圖像 S2、預處理圖像S30、各向同性剪切圖像 S31、對圖像執(zhí)行Radon變換S32、提取波長參數 S40、堆疊時棧圖像S41、對時棧圖像各向同性剪切S42、對時棧圖像執(zhí)行Radon變換S43、提取波向、波速、周期 S5、輸出波浪參數θ、Radon變換的角度 x′、Radon變換的投影直線距離
R′、峰值強度對應角度的強度具體實施方式
現結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的闡述。
圖1顯示本發(fā)明涉及的視頻波浪測量方法的流程圖。圖3～圖9顯示本發(fā)明的視頻波浪測量方法應用過程中處理的圖像。
如圖1所示，視頻波浪測量方法包括以下步驟S1-采集海面圖像圖3為波浪模擬圖像，是根據線性波浪理論的數值模擬圖像的一幀圖像，最亮的像素表示波峰，最暗的像素表示波谷。
S2-預處理圖像增強海面紋理S30-各向同性剪切圖像由于采集到的圖像具有各向同性或各向異性的特征，為使本發(fā)明的方法各向同性，對圖像執(zhí)行基于圓形的各向同性剪切，在圖像范圍內剪切最大可用的圓形圖像。圖4為對圖3圖像各向同性剪切獲得的圖像。
S31-對剪得的圖像執(zhí)行Radon變換Radon變換具有投影在360°圓內沿180°對稱的特點，所以計算簡化在180°范圍內。圖5為通過對圖4圖像執(zhí)行Radon變換獲得的Radon變換域內的投影圖像。數字圖像坐標軸的原點在圖像的中心，將數字圖像坐標軸以原點為中心以角度增量為1°逆時針方向旋轉，在180°范圍內將數字圖像變換為Radon變換域的投影。
S32-提取波長參數在Radon變換域內的投影圖像中，檢測最大強度。圖5中，在角度θ1＝123°出現峰值，提取Radon變換域內最大強度對應的角度。圖5中，對于根據紋理方向提取的角度θ1＝123°，不能確定波浪傳播是從左上至右下，還是從右下至左上，因此該角度存在±180°的多義性，可能是沿波浪傳播的方向，也可能是逆波浪傳播的方向，此次是獲取沿波浪傳播取向。圖6為通過對圖5檢測峰值強度對應角度獲得的該角度強度曲線圖，在沿波浪傳播取向對應角度的強度內檢測強度峰值或谷值，計算峰值間距或谷值間距得出波長結果為L＝32.29。
S40-沿波浪傳播取向堆疊時棧圖像沿波浪傳播取向截取線條狀圖像切片，再對連續(xù)相鄰幀在相同位置處用同樣方式截取線條狀圖像切片，并對連續(xù)相鄰幀的線條狀圖像切片，按照原來圖像幀的時間順序，以類似于計算機的進棧操作過程，逐個地把線條狀圖像切片堆疊起來，集成為時棧圖像。圖7為通過沿波浪傳播取向θ1＝123°截取線條狀圖像切片并堆疊獲得時棧圖像，時間順序為從上到下。
S41-對時棧圖像各向同性剪切對時棧圖像執(zhí)行各向同性剪切圖像，在圖像范圍內剪切最大可用的圓形圖像。圖8為對圖7圖像各向同性剪切獲得的圖像。
S42-對剪得的時棧圖像執(zhí)行Radon變換對剪得的時棧圖像執(zhí)行Radon變換。圖9為通過對圖8圖像執(zhí)行Radon變換獲得的Radon變換域內的投影圖像。
S43-提取波向、波速、周期在Radon變換域內的投影圖像中，檢測最大強度。圖9中，在角度θ2＝172°出現峰值；提取Radon變換域內最大強度對應的角度。圖9中，依據角度θ2＝172°的角度值和沿波浪傳播的取向θ1＝123°，確定波浪傳播的方向，具體為計算tanθ2＝-0.14，符號為負，即判定波浪傳播的方向從右下至左上，確定波向＝123°。在Radon變換域內提取的最大強度對應的角度θ2＝172°，依據該角度值計算對應在時棧圖像內的波峰傳播方向的斜率tanθ2＝-0.14，并計算出波速＝0.14、周期＝229.72。
S5-輸出波浪參數波向、波速、波長、周期輸出波浪參數波向＝123°、波速＝0.14、波長＝32.29、周期＝229.72。按照實際成像所對應的大地尺度和方向角度，即可將波浪參數換算到實際的大地坐標。
圖2為本發(fā)明涉及的視頻波浪測量系統(tǒng)的框圖。如圖2所示，視頻波浪測量系統(tǒng)的組成部分包括海面圖像采集裝置、圖像處理和波浪參數提取裝置以及測量結果輸出裝置。
海面圖像采集裝置能夠將圖像數據直接、快速傳輸到構成圖像處理和波浪參數提取裝置的微型計算機，測量結果輸出裝置為與圖像處理和波浪參數提取裝置的微型計算機連接的顯示器和打印機。
權利要求
1.一種視頻波浪測量方法，其特征在于包括采集海面圖像(S1)，預處理圖像增強海面紋理(S2)，各向同性剪切海面圖像(S30)，對剪得的圖像執(zhí)行Radon變換(S31)，提取波長參數(S32)，沿波浪傳播取向堆疊時棧圖像(S40)，對時棧圖像各向同性剪切(S41)，對剪得的時棧圖像執(zhí)行Radon變換(S42)，提取波向、波速、周期參數(S43)，輸出波向、波速、波長、周期參數(S5)。
2.根據權利要求1所述的視頻波浪測量方法，其特征在于，采集海面圖像(S1)是用CCD攝像機拍攝海面圖像，然后將圖像數據傳輸到計算機。
3.根據權利要求1所述的視頻波浪測量方法，其特征在于，對圖像執(zhí)行Radon變換(S31)是對各向同性剪切的圖像執(zhí)行Radon變換，將數字圖像變換為Radon變換域內的投影圖像。
4.根據權利要求1所述的視頻波浪測量方法，其特征在于，提取波長參數(S32)是沿波浪傳播取向上提取波長參數，與波浪前進路徑平行方向的對應角度θM的強度內檢測強度峰值或谷值，計算峰值間距或谷值間距以得出波長。
5.根據權利要求1所述的視頻波浪測量方法，其特征在于，堆疊時棧圖像(S40)是根據波浪前進路徑平行方向的對應角度θM，沿波浪傳播取向截取線條狀圖像切片，再對連續(xù)相鄰幀在相同位置處用同樣方式截取線條狀圖像切片，并對連續(xù)相鄰幀的線條狀圖像切片，按照原來圖像幀的時間順序逐個地把線條狀圖像切片堆疊起來，集成為時棧圖像。
6.根據權利要求1所述的視頻波浪測量方法，其特征在于，對時棧圖像執(zhí)行Radon變換(S42)是對各向同性剪切剪得的圓形時棧圖像執(zhí)行Radon變換，將數字圖像變換為Radon變換域內的投影圖像。
7.根據權利要求1所述的視頻波浪測量方法，其特征在于，提取波向、波速、周期參數(S43)包括在Radon變換域內的投影圖像中，檢測最大強度；提取Radon變換域內最大強度對應的角度，依據該角度值和沿波浪傳播的取向，確定波浪傳播的方向即為波向；依據Radon變換域內提取的最大強度對應的角度值，計算對應在時棧圖像內的波峰傳播方向的斜率，得到波速；再計算波長與波速的商，得到周期。
8.根據權利要求1所述的視頻波浪測量方法，其特征在于，輸出波浪參數(S5)是按照實際成像所對應的大地尺度和方向角度，將提取的波浪參數換算到實際的大地坐標，并在輸出裝置上顯示和打印，輸出的波浪參數為波向、波速、波長、周期。
9.一種實施根據權利要求1所述的視頻波浪測量方法的視頻波浪測量系統(tǒng)，其特征在于，包括海面圖像采集裝置、圖像處理和波浪參數提取裝置以及測量結果輸出裝置；海面圖像采集裝置為CCD攝像機，具有USB、IEEE1394(Firewire)標準的數據傳輸方式或嵌入網絡傳輸方式，能夠將圖像數據直接、快速傳輸到計算機；圖像處理和波浪參數提取裝置由微型計算機構成，具有實施上述視頻波浪測量方法的功能；測量結果輸出裝置為與圖像處理和波浪參數提取裝置的微型計算機連接的顯示器和打印機，可以按照實際成像所對應的大地尺度和方向角度將波向、波速、波長、周期等波浪參數換算到實際的大地坐標。
全文摘要
本發(fā)明所涉及的視頻波浪測量方法和測量系統(tǒng)可以對采集的海面圖像進行更便捷地視頻數字圖像處理，以獲取更多的波浪測量參數。其測量方法包括采集海面圖像(S1)，預處理圖像增強海面紋理(S2)，各向同性剪切海面圖像(S30)，對剪得的圖像執(zhí)行Radon變換(S31)，提取波長參數(S32)，沿波浪傳播取向堆疊時棧圖像(S40)，對時棧圖像各向同性剪切(S41)，對剪得的時棧圖像執(zhí)行Radon變換(S42)，提取波向、波速、周期參數(S43)，輸出波向、波速、波長、周期參數(S5)。其測量系統(tǒng)包括海面圖像采集裝置、圖像處理和波浪參數提取裝置以及測量結果輸出裝置。
文檔編號G01C11/00GK101034004SQ20071005645
公開日2007年9月12日 申請日期2007年1月15日 優(yōu)先權日2007年1月15日
發(fā)明者張鎖平 申請人:國家海洋技術中心