專利名稱：基于單目攝像機的河流水位監(jiān)測方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種基于單目攝像機的河流水位監(jiān)測方法，具體是一種利用單目攝 像機采集的視頻圖像對河流水位進行實時監(jiān)控的方法，屬于圖像信息處理技術(shù)領 域。
背景技術(shù)：
隨著視頻監(jiān)控技術(shù)的快速發(fā)展和成熟，越來越多的智能監(jiān)控系統(tǒng)應用于日常生 活中。但是，計算機視覺技術(shù)在河流水位監(jiān)控方面仍然是一項空白。眾所周知，我 國是一個洪澇災害頻繁發(fā)生的國家，水情監(jiān)控是水利部門關注的重點，為了預防水 災，及時為防汛決策提供大量可靠的數(shù)據(jù)和資料，需要實時準確的監(jiān)測河流、水庫 等的水位。目前，國內(nèi)的大多數(shù)水文站監(jiān)測水位仍然采用人工方法，該方法不但存 在測量者的人身安全問題，而且容易受到天氣的影響，遇到雨天和霧天時，監(jiān)測數(shù) 據(jù)的準確性也很難保證，另外監(jiān)測的實時性也不強。因此，將視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)運 用到水位監(jiān)測方面是一種非常好的方法。它能夠?qū)崟r的獲取河流水位信息，并且對 水位進行分析、記錄，可以對警戒水位進行預警，工作人員無需親自去現(xiàn)場，在辦 公室即可及時了解水位信息，方便又可靠。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，Udomsire等人于2006年在APCCS (亞太電路系 統(tǒng)會議)上發(fā)表論文"Water Level Detection for River Surveillance utilizing JP2K Wavelet Transform",利用小波變換來分析圖像的紋理特征，進而對水面區(qū)域和河岸 進行判斷，然而，由于小波變換計算量大，不利于實時監(jiān)控，并且在天氣變化時， 例如暴雨、霧天等，紋理信息會受到影響，降低算法可靠性。
Iwahashi等人于2007年在ICCCN (計算機通訊及網(wǎng)絡國際會議)發(fā)表了論文 "Water Level Detection from Video with FIR Filtering"， 利用線性濾波器檢測圖像中 水面區(qū)域于河岸的分界線，從而進行水位的監(jiān)控。這種算法利于實時監(jiān)控，算法復
3雜度低，但是沒有考慮水面信息的檢測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于單目攝像機的河流水位 監(jiān)測方法，能對河流區(qū)域進行實時檢測、監(jiān)控，具有較強的適應性和可靠性。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明利用河流平面與河岸平面的光反射特性區(qū)別，對視頻 采集的圖像進行水平像素投影算法(HPIP)來確定水位高度。首先利用仿射變換對 圖像進行幾何矯正，再對視頻圖像灰度進行直方圖均衡化處理，采用水平像素投影 算法確定水位高度，并且實時、魯棒跟蹤水位變化。
本發(fā)明的基于單目攝像機河流水位監(jiān)測方法的具體步驟是
(1) 利用仿射變換對圖像進行幾何矯正采用單目攝像機采集河流水位的視 頻圖像，在視頻圖像中選取需要觀測的水位區(qū)域，然后根據(jù)選取區(qū)域的角點坐標求 得仿射變換矩陣，利用仿射變換矩陣對視頻圖像進行幾何矯正，得到矯正好的圖像， 便于對水位進行觀察。
(2) 對矯正后的視頻圖像進行灰度直方圖均衡化處理首先求得幾何矯正后的
視頻圖像中每種灰度的累計分布，然后根據(jù)累計分布對視頻圖像中的灰度進行直方
圖均衡化處理，以增強視頻圖像的局部對比度，突出水面和河岸的分界線；
(3) 水平像素投影算法確定水位高度對直方圖均衡化后的視頻圖像進行逐
行掃描，并且對每行像素灰度值進行累加計算，得到每行圖像的灰度均值分布；在 灰度均值分布曲線中搜索最大值，該最大值的坐標對應于水面和河岸的分界線，從 而獲得水位高度信息
(4) 實時、魯棒跟蹤水位變化采取閾值法去除噪聲信息，將后一幀視頻圖像
的水位高度信息與前一幀視頻圖像的水位高度信息做比較，如果超過一定閾值就舍
掉，如果在閾值內(nèi)，就作為新的水位高度信息；如此反復迭代，獲得準確河流水位 高度信息。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的顯著效果在于利用水平像素投影算法來確定水面與 河岸的分界線，并估計水位高度，比現(xiàn)有的基于小波紋理和直線檢測的方法提取水
4位高度信息簡單，耗時低，魯棒性高，并且可以做到實時跟蹤水位變化，有很強的 抗噪性，尤其在雷雨天氣和夜間光照不足時也能很好的保證水位高度的準確性。同 時也為進一步分析水文信息提供了強有力的依據(jù)。


圖1為本發(fā)明方法步驟示意框圖。
圖2仿射變換幾何矯正
圖3水平像素投影算法估計水位高度。
圖4實驗結(jié)果圖。
具體實施例方式
為了更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下結(jié)合附圖和實施例作進一步的詳細描 述。以下實施例以本發(fā)明的技術(shù)方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和過 程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
本發(fā)明的基于單目攝像機河流水位監(jiān)測方法的流程如圖1所示，具體步驟如下
1、利用仿射變換對圖像進行幾何矯正。
采用單目攝像機采集河流水位的視頻圖像，從視頻圖像中選取需要觀測的水位 區(qū)域。本實施例在圖2所示的視頻圖像中選取一塊包含水面與河岸的長方形區(qū)域作 為需要觀測的水位區(qū)域。其中，所選擇的水位區(qū)域的4個角點為a， b， c， d，水面 與河岸的分界線為e， f。
由于攝像頭拍攝視角不同，不利于進行水位的監(jiān)測，因此需要對其進行幾何矯正。
首先記錄選擇區(qū)域的4個角點(a,6,c,c/)在圖像中的坐標，然后重新建立一個正 視圖的坐標空間(",6',c , cO ，根據(jù)二維仿射變換公式
<formula>formula see original document page 5</formula>或其分塊矩陣形式:
<formula>formula see original document page 6</formula>
求出兩個不同坐標空間的仿射變換矩陣Hr
二維仿射變換公式中，A為非奇異的變換矩陣，x為矯正后的坐標，x為原圖 像坐標。
最后利用仿射變換矩陣HA對整幅圖像進行仿射變換幾何矯正，參見圖2。矯
正后的圖像為正視圖，便于對水位高度進行估計。
2、對矯正后的視頻圖像灰度進行直方圖均衡化處理。
為了增加圖像的對比度，突出水面和河岸區(qū)域的分界線，利用直方圖均衡化算 法進行圖像增強。首先，計算矯正前圖像^(x，力的灰度累計分布HA(r)，如果調(diào) 整后的圖像S(x,力的灰度累計分布為HB(力，設定直方圖均衡化公式為s^/(r)， 根據(jù)
因此
其中/
因此/(7)為:
h w二h氣h氣Ha(廣(力)其中^ 是比例因子。在離散形式下，/0)為
,"
其中A表示圖像中某種灰度出現(xiàn)的次數(shù)，w是圖像中所有的像素數(shù)，首先統(tǒng)
計經(jīng)過幾何矯正后視頻圖像中每種灰度的累計分布，然后根據(jù)累計分布對視頻圖像 中的灰度進行直方圖均衡化處理，即根據(jù)上面所述公式，將不同的灰度映射到新的 灰度值上。如此增強了視頻圖像的局部對比度，突出了水面和河岸的分界線。
3、 水平像素投影算法(HPIP)確定水位高度。
對直方圖均衡化后的圖像進行逐行掃描，并且對每行像素灰度值進行累加計 算，然后得到每行圖像的灰度均值分布。在灰度分布曲線中搜索最大值，該最大值 的坐標對應于水面和河岸的分界線，從而獲得水位高度信息，參見圖3，圖中右面 的灰度分布曲線的最大值對應于左邊圖像中水面與河岸分界線。
4、 實時、魯棒跟蹤水位變化。由于視頻圖像容易受到環(huán)境影響，比如光照、 天氣變化等，每幀圖像求得的水位高度有誤差，因此，采取閾值法去除噪聲信息， 將后一幀視頻圖像的水位高度信息與前一幀視頻圖像的水位高度信息做比較，如果 超過一定閾值就舍掉，如果在閾值內(nèi)，就作為新的水位高度信息，如此反復迭代跟 蹤水位變換。在本實施例中，閾值在5到10效果較好，在其他情況下，閾值可以 根據(jù)特定情況進行設定，但需要注意閾值不能過小，這樣會導致水位波動較大，干 擾信號占主導地位，同時閾值過大則對水位變化不敏感，導致滯后效應，當遇到暴 雨或水面短時間突然上漲的情況時，求得的水位值不準確。
本實施例的實驗結(jié)果如圖4，圖中曲線代表測量到的水位信息。 以上部分均通過Visual C++ 2005編程實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1、一種基于單目攝像機的河流水位監(jiān)測方法，其特征在于包括以下步驟1)采用單目攝像機采集河流水位的視頻圖像，從視頻圖像中選取需要觀測的水位區(qū)域，然后根據(jù)選取區(qū)域角點的坐標求得仿射變換矩陣，利用仿射變換矩陣對視頻圖像進行幾何矯正；2)求得幾何矯正后的視頻圖像中每種灰度的累計分布，然后根據(jù)累計分布對視頻圖像中的灰度進行直方圖均衡化處理，以增強視頻圖像的局部對比度，突出水面和河岸的分界線；3)對直方圖均衡化后的視頻圖像進行逐行掃描，并且對每行像素灰度值進行累加計算，得到每行圖像的灰度均值分布；在灰度均值分布曲線中搜索最大值，該最大值的坐標對應于水面和河岸的分界線，從而獲得水位高度信息；4)采取閾值法去除噪聲信息，將后一幀視頻圖像的水位高度信息與前一幀視頻圖像的水位高度信息做比較，如果超過一定閾值就舍掉，如果在閾值內(nèi)，就作為新的水位高度信息；如此反復迭代，獲得準確河流水位高度信息。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于單目攝像機的河流水位監(jiān)測方法，是一種視頻監(jiān)控領域中信息處理的方法，利用河流平面與河岸平面的光反射特性區(qū)別，對視頻采集的圖像進行水平像素投影算法(HPIP)來確定水位高度。包括(1)利用仿射變換對圖像進行幾何矯正；(2)對視頻圖像灰度進行直方圖均衡化處理；(3)水平像素投影算法確定水位高度；(4)實時、魯棒跟蹤水位變化。本發(fā)明具有易于實現(xiàn)、魯棒性強、可靠性高、實時性強等優(yōu)點，可以為水文監(jiān)控提供實時可靠的信息。
文檔編號G01C13/00GK101586956SQ20091005332
公開日2009年11月25日 申請日期2009年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月18日
發(fā)明者嚴駿馳, 仝明磊, 劍 劉, 劉允才 申請人:上海交通大學