專利名稱：基于圖像視覺的水位測量系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子測量領(lǐng)域，利用圖像視覺處理技術(shù)實現(xiàn)水位的測量，可用于水庫、
水電站等場所中大量程水位的測量。
背景技術(shù)：
針對各地區(qū)水量分布不均、洪澇災(zāi)害復(fù)雜、水體環(huán)境惡化等問題，必須對水資源優(yōu) 化配置，實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用，因此，需掌握水資源的基礎(chǔ)信息，沒有基本的水位等信 息，水資源的優(yōu)化配置與科學(xué)管理就失去了基礎(chǔ)。在水位測量方面，國際上普遍采用了自記 式水位計，根據(jù)感應(yīng)水位原理不同可分為浮子式水位計、壓力式水位計、氣介或液介超聲波 水位計。 浮子式水位計在水情監(jiān)測中的應(yīng)用最為普遍。浮子水位計需要專用的測井，它的 缺點就是安裝較復(fù)雜，同時如果水流含泥沙較重，經(jīng)過一段時間的運行，測井的進水管就會 產(chǎn)生淤積的現(xiàn)象，易形成假水位。 壓力式水位計是根據(jù)壓力與水深成正比關(guān)系的靜水壓力原理，運用壓敏元件作傳 感器，在不同的水深感應(yīng)不同壓力產(chǎn)生相應(yīng)的電流而測出相應(yīng)水位的高低，這種方式解決 了浮子式水位計的缺點，但無法達到很高的精度，且易受環(huán)境溫度和液體密度變化的影響。
氣介式或液介式超聲波式水位計應(yīng)用超聲波反射的原理來測量水位。兩種形式均 不需建測井，液介式易受水溫、水壓及水中浮懸粒子濃度影響，氣介式易受氣溫影響，其優(yōu) 點是不受水中水草、泥沙等影響。這種方法有其先進性，但成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有水位測量設(shè)備的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于圖像視覺的水位測 量系統(tǒng)和水位測量方法，實現(xiàn)水位的快速、準確測量。 本發(fā)明水位測量系統(tǒng)采用的技術(shù)方案是CCD攝像頭設(shè)置于浮子裝置的正上方， 其輸出連接視頻A/D采集模塊，視頻A/D采集模塊的輸出連接FPGA處理模塊，F(xiàn)PGA處理模 塊的輸出分別連接LCD顯示模塊和擴展通信模塊；浮子裝置用于水位的物理標定；CCD攝像 頭和視頻A/D采集模塊采集圖像并變換為便于數(shù)字設(shè)備處理的數(shù)字圖像；FPGA處理模塊獲 取圖像、對圖像邊緣提取以及距離測量。 本發(fā)明水位測量方法采用的技術(shù)方案是先在水面放置浮子裝置，其正上方的 CCD攝像頭對浮子進行視頻采集；經(jīng)視頻A/D采集模塊變換成數(shù)字圖像幀，水位變化引起的 浮子與CCD攝像頭距離的改變影響動態(tài)圖像中浮子圖像面積；再通過FPGA處理模塊計算采 集所得到的視頻中浮子圖像面積，得到浮子與CCD攝像頭的相對距離，測量出水位；最后將 測量結(jié)果通過外部LCD顯示模塊顯示，或通過擴展通信模塊傳送至遠端主機上。
本發(fā)明具有的有益效果是 1、本發(fā)明綜合了嵌入式技術(shù)和視覺圖像處理技術(shù)，將圖像視覺技術(shù)應(yīng)用于水位監(jiān) 測領(lǐng)域，通過圖像視覺技術(shù)測量視頻中的浮子面積，從而間接測量水位，無需昂貴的水位傳感器，因而成本低；適用于各種測量水位、流體位置的情況。 2、采用模塊化的設(shè)計方法，安裝簡單，便于現(xiàn)場測試和系統(tǒng)的維護；受環(huán)境影響 小，適應(yīng)性強。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)組成示意圖； 圖2是圖1中CCD攝像頭2和浮子裝置1中的浮子的位置關(guān)系模型示意圖；
圖3是圖1的實際測量結(jié)果。 圖中1.浮子裝置；2. CCD攝像頭；3.視頻A/D采集模塊；4.外部LCD顯示模塊； 5. FPGA處理模塊；6.擴展通信模塊。
具體實施例方式
如圖1 ，水位測量系統(tǒng)包括浮子裝置1 、CCD攝像頭2、視頻A/D采集模塊3、外部LCD 顯示模塊4、 FPGA處理模塊5和擴展通信模塊6六個部分。浮子裝置1主要用于水位的物 理標定，CCD攝像頭2和視頻A/D采集模塊3主要用于采集圖像并變換為便于數(shù)字設(shè)備處 理的數(shù)字圖像，CCD攝像頭2設(shè)置于浮子裝置1的正上方，其輸出連接視頻A/D采集模塊3。 FPGA處理模塊5即現(xiàn)場可編程門陣列核心處理模塊，主要實現(xiàn)圖像的獲取、邊緣提取、以及 距離測量等功能，將視頻A/D采集模塊3的輸出連接FPGA處理模塊5， FPGA處理模塊5的 輸出分別連接LCD顯示模塊4和擴展通信模塊6， LCD顯示模塊4用于顯示測量結(jié)果，擴展 通信模塊6為系統(tǒng)的外部通信接口 ，便于系統(tǒng)結(jié)果的在線顯示。 上述系統(tǒng)在測量時，在水面放置浮子裝置l，利用浮子裝置1正上方的CCD攝像頭 2垂直監(jiān)控浮子裝置1中的浮子，對浮子進行視頻采集，通過A/D芯片采集動態(tài)圖像數(shù)據(jù)，經(jīng) 視頻A/D采集模塊3變換成數(shù)字圖像幀后，并交由FPGA芯片處理，通過FPGA處理模塊5計 算采集所得到的視頻中浮子裝置1中的浮子圖像面積，利用浮子與CCD攝像頭2的相對距 離，得到水位信息，利用水位變化所引起的浮子與CCD攝像頭2距離的改變，進而影響動態(tài) 圖像中浮子圖像面積的原理，通過計算浮子面積，得到浮子與CCD攝像頭2的相對距離，從 而測量到水位，最后，將最終測量結(jié)果通過外部LCD顯示模塊4顯示，或通過擴展通信模塊 6傳送至遠端主機上。 為了進一步得到動態(tài)圖像中浮子投影所占的面積，本發(fā)明采用Ca皿y檢測算子對 于灰度分量進行邊緣提取，步驟如下 1)使用高斯濾波器來平滑圖像，從而可以減少噪聲。
2)在每一點處計算局部梯度如下<formula>formula see original document page 4</formula> 和邊緣方向如下 <formula>formula see original document page 4</formula> 其中邊緣點定義為梯度方向上其強度局部最大的點。 3)應(yīng)用浮子在圖像中的投影 圓形特征的先驗知識，對整個邊緣像素進行規(guī)整操 作，選擇能夠覆蓋絕大部分邊緣像素點的最小圓，即尋找最佳的原點(x。，y。)，以及包含邊緣 像素的最小半徑r，規(guī)整操作表示為
<formula>formula see original document page 5</formula>(3) 上式中，(Xl， y》G T， T代表所有的邊緣像素的集合，P為概率，通過規(guī)整操作，實 現(xiàn)浮子在灰度圖像中的邊緣提取，完成限定計算面積的區(qū)域的計算。 為了得到實際的水位，必須將實際得到灰度面積進行換算。圖2描述了浮子裝置 1中的浮子和CCD攝像頭2的位置關(guān)系模型。圖2中1表示浮子和CCD攝像頭2的相對距 離，r表示浮子的半徑，d表示在浮子的表面投影半徑，a表示相對距離1與另一條邊的夾 角，f表示攝像頭的焦距，d'表示由三角函數(shù)關(guān)系可得 Sill Of = 了:
所以
<formula>formula see original document page 5</formula>根據(jù)光學(xué)投影原理，浮子在圖像中的投影半徑為 乙" <formula>formula see original document page 5</formula>
由此可推導(dǎo)得到浮子圖像面積與相對距離1的關(guān)系
2 <formula>formula see original document page 5</formula> 利用公式7，通過計算浮子圖像的面積得到實際的浮子和CCD攝像頭2的相對距離 1。由于CCD攝像頭2是固定的，因此CCD攝像頭2高度與相對距離之差即為實際水位。實 際水位測量曲線圖如圖3所示，CCD攝像頭2和水面的距離與所攝浮子的面積呈平方反比 關(guān)系，即呈一個由陡變緩的曲線，即浮子距CCD攝像頭2越近，相同的水位變化，浮子面積變 化越大。
權(quán)利要求
一種基于圖像視覺的水位測量系統(tǒng)，包括浮子裝置(1)，其特征是CCD攝像頭(2)設(shè)置于浮子裝置(1)的正上方，其輸出連接視頻A/D采集模塊(3)，視頻A/D采集模塊(3)的輸出連接FPGA處理模塊(5)，F(xiàn)PGA處理模塊(5)的輸出分別連接LCD顯示模塊(4)和擴展通信模塊(6)；浮子裝置(1)用于水位的物理標定；CCD攝像頭(2)和視頻A/D采集模塊(3)采集圖像并變換為便于數(shù)字設(shè)備處理的數(shù)字圖像；FPGA處理模塊(5)獲取圖像、對圖像邊緣提取以及距離測量。
2. —種基于圖像視覺的水位測量方法，其特征是采用如下步驟1) 在水面放置浮子裝置(l)，其正上方的CCD攝像頭(2)對浮子進行視頻采集；2) 經(jīng)視頻A/D采集模塊(3)變換成數(shù)字圖像幀，水位變化引起的浮子與CCD攝像頭(2)距離的改變影響動態(tài)圖像中浮子圖像面積；3) 通過FPGA處理模塊(5)計算采集所得到的視頻中浮子圖像面積，得到浮子與CCD攝像頭(2)的相對距離，測量出水位；4) 將測量結(jié)果通過外部LCD顯示模塊(4)顯示，或通過擴展通信模塊(6)傳送至遠端主機上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于圖像視覺的水位測量方法，其特征是步驟3)具體為1) 使用高斯濾波器平滑圖像減少噪聲；2) 計算圖像中每一點處局部梯度和邊緣方向；3) 應(yīng)用浮子在圖像中的投影為圓形特征的先驗知識，對整個邊緣像素進行規(guī)整操作，實現(xiàn)浮子在灰度圖像中的邊緣提取，完成限定計算面積的區(qū)域計算；4) 通過計算浮子圖像的面積得到實際的浮子和CCD攝像頭(2)的相對距離，CCD攝像頭(2)高度與相對距離之差即為實際水位。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于圖像視覺的水位測量系統(tǒng)和方法，用于水庫、水電站等場所中大量程水位的測量。CCD攝像頭設(shè)置于浮子裝置的正上方進行視頻采集；經(jīng)視頻A/D采集模塊變換成數(shù)字圖像幀，水位變化引起的浮子與CCD攝像頭距離的改變影響動態(tài)圖像中浮子圖像面積；通過FPGA處理模塊計算采集所得到的視頻中浮子圖像面積，得到浮子與CCD攝像頭的相對距離測量出水位。本發(fā)明通過圖像視覺技術(shù)測量視頻中的浮子面積間接測量水位，無需昂貴的水位傳感器，成本低；采用模塊化的設(shè)計方法，安裝簡單，便于現(xiàn)場測試和系統(tǒng)維護，適應(yīng)性強。
文檔編號G01F23/64GK101718573SQ200910232679
公開日2010年6月2日 申請日期2009年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月4日
發(fā)明者丁燕瓊, 奚吉, 孫浩, 張卓, 張學(xué)武, 梁瑞宇, 錢蕭誠, 顧麗萍, 顧灝 申請人:河海大學(xué)常州校區(qū)