專利名稱：基于監(jiān)控視頻及激光標識的水位測量裝置及測量方法
技術領域：
本發(fā)明公開了基于監(jiān)控視頻及激光標識的水位測量裝置及測量方法，屬于電子測量的技術領域。
背景技術：
目前，公知的區(qū)域河流、湖泊水位的非接觸式測量方法是通過激光、超聲波、電磁波的回波來測量區(qū)域河流、湖泊水位，通過對被測水面發(fā)射激光(或電磁波、超聲波)，利用
發(fā)送和接收激光(或電磁波、超聲波)之間時間差A t來確定水位，即水位//= H、、
(其中，Htl為發(fā)送和接收激光或電磁波位置高度，V為激光或電磁波或超聲波速度)。這些方法盡管其具有較高的測量精度，但它需要高速處理器或FPGA對信號進行現(xiàn)場處理，對儀器的工作環(huán)境有較高的要求，另外還需鋪設通信線路將水位數(shù)據(jù)送入監(jiān)控中心。也有通過視 頻觀察水位浮子的位置來確定水位。這都需要在河流、湖泊附近大量施工，但是在有些場合現(xiàn)場施工很困難。特別對一些已有電視監(jiān)控區(qū)域的工程進行改造時，要想增加水位測量裝置，并將信號傳到監(jiān)控中心將特別困難；增加水位測量裝置必將增加水位監(jiān)控成本。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是針對上述背景技術的不足，提供了基于監(jiān)控視頻及激光標識的水位測量裝置及測量方法。本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術方案基于監(jiān)控視頻及激光標識的水位測量裝置，包括攝像機，視頻監(jiān)控器，順序連接圖像采集器、DSP視頻處理器、顯示通信模塊，所述攝像機的輸出端、視頻監(jiān)控器的輸入端、圖像采集器的輸入端通過三通連接器連接，所述攝像機側壁上安置有n個激光頭，n為大于等于2的自然數(shù)；其中所述攝像機將拍攝到的畫面?zhèn)鬏斨烈曨l監(jiān)控器；所述圖像采集器從視頻監(jiān)控器的輸入線路采集圖像，將模擬視頻信號轉換為數(shù)字中貞信號；所述DSP視頻處理器用于處理數(shù)字幀信號，處理激光標識圖像，計算實際水位變化量；所述顯示通信模塊用于顯示DSP計算出的實際水位變化值，將顯示的實際水位變化值傳輸至上位機。所述基于監(jiān)控視頻及激光標識的水位測量裝置，所述基于監(jiān)控視頻及激光標識的水位測量裝置還包括視頻切換器，所述視頻切換器的輸入端接多個攝像機，輸出端通過三通連接器與圖像采集器、視頻監(jiān)控器連接。基于監(jiān)控視頻及激光標識的水位測量方法，包括如下步驟步驟1，在待測水域岸基上垂直立桿，將攝像機固定在立桿上，調整激光頭之間的夾角使得n個光束源端相交與一點；步驟2，圖像采集器將視頻信號轉換為數(shù)字幀圖像；步驟3，DSP視頻處理器處理每個采樣周期獲取的數(shù)字幀圖像的激光標識位置，并提取激光標識特征點，再計算激光表示特征點之間的實際距離；步驟4，對于兩個采樣周期內DSP視頻處理器計算得到的激光標識之間的實際距離，利用三角形邊長與夾角的關系計算出兩個采樣周期內實際水位的變化量；步驟5，顯示通信模塊顯示計算出的實際水位變化量，將顯示的實際水位變化量傳輸至上位機。所述基于監(jiān)控視頻及激光標識的水位測量方法中，步驟3的具體實施如下步驟3-1，將數(shù)字幀圖像轉換為RGB圖像，利用高通濾波器對RGB圖像進行濾波處理；

步驟3-2，將濾波后的RGB圖像轉換為灰度圖像，再設置閾值對灰度圖像做二值化處理得到激光標識高亮度像素聚集區(qū)步驟3-3，在數(shù)字幀圖像區(qū)域內，自上而下搜索激光標識高亮度像素聚集區(qū)，對每一個激光標識高亮度像素聚集區(qū)做如下處理步驟a，在激光標識高亮度像素聚集區(qū)的邊緣上任取兩點，計算兩點確定的直線方程，統(tǒng)計各直線方程的參數(shù)，所述參數(shù)包括直線方程的斜率和截矩；步驟b，在以直線方程斜率、截矩為坐標軸建立的二位坐標系中，確定參數(shù)坐標，計算每個參數(shù)坐標聚集區(qū)的中心點坐標,所述中心點即為激光標識的特征點；步驟3-4，計算對應的激光標識特征點之間的像素距離，再根據(jù)攝像機放大系數(shù)獲得對應激光標識特征點之間的實際距離。本發(fā)明采用上述技術方案，具有以下有益效果從視頻監(jiān)控器的輸入線路獲取圖像采集器的輸入信號，使得水位測量裝置在現(xiàn)場不增加大量施工的前提下，在監(jiān)控室內共享攝像機拍攝的視頻畫面，水位測量圖像處理裝置直接對視頻畫面進行處理獲得水位，避免了水位監(jiān)測點到監(jiān)控室的通信線路；在不占用河床位置的情況下安裝激光頭，保證了河流行洪通暢；通過視頻切換器接入不同視頻畫面，實現(xiàn)了一個水位測量裝置測量多個監(jiān)視點的水位，提高了裝置的利用率和可靠性。


圖I為基于監(jiān)控視頻及激光標識的水位測量裝置的示意圖。圖2為基于監(jiān)控視頻及激光標識的水位測量方法的示意圖。圖3為提取激光標識特征點的示意圖。圖4為包含多個攝像機以及視頻切換器的水位測量裝置的示意圖。圖中標號說明1為厗基，2為立桿,3為攝像機，4、5、6為紅色波段激光頭，7、8、9為激光束。
具體實施例方式下面結合附圖對發(fā)明的技術方案進行詳細說明如圖I所示的基于監(jiān)控視頻及激光標識的水位測量裝置，包括攝像機3，視頻監(jiān)視器，順序連接的圖像采集器、DSP視頻處理器、顯示通信模塊，三個安裝在攝像機3側壁上的激光頭4、5、6，攝像機3的輸出端、視頻監(jiān)控器的輸入端、圖像采集器的輸入端通過三通連接器連接。圖像采集器從視頻監(jiān)控器輸入線路處通過三通連接器分取一路視頻信號，將視頻信號轉換為數(shù)字幀圖像。DSP視頻處理器選用了德州儀器公司的TMS320DM6467芯片。通過對TMS320DM6467芯片編程，實現(xiàn)了對數(shù)字幀圖像的濾波處理，識別出激光標識后提取激光標識特征點，計算激光標識特征點之間的距離，再由三角形邊長和夾角的關系計算出激光束發(fā)射點到水面的垂直距離，TMS320DM6467芯片根據(jù)自帶的定時器設置的采樣周期實時計算出實際水位值，兩次采樣周期計算的實際水位值之差即為水位差。顯示通信模塊實時顯示DSP每個采樣周期計算的得到的實際水位變化量。 如圖2所示，基于監(jiān)控視頻及激光標識的水位測量方法包括如下步驟步驟1，在待測水域岸基I上垂直固定立桿2，將攝像機3固定在立桿2上，調整激光頭4、5、6之間的夾角(Z A0B, Z B0C, Z AOC的數(shù)值均已知)使得3個激光束7、8、9的源端相交，激光束7、8、9呈扇形分布。步驟2，圖像采集模塊將視頻信號轉換為數(shù)字幀圖像；步驟3，DSP視頻處理器對數(shù)字幀圖像中的激光標識濾波處理、特征值提取操作后得到激光標識特征點，計算出圖像上激光標識特征點之間的距離，再乘以一系數(shù)獲得水面上激光標識特征點之間的實際距離步驟3-1，將數(shù)字幀圖像轉換為RGB圖像，利用紅色(激光標識是紅色)高通濾波器
對圖像進行濾波，濾波表達式如式(I)所示
、f!，R0 < R(IXu, V)) < 255,G(D(u, v)f + B(D(u, v)): < k(R(D(ii, v) -R0 +40)2) i
H( LI. V) = <I(I J
[o其他其中u，v為RGB圖像像素垂直和水平坐標，D(u，v)表示坐標為U，v的像素單元，R (*)，G (*)，B (*)分別表示像素單元的紅色，綠色，藍色分量值，R0為紅色閾值(實例中取RQ=170)，k為比例系數(shù)(實例中k=2)步驟3-2，利用表達式(2)將濾波后的圖像轉換為灰度圖像，以灰度圖像最大灰度值的70%為灰度閾值二值化處理濾波后的灰度圖像，舍去孤立離散點得到三個激光標識高亮度像素聚集區(qū)；Gray (U，v) =0. 299R(D (u, v)) +0. 578G (D (u, v)) +0. 114B (D (u, v)) (2)，步驟3-3，在數(shù)字圖像區(qū)域內，自上而下搜索第一至第三個激光標識高亮度像素聚集區(qū)，對每一個激光標識高亮度像素聚集區(qū)做如下處理步驟a，激光標識高亮度像素聚集區(qū)圖像的邊緣上任意取兩點(Ul，V1)、(u2, V2)帶入方程(3),解出直線參數(shù)Ka1, Id1), (a2, b2),----，(am, bm)}, m為自然數(shù)aUi+bv! = I(3),au2+bv2=l其中m為直線個數(shù)，am、bffl表示第m條直線的斜率和截矩；步驟b,統(tǒng)計參數(shù){(a” bj)，(a2, b2),——，(am, bm)}，參數(shù)將在斜率-截矩構成的直角坐標平面上呈現(xiàn)三個聚集區(qū)，求取三個參數(shù)聚集區(qū)的三個中心點坐標作為三角形三條邊的直線參數(shù)Kalc^blc), (a2c, b2c), (a3c, b3c)},獲得三條直線方程(4)alcu+blcv=la2cu+b2cv=l(4)a3cu+b3cv=l利用三條邊的直線方程可解出三角形三個頂點坐標，取整獲得圖像上的像素坐標值，激光標識高亮度像素聚集區(qū)的特征點如圖3所示。步驟3-4，在數(shù)字幀圖像區(qū)域內，自上而下計算兩兩不同激光標識高亮度像素聚集區(qū)對應頂點間像素距離，根據(jù)各個激光標識對應頂點之間的距離計算激光標識特征點之間距離的平均值；根據(jù)激光標識特征點之間距離的平均值以及攝像機的放大倍數(shù)計算激光標識特征點之間的實際距離，進而計算出激光束源端到水面的實際距離。利用公式(5)計算AB、BC、AC、DE、EF、DF之間的實際距離
權利要求
1.基于監(jiān)控視頻及激光標識的水位測量裝置，包括攝像機，視頻監(jiān)控器，順序連接圖像采集器、DSP視頻處理器、顯示通信模塊，其特征在于所述攝像機的輸出端、視頻監(jiān)控器的輸入端、圖像采集器的輸入端通過三通連接器連接，所述攝像機側壁上安置有n個激光頭，n為大于等于2的自然數(shù)；其中所述攝像機將拍攝到的畫面?zhèn)鬏斨烈曨l監(jiān)控器； 所述圖像采集器從視頻監(jiān)控器的輸入線路采集圖像，將模擬視頻信號轉換為數(shù)字幀信號; 所述DSP視頻處理器用于處理數(shù)字幀信號，處理激光標識圖像，計算實際水位變化量；所述顯示通信模塊用于顯示DSP計算出的實際水位變化值，將顯示的實際水位變化值傳輸至上位機。
2.根據(jù)權利要求I所述的基于監(jiān)控視頻及激光標識的水位測量裝置，其特征在于所述基于監(jiān)控視頻及激光標識的水位測量裝置還包括視頻切換器，所述視頻切換器的輸入端接多個攝像機，輸出端通過三通連接器與圖像采集器、視頻監(jiān)控器連接。
3.基于監(jiān)控視頻及激光標識的水位測量方法，其特征在于包括如下步驟步驟I，在待測水域岸基上垂直立桿，將攝像機固定在立桿上，調整激光頭之間的夾角使得n個光束源端相交與一點；步驟2，圖像采集器將視頻信號轉換為數(shù)字幀圖像；步驟3，DSP視頻處理器處理每個采樣周期獲取的數(shù)字幀圖像的激光標識位置，并提取激光標識特征點，再計算激光表示特征點之間的實際距離；步驟4，對于兩個采樣周期內DSP視頻處理器計算得到的激光標識之間的實際距離，利用三角形邊長與夾角的關系計算出兩個采樣周期內實際水位的變化量； 步驟5，顯示通信模塊顯示計算出的實際水位變化量，將顯示的實際水位變化量傳輸至上位機。
4.根據(jù)權利要求3所述的基于監(jiān)控視頻及激光標識的水位測量方法，其特征在于所述步驟3的具體實施如下 步驟3-1，將數(shù)字幀圖像轉換為RGB圖像，利用高通濾波器對RGB圖像進行濾波處理；步驟3-2，將濾波后的RGB圖像轉換為灰度圖像，再設置閾值對灰度圖像做二值化處理得到激光標識高亮度像素聚集區(qū) 步驟3-3，在數(shù)字幀圖像區(qū)域內，自上而下搜索激光標識高亮度像素聚集區(qū)，對每一個激光標識高亮度像素聚集區(qū)做如下處理 步驟a，在激光標識高亮度像素聚集區(qū)的邊緣上任取兩點，計算兩點確定的直線方程，統(tǒng)計各直線方程的參數(shù)，所述參數(shù)包括直線方程的斜率和截矩； 步驟b，在以直線方程斜率、截矩為坐標軸建立的二位坐標系中，確定參數(shù)坐標，計算每個參數(shù)坐標聚集區(qū)的中心點坐標,所述中心點即為激光標識的特征點； 步驟3-4，計算對應的激光標識特征點之間的像素距離，再根據(jù)攝像機放大系數(shù)獲得對應激光標識特征點之間的實際距離。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于監(jiān)控視頻及激光標識的水位測量裝置及測量方法，屬于電子測量的技術領域。所述水位測量裝置包括攝像機、視頻監(jiān)控器、圖像采集器、DSP視頻處理器、顯示通信模塊。所述水位測量方法中，在攝像機側壁上固定扇形分布的激光頭，DSP視頻處理器處理每個采樣周期獲取的激光標識，計算激光標識像素距離進而利用幾何關系求解實際水位變化量。本發(fā)明在保證河流行洪通常的前提下，從視頻監(jiān)控器的輸入線路引一路信號給圖像采集器，在監(jiān)控室內共享攝像機拍攝的視頻畫面，水位測量圖像處理裝置直接對視頻畫面進行處理獲得水位，避免了水位監(jiān)測點到監(jiān)控室的通信線，提高了裝置的利用率和可靠性。
文檔編號G01F23/00GK102768054SQ20121025774
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月24日 優(yōu)先權日2012年7月24日
發(fā)明者李劉暢, 李志華 申請人:河海大學