CN201600164U - 一种视频水位计 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种视频水位计，包括：水尺、图像采集设备、DSP高速图像处理设备、水位上传接口和电源系统，水尺设置于图像采集设备的采集范围内，图像采集设备、DSP高速图像处理设备和水位上传接口通过数据线顺序连接，电源系统分别与图像采集设备、DSP高速图像处理设备和水位上传接口电连，DSP高速图像处理设备包括：预处理单元、图像分割单元和识别单元，预处理单元的信号输出端与图像分割单元信号输入端相连；图像分割单元的信号输出端与识别单元信号输入端相连，本实用新型结构简单、合理、紧凑，通过采用图像识别技术克服了现有技术的诸多缺点，实现了非接触测量、实施方便、无运行环境限制、稳定可靠和测量精准的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种水位计，具体地，涉及一种视频水位计。
背景技术
水位计是可以自动测定并记录河流、湖泊和灌渠等水体水位的仪器。现有水位计按传感器原理分浮子式、跟踪式、压力式和反射式等。水位记录方式主要有：记录纸描述，数据显示或打字记录，穿孔纸带，磁带和固体电路储存等。
浮子式水位计：其原理是由浮子感应水位的升降。有用机械方式直接使浮子传动记录结构的普通水位计，有把浮子提供的转角量转换成增量电脉冲或二进制编码脉冲作远距离传输的电传、数传水位计，还有用微型浮子和许多干簧管组成的数字传感水位计等。应用较广的是机械式水位计。应用浮子式水位计需有测井设备，只适合于岸坡稳定、河床冲淤很小的低含沙量河段使用。浮子式水位计虽然结构简单、测量也较准确，但配套测井工程造价高，对已经完工的渠道再建测井则容易破坏渠底。
跟踪式水位计：又称接触式水位计，利用重锤上的电测针接触水面发出电信号，使电机正转或逆转，随时跟踪水面点的位置，从而测定水位。一般在较陡岸坡上架设铁管，悬锤和悬索在管道中升降，驱动记录或讯号装置。铁管进水口需有沉沙和静水设施。
压力式水位计：它的工作原理是测量水压力，推算水位。其特点是不需建静水测井，可以将传感器固定在河底，用引压管消除大气压力，从而直接测得水位。压力式水位计有两类。一类为气泡型，在引压管中不断输气，用自动调节的压力天平将水压力转换成机械转角量，从而带动记录机构。另一类为电测型，它应用固态压阻器件作传感器，可直接将水压力转变成电压模量或频率量输出，用导线传输至岸上进行处理和记录。压力式水位计使用比较方便，但使用一段时间后容易受水中杂质，泥沙堵塞，影响水位测量的精准度，水时间推移，误差变大。
声波式水位计：是反射式水位计的一种，应用声波遇不同介面反射的原理来测定水位。分为气介式和水介式两类。气介式以空气为声波的传播介质，换能器置于水面上方，由水面反射声波，根据回波时间可计算并显示出水位。仪器不接触水体，完全摆脱水中泥沙，流速冲击和水草等不利因素的影响。水介式是将换能器安装在河底，向水面发射声波。声波在水介质中传播速度高，距离大，也不需要建测井。两种水位计均可用电缆传输至室内显示或储存记录(见水位观测)。声波式水位计属于非接触测量、施工方便，但容易受温度和空气密度影响大，测量误差有时候大于水利水文检测的基本要求。
综上可见，目前水位剂均存在一定的缺陷如：施工不方便，测量精度不高，长期运行可靠性无法保障或接触性测量等。
发明内容
本实用新型的目的在于，针对上述问题，提出一种视频水位计，以实现非接触测量、实施方便，无运行环境限制、稳定可靠、测量精准的优点。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
一种视频水位计，包括：水尺、图像采集设备、DSP高速图像处理设备、水位上传接口和电源系统，所述水尺设置于图像采集设备的采集范围内，所述图像采集设备、DSP高速图像处理设备和水位上传接口通过数据线顺序连接，所述电源系统分别与图像采集设备、DSP高速图像处理设备和水位上传接口电连，所述DSP高速图像处理设备包括：预处理单元、图像分割单元和识别单元，所述预处理单元的信号输出端与图像分割单元信号输入端相连；所述图像分割单元的信号输出端与识别单元信号输入端相连；
图像采集设备采集到的图像信息经预处理单元分析处理后，由图像分割单元通过对图像水尺部分进行垂直积分和水平积分，得到垂直直方图和水平直方图，通过统计直方图将水尺划分为若干个小区域；通过识别单元分别计算图中每个小方格中图形的面积，利用K-MEANS聚类的方法将图形分为两类，最后利用两个格雷码间的依赖关系对水尺从左到右进行判断，当两列不满足格雷码的依赖关系时停止判断，并读出水位，在具体判断过程中需加入二次判断，以排除因为分类错误造成的水位读取错误。
进一步地，所述预处理单元包括：灰度处理模块、粗定位模块、边缘检测模块、图像旋转模块、高斯去噪模块a、高斯去噪模块b、二值化处理模块、大小归一化模块，所述灰度处理模块的信号输出端与粗定位模块的信号输入端相连；所述粗定位模块的信号输出端与高斯去噪模块a的信号输入端相连；所述高斯去噪模块a的信号输出端与边缘检测模块的信号输入端相连；所述边缘检测模块的信号输出端与图像旋转模块的信号输入端相连；所述图像旋转模块的信号输出端与高斯去噪模块b的信号输入端相连；所述高斯去噪模块b的信号输出端与二值化处理模块的信号输入端相连；所述二值化处理模块的信号输出端与大小归一化模块的信号输入端相连。
所述灰度处理模块，是将彩色图像转换为易于处理的黑白图像；
所述粗定位模块，利用水尺灰度和背景灰度的差异找到图像上下两条分界线，以搜索水尺的大概范围，这样做的目的：一是减少计算量，将整个大图缩小，二是消除水尺边缘对后期直线检测的影响；
所述高斯去噪模块a主要作用是滤波除去边缘毛刺，使图像变得光滑，其优点是能在去噪的同时很好的保持原图形状和边缘特征；
所述边缘检测模块，利用CANNY算子检测图像水尺上两条黑线的边缘，在直线检测时可以直接将图像二值化进行检测，但由于需要计算点的个数较多，导致直线检测速度很慢，将图像边缘化后仅需计算边缘点，即可大大提高运算速度；
所述图像旋转模块，其目的是，首先检测水尺于水平方向的角度，并将水尺调整为水平，详细的来讲，该步骤是在边缘检测后的图片上利用霍夫变换检测水尺上最长的两条平行线，计算出这两条直线与水平方向的夹角，并通过该夹角对图像进行旋转；
所述高斯去噪模块b，该步骤的作用也是滤波除去边缘毛刺，使图像变得光滑；
所述二值化处理模块，在给定的一个阈值的情况下，小于该阈值的像素置为0，大于该阈值的灰度值为255，就是说亮的部分全设置为白色，把暗的部分全设置为黑色，由此提取出水尺的形状；
所述大小归一化模块，根据水尺上的两条黑线，计算出水尺的宽度(即上下两条水平黑线间的距离)，通过图像的缩放，使这两条线的距离为某一定值，并将水尺平移到图片顶部。
进一步地，所述预处理单元还包括：图像抖动处理模块，所述图像抖动处理模块的信号输出端与灰度处理模块的信号输入端相连，所述图像抖动处理模块对采集到的水尺视频图像进行防抖动处理，以提高图像的清晰度。
进一步地，所述水尺上分布有多个易于区分的两种图形，以便于识别单元读取水位。
进一步地，所述水尺上的两种图形为三角形和圆形。
由于系统运行速度高且系统结构单元多，对电源功率要求较大，一定程度上限定了视频水位计的现场应用，本实用新型采用了电源管理和低功耗算法，即可有效地解决上述问题。
视频水位计的工作步骤：图像采集设备采集水尺视频图像；采集到的水尺视频图像首先经过防抖动处理以提高图像的清晰度，然后分别经由灰度处理模块、粗定位模块、边缘检测模块、图像旋转模块、高斯去噪模块a、高斯去噪模块b、二值化处理模块和大小归一化模块进行数字图像处理；由图像分割单元统计直方图将水尺划分为若干个小区域；通过识别单元分别计算图中每个小方格中图形的面积，并读出水位；水位信息由水位上传接口上传至显示系统。
有益效果：
本实用新型结构简单、合理、紧凑。通过采用图像识别技术克服了现有技术的诸多缺点，实现了非接触测量、实施方便、无运行环境限制、稳定可靠和测量精准的优点。
附图说明
附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
图1为本实用新型一种视频水位计的结构示意图；
图2为本实用新型一种视频水位计的DSP高速图像处理设备结构示意图图；
图3为本实用新型一种视频水位计的预处理单元结构示意图；
图4为本实用新型一种视频水位计的水尺实施例示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
如图1-4所示，一种视频水位计，包括：水尺、图像采集设备、DSP高速图像处理设备、水位上传接口和电源系统，所述水尺设置于图像采集设备的采集范围内，所述图像采集设备、DSP高速图像处理设备和水位上传接口通过数据线顺序连接，所述电源系统分别与图像采集设备、DSP高速图像处理设备和水位上传接口电连，所述DSP高速图像处理设备包括：预处理单元、图像分割单元和识别单元，所述预处理单元的信号输出端与图像分割单元信号输入端相连；所述图像分割单元的信号输出端与识别单元信号输入端相连；
图像采集设备采集到的图像信息经预处理单元分析处理后，由图像分割单元通过对图像水尺部分进行垂直积分和水平积分，得到垂直直方图和水平直方图，通过统计直方图将水尺划分为若干个小区域；通过识别单元分别计算图中每个小方格中图形的面积，利用K-MEANS聚类的方法将图形分为两类，最后利用两个格雷码间的依赖关系对水尺从左到右进行判断，当两列不满足格雷码的依赖关系时停止判断，并读出水位，在具体判断过程中需加入二次判断，以排除因为分类错误造成的水位读取错误。
进一步地，所述预处理单元包括：灰度处理模块、粗定位模块、边缘检测模块、图像旋转模块、高斯去噪模块a、高斯去噪模块b、二值化处理模块、大小归一化模块，所述灰度处理模块的信号输出端与粗定位模块的信号输入端相连；所述粗定位模块的信号输出端与高斯去噪模块a的信号输入端相连；所述高斯去噪模块a的信号输出端与边缘检测模块的信号输入端相连；所述边缘检测模块的信号输出端与图像旋转模块的信号输入端相连；所述图像旋转模块的信号输出端与高斯去噪模块b的信号输入端相连；所述高斯去噪模块b的信号输出端与二值化处理模块的信号输入端相连；所述二值化处理模块的信号输出端与大小归一化模块的信号输入端相连。
所述灰度处理模块，是将彩色图像转换为易于处理的黑白图像；
所述粗定位模块，利用水尺灰度和背景灰度的差异找到图像上下两条分界线，以搜索水尺的大概范围，这样做的目的：一是减少计算量，将整个大图缩小，二是消除水尺边缘对后期直线检测的影响；
所述高斯去噪模块a主要作用是滤波除去边缘毛刺，使图像变得光滑，其优点是能在去噪的同时很好的保持原图形状和边缘特征；
所述边缘检测模块，利用CANNY算子检测图像水尺上两条黑线的边缘，在直线检测时可以直接将图像二值化进行检测，但由于需要计算点的个数较多，导致直线检测速度很慢，将图像边缘化后仅需计算边缘点，即可大大提高运算速度；
所述图像旋转模块，其目的是，首先检测水尺于水平方向的角度，并将水尺调整为水平，详细的来讲，该步骤是在边缘检测后的图片上利用霍夫变换检测水尺上最长的两条平行线，计算出这两条直线与水平方向的夹角，并通过该夹角对图像进行旋转；
所述高斯去噪模块b，该步骤的作用也是滤波除去边缘毛刺，使图像变得光滑；
所述二值化处理模块，在给定的一个阈值的情况下，小于该阈值的像素置为0，大于该阈值的灰度值为255，就是说亮的部分全设置为白色，把暗的部分全设置为黑色，由此提取出水尺的形状；
所述大小归一化模块，根据水尺上的两条黑线，计算出水尺的宽度(即上下两条水平黑线间的距离)，通过图像的缩放，使这两条线的距离为某一定值，并将水尺平移到图片顶部。
预处理单元还包括：图像抖动处理模块，所述图像抖动处理模块的信号输出端与灰度处理模块的信号输入端相连，所述图像抖动处理模块对采集到的水尺视频图像进行防抖动处理，以提高图像的清晰度。
如图4所示，水尺上分布有多个易于区分的三角形和圆形，以便于识别单元读取水位。
由于系统运行速度高且系统结构单元多，对电源功率要求较大，一定程度上限定了视频水位计的现场应用，本实用新型采用了电源管理和低功耗算法，即可有效地解决上述问题。
视频水位计的工作步骤：图像采集设备采集水尺视频图像；采集到的水尺视频图像首先经过防抖动处理以提高图像的清晰度，然后分别经由灰度处理模块、粗定位模块、边缘检测模块、图像旋转模块、高斯去噪模块a、高斯去噪模块b、二值化处理模块、大小归一化模块进行数字图像处理；由图像分割单元统计直方图将水尺划分为若干个小区域；通过识别单元分别计算图中每个小方格中图形的面积，并读出水位；水位信息由水位上传接口上传至显示系统。
最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种视频水位计，包括：水尺、图像采集设备、DSP高速图像处理设备、水位上传接口和电源系统，所述水尺设置于图像采集设备的采集范围内，所述图像采集设备、DSP高速图像处理设备和水位上传接口通过数据线顺序连接，所述电源系统分别与图像采集设备、DSP高速图像处理设备和水位上传接口电连，其特征在于，所述DSP高速图像处理设备包括：预处理单元、图像分割单元和识别单元，所述预处理单元的信号输出端与图像分割单元信号输入端相连；所述图像分割单元的信号输出端与识别单元信号输入端相连。
2.根据权利要求1所述的视频水位计，其特征在于，所述预处理单元包括：灰度处理模块、粗定位模块、边缘检测模块、图像旋转模块、高斯去噪模块a、高斯去噪模块b、二值化处理模块、大小归一化模块，所述灰度处理模块的信号输出端与粗定位模块的信号输入端相连；所述粗定位模块的信号输出端与高斯去噪模块a的信号输入端相连；所述高斯去噪模块a的信号输出端与边缘检测模块的信号输入端相连；所述边缘检测模块的信号输出端与图像旋转模块的信号输入端相连；所述图像旋转模块的信号输出端与高斯去噪模块b的信号输入端相连；所述高斯去噪模块b的信号输出端与二值化处理模块的信号输入端相连；所述二值化处理模块的信号输出端与大小归一化模块的信号输入端相连。
3.根据权利要求2所述的视频水位计，其特征在于，所述预处理单元还包括：图像抖动处理模块，所述图像抖动处理模块的信号输出端与灰度处理模块的信号输入端相连。
4.根据权利要求1所述的视频水位计，其特征在于，所述水尺上分布有多个易于区分的两种图形。
5.根据权利要求4所述的视频水位计，其特征在于，所述水尺上的两种图形为三角形和圆形。
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