專利名稱：大范圍表面流速場的圖像處理系統(tǒng)及其同步實時量測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水利量測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及大范圍表面流速場的同步實時量測方法。
現(xiàn)有的河工、港工和水工模型試驗中，對水流速度的量測方法大致有三類一是采用浮標示蹤人工計時或拍照后分析處理，這一方法費時費力且精度不高，只適于單點流速的近似量測，無法用于大面積水域流速的精確量測。
第二類方法是采用水槽試驗的常用儀器。如旋槳流速儀，相對于浮標示蹤人工計時方法，其量測精度有所提高，但只適于單點流速量測，測量的最小流速大于2.0cm/s；此外，當泥沙含量較高時，旋槳流速儀的精度降低，甚至難以使用。類似的儀器還有超聲流速儀、電磁流速儀等，但在含沙水流中都難于應(yīng)用。
第三類方法是應(yīng)用顆粒示蹤與圖像處理技術(shù)(王興奎等河工模型試驗流場量測中的圖像攝取系統(tǒng)及圖像處理方法，發(fā)明專利號ZL 94 1 19429.9)。該專利技術(shù)采用攝像機攝取信號，經(jīng)信號線路傳輸?shù)娇刂剖业匿浵駲C記錄，試驗結(jié)束后再用錄像機回放進行圖像處理，得到全流場的流速流態(tài)數(shù)據(jù)。如在清華大學三峽泥沙模型試驗中，測量流場的范圍約500m2，安裝了23個攝像機。如要完全同步測量，則需配置23臺錄像機，這一方面增加了設(shè)備成本，另一方面也使操作繁雜。在實際操作中，采用4臺錄像機切換錄像，需循環(huán)6次，量測一組試驗需要20分鐘時間。對于變化較快的非恒定流，如潮汐流動，在模型中容許的同步采樣時間只有幾秒鐘，一個測量周期的持續(xù)時間也只有幾十秒鐘，顯然這一專利技術(shù)達不到實時同步測量的要求。此外，23個攝像機的錄像信號逐一回放處理還需半天以上的時間。
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種大范圍表面流速場的圖像處理系統(tǒng)及其同步實時量測方法，用以實現(xiàn)對明渠流動和潮汐流動等大面積恒定或非恒定流模型試驗表面流場的實時量測。
本發(fā)明提出的一種大范圍表面流速場的圖像處理系統(tǒng)，包括CCD攝像機、視頻信號同步器、計算機、圖像采集卡、局域網(wǎng)和流場示蹤顆粒。圖像采集卡共有M個輸入端口，可以順序接收來自M個CCD攝像機的圖像信號，因此每M個攝像鏡頭編為一組，配備一臺計算機，組成一個相對獨立的子系統(tǒng)。若模型流場面積很大，只需增加子系統(tǒng)的數(shù)目。將全部攝像機用視頻信號同步器連接，實現(xiàn)外同步；各子系統(tǒng)的計算機連成局域網(wǎng)通過網(wǎng)絡(luò)進行協(xié)同操作，實現(xiàn)內(nèi)同步。
在本系統(tǒng)中，圖像直接進入計算機而減少了錄像機錄像和回放的中間過程。M路CCD攝像機信號在輸入圖像卡之前先通過視頻同步器進行信號同步。示蹤顆粒均勻撒落在水流表面并跟隨水流運動，攝像機安裝于河工模型流場的上方，顆粒運動的圖像信號通過視頻線傳輸至計算機圖像采集卡進行分析處理，得到流場流速和流態(tài)。
對于一個子系統(tǒng)，本發(fā)明的圖像處理方法包括下列步驟(1)在模型水流表面均勻撒布能緊密跟隨水流運動的示蹤顆粒；(2)用攝像機獲取示蹤顆粒在水中運動軌跡的圖像，通過視頻線直接傳輸至計算機內(nèi)的圖像卡；(3)計算機控制圖像采集卡首先對第一號鏡頭的同步信號進行A/D轉(zhuǎn)換和采集，將一幅圖像分成W×H個象素點，每個點的灰度分成L個等級，采集一幅圖后即將每個象素點的灰度值存入主機內(nèi)存，再采下一幅圖像。當一個鏡頭連續(xù)采集設(shè)定的圖幅數(shù)后，系統(tǒng)自動切換到下一個鏡頭。一個子系統(tǒng)的M個鏡頭采集完成后，全部圖像信號都存于計算機內(nèi)存中。圖像卡的采集頻率為實時采集，PAL制式下每秒采25幅，NTSC制式下每秒采30幅。
(4)圖像采集完畢，系統(tǒng)即依次對每個CCD的圖像序列進行計算，得出屏幕坐標下的流速場。將M個CCD的流場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成地形圖坐標并拼接成一幅圖顯示于屏幕上，同時將成果數(shù)據(jù)存于硬盤上。
上述全部計算時間可小于15秒，即可以在20秒的時間之內(nèi)完成大范圍流場的實時采集和計算。
重復(3)、(4)的操作即可得出大范圍非恒定流場的實時變化過程。
對于流速很小的流動，可以采用循環(huán)采集的方式，即在步驟(3)中，不是對每個CCD連續(xù)采集N幀圖像后再切換到下一個CCD鏡頭，而是對每個CCD輪流采集一幀圖像，經(jīng)過N次循環(huán)，完成采集。經(jīng)過第(4)步的計算得出流速場。該方法實現(xiàn)了嚴格意義的同步實時測量，特別是對其它方法無法測量的低流速場的測量具有獨創(chuàng)性。
對于大范圍的流場量測，可以采用局域網(wǎng)控制下的多套子系統(tǒng)來完成。
第(4)步的流速場的具體算法為(1)根據(jù)圖像的灰度等級，判別出示蹤顆粒的個數(shù)和位置，以顆粒的形心坐標代表該顆粒的位置。
(2)相關(guān)計算將上一幅圖中的某一顆粒(圖2中的A)依次和下一幅圖中的所有顆粒(圖2中的空心園)相關(guān)。由于兩幅圖之間的時間間隔Δt很短(在本發(fā)明的實施例中為0.04s)，對一定的試驗流場，其最大流速有一定的限度，則在計算中可以設(shè)定示蹤顆粒在Δt時間內(nèi)位移的最大距離R(對大型模型試驗，流速比尺一般都大于10，假設(shè)原型最大流速為5.0m/s，則模型最大流速小于0.5m/s，故本發(fā)明的實施例中有R≤0.02m)，即同一顆粒在兩幅圖像之間的位移很小，這樣可以求出以A為圓心，R為半徑的范圍內(nèi)的所有顆粒，如圖中有5個這樣的顆粒。另一方面，本系統(tǒng)測量的前提是漸變流動，水流質(zhì)點的運動軌跡不會有很大的曲率，即可以用前一幅圖中示蹤顆粒的運動方向(圖中的V及其延長線)來限定它在本幅圖中的運動方向，如在圖2中，其前進方向應(yīng)在α的角度范圍內(nèi)，這樣，只有顆粒B滿足條件，確定后，繼續(xù)進行下一幅的計算。在實際試驗中，可以根據(jù)試驗條件設(shè)定R和α，通過預(yù)備試驗檢驗R和α的合理性，作適當調(diào)整后即可進行正式試驗。此外，還可以采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法進一步提高相關(guān)計算的精度。
(3)前已述及，對同一個鏡頭，連續(xù)實時采集N幅(如16幅)圖像，因每幅圖像之間顆粒運動的距離很小，能保證第(2)步的相關(guān)計算的精度達到95％以上。順序計算每幅圖的位移，最后求出該顆粒N(16)步運動的連續(xù)軌跡，以該顆粒在第1幅圖和第16幅圖的坐標計算出總位移矢量，由計算機時鐘得出運動時間，即可算出該顆粒運動速度的大小和方向。
(4)對得出的流場資料進行比尺標定和坐標變換，得到實際的地形坐標體系中的流場圖，全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)按地形圖拼接，得出測量流場的結(jié)果，經(jīng)適當?shù)暮罄m(xù)處理，可以得出經(jīng)插值后的圖表數(shù)據(jù)。
在所說的系統(tǒng)及方法中，每個子系統(tǒng)可包括6個鏡頭，通過視頻同步器實現(xiàn)了外同步；圖像制式為PAL制；一幅圖像可分成768×576個象素點，每個點的灰度可分成256個等級；鏡頭切換的時間大致為0.05秒。若每個CCD每次連續(xù)采集8幀圖像，其采集時間為16×0.04＝0.64秒，加上鏡頭切換時間，每個CCD總的采樣時間應(yīng)為0.69秒，6個CCD采樣的總時間約為4.2秒。對于模型試驗中的非恒定流，可以近似認為各個CCD的圖像是同步的。
本發(fā)明的獨創(chuàng)性在于進行實時采樣，使兩幅圖之間顆粒運動的位移很小，保證相關(guān)計算有足夠的精度；進行多幅連續(xù)圖像相關(guān)，求出顆粒連續(xù)運動的軌跡，使顆粒的總位移足夠大，保證流速的測量達到要求的精度(因系統(tǒng)的固有誤差是一定的，顆粒移動的距離越大，測量精度越高)。
第(2)、(3)步既保證了顆粒運動的相關(guān)，又能滿足測量精度的要求。
本發(fā)明的技術(shù)效果1、流速量測范圍大，從0.002m/s～1.0m/s.
2、精度高，可達2.0mm/s3、實時量測通過信號的外同步和多臺計算機局域網(wǎng)的聯(lián)合操作，實現(xiàn)了嚴格意義的同步實時采樣和分析，5s之內(nèi)完成全流場流速信號的采集，15s之內(nèi)完成相應(yīng)流速場的分析計算、數(shù)據(jù)儲存及流場顯示，從而得到大范圍同步實時的恒定流和非恒定流速場。
4、配置靈活，視模型測速范圍大小的不同，可以靈活采用不同數(shù)目的CCD攝像機和不同數(shù)目的計算機，若CCD攝像機鏡頭距離模型水面為7.0m，可測量范圍約為5.0m×4.0m，每臺計算機最大可測量范圍可達120平方米。從理論上來說，系統(tǒng)測量范圍不受限制。
5.使用方便，設(shè)定好采樣周期和采樣次數(shù)后，給定指令在某一時刻開始進行采樣，程序即按照設(shè)定的采樣周期進行采樣計算，直至完成要求次數(shù)的采樣計算任務(wù)。不需要錄象，不需要操作人員的任何干預(yù)。
6.本系統(tǒng)已應(yīng)用于多家恒定流和非恒定流(如明渠和潮汐流動)模型試驗流場的量測，具有重要的生產(chǎn)實用價值及很好的推廣應(yīng)用前景。
附圖簡要說明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)配置示意2為本發(fā)明的相關(guān)計算原理示意3為本發(fā)明實施例的程序框4為本發(fā)明實施例實測的模型試驗表面流速場本發(fā)明的一種大范圍表面流速場的圖像處理系統(tǒng)及其同步實時量測方法的實施例結(jié)合附圖詳細說明如下本實施例的量測系統(tǒng)需要觀測的模型河道長約80m，寬6m。
本實施例的系統(tǒng)配置示意如圖1。圖1中，攝像機1-24按順序編為4組，每組配備1臺計算機(內(nèi)置圖像卡)，即C1～C4，組成4個子系統(tǒng)，這4個子系統(tǒng)通過局域網(wǎng)進行協(xié)調(diào)，實現(xiàn)各子系統(tǒng)的同步。將全部攝像機用視頻信號同步器連接，實現(xiàn)外同步。具體接線方法是1號子系統(tǒng)的1號攝像機的視頻輸出直接接至同步器T1的輸入端口，T1的5個輸出端口分別接到2-6號鏡頭的視頻同步輸入端口，T1的另一輸出端口和2～6號鏡頭的視頻輸出端口分別接至圖像卡的6個輸入端口。T1的第7個輸出端口連接到第2個子系統(tǒng)同步器T2的輸入端口，T2的6個輸出端分別與7～12號鏡頭的視頻同步輸入端相連，同樣原理完成子系統(tǒng)C3和C4的連線，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的外同步。，為實現(xiàn)整個模型大范圍內(nèi)流場的量測，在模型量測范圍的上方安裝了23個CCD攝像鏡頭(編號No.1～No.23)，用以監(jiān)視和獲取投放在河道水流中的示蹤顆粒的運動。CCD鏡頭的安裝高度一般由模型試驗場地建筑物頂棚高度決定，根據(jù)模型的位置和CCD的視野范圍確定CCD攝像鏡頭的安裝位置。鏡頭的安裝要注意確保攝像機的光軸和模型流場表面垂直。為了確定所測流場的具體位置，在鏡頭安裝和調(diào)試完成后，需要在河工模型上布設(shè)基準點，每個鏡頭的圖像畫面中應(yīng)有兩個基準點。通過坐標采集得到基準點的屏幕坐標，從模型坐標系得到基準點在模型中的坐標，根據(jù)模型坐標系和原型坐標系的關(guān)系，換算出基準點的原型坐標，這樣就可以將實測流速矢量場轉(zhuǎn)換到原型坐標體系中。
將23個鏡頭分為4組，No.1～No.6為第一組，No.7～No.12為第二組，No.13～No.18為第三組，No.19～No.23為第四組，每一組鏡頭配備一臺計算機組成一個相對獨立的子系統(tǒng)(共四臺計算機，編號C1-C4)。每臺計算機配置一塊圖像采集卡，圖像采集卡有6個輸入端口，分別接收來自6個CCD攝像機的圖像信號(C4只有5個鏡頭)。CCD攝像機信號在輸入圖像卡之前先通過視頻同步器進行信號同步。
為了達到同步實時量測整個模型流場的目的，四個子系統(tǒng)需要同時進行采樣、分析和處理。為此，將四臺計算機連成局域網(wǎng)通過網(wǎng)絡(luò)進行協(xié)同操作。當起始操作指令發(fā)出后，四個子系統(tǒng)將同時進行量測工作，不需要操作人員的任何干預(yù)。
實際量測時，在流場表面均勻撒上示蹤顆粒來代表水流的運動。示蹤球用直徑2厘米的空心塑料球做成。球內(nèi)加入一定數(shù)量的重沙，使球體有一半沉在水中。經(jīng)過實際試驗檢驗，其與水流的跟隨性很好，與在水面用紙屑示蹤的同步觀測結(jié)果對比，差別在2％以內(nèi)。試驗中用塑料沙做試驗，水體呈乳白色，示蹤球做成黑色。若用粉煤灰做試驗，水體呈灰黑色，示蹤球可以做成白色。
顆粒的運動過程由CCD攝像機獲取并傳輸至計算機圖像采集卡，經(jīng)過圖像處理和分析，得出全試驗段的表面流速和流態(tài)。
得出流場后，如需要知道某些斷面的流速分布，可以采用流場插值的方法得出流速剖面圖，可以選擇圖形表現(xiàn)方式和表格數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式。
針對系統(tǒng)硬件組織方式，系統(tǒng)軟件使用Microsoft Visual C++語言開發(fā)完成，實現(xiàn)了對整個模型水域的快速實時采樣計算，系統(tǒng)運行在Microsoft Windows 9x上。程序框圖見圖3，首先通過圖像采集卡獲取圖像并將其數(shù)字化；然后進行二值化等圖像增強措施，得到粒子點的坐標；通過粒子識別得到粒子的形心坐標作為粒子的代表點；由粒子匹配得出粒子在圖像中的運動矢量；最后經(jīng)鏡頭變形校正，坐標轉(zhuǎn)換，即得到原型坐標系下的運動矢量；將各個CCD的數(shù)據(jù)進行合成，并繪制出整個試驗流場的流速場。
在試驗開始之前，首先設(shè)定好采樣周期和采樣次數(shù)，在某一時刻通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)出開始指令后，四臺計算機及其控制的攝像系統(tǒng)同時開始進行采樣，采樣及其分析處理過程互不干擾，最后將分析結(jié)果合并在一起即可得出全流場的流速和流態(tài)。
圖4為實際量測得到的三峽壩區(qū)河道表面流場圖，圖中上部為回流區(qū)，左下部為主流，下部中間偏右為因隔流堤產(chǎn)生的分離流。
權(quán)利要求
1.一種大范圍表面流速場的圖像處理系統(tǒng)，其特征在于，包括多個CCD攝像機、與該CCD攝像機相連的視頻信號同步器、多臺計算機、設(shè)置在該計算機中的圖像采集卡、局域網(wǎng)和圖像實時采集與處理程序，以及流場示蹤顆粒；所說的一臺計算機中的圖像采集卡共有M個輸入端口，與其相連的M個CCD攝像機的攝像鏡頭組成一個相對獨立的子系統(tǒng)；將全部攝像機用視頻信號同步器連接，實現(xiàn)外同步；各子系統(tǒng)的計算機連成局域網(wǎng)通過網(wǎng)絡(luò)進行協(xié)同操作，實現(xiàn)內(nèi)同步。
2.一種用于如權(quán)利要求1中所述圖像處理系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)的圖像實時采集與處理方法，包括下列步驟(1)在模型水流表面均勻撒布能緊密跟隨水流運動的示蹤顆粒；(2)用攝像機獲取示蹤顆粒在水中運動軌跡的圖像，通過視頻線直接傳輸至計算機內(nèi)的圖像卡；(3)計算機控制圖像采集卡首先對第一號鏡頭的同步信號進行A/D轉(zhuǎn)換和采集，將一幅圖像分成W×H個象素點，每個點的灰度分成L個等級，采集一幅圖后即將每個象素點的灰度值存入主機內(nèi)存，再采下一幅圖像；當一個鏡頭連續(xù)采集設(shè)定的圖幅數(shù)后，系統(tǒng)自動切換到下一個鏡頭；采集的全部圖像信號都存于計算機內(nèi)存中；(4)依次對每個CCD的圖像序列進行計算，得出屏幕坐標下的流速場；將M個CCD的流場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成地形圖坐標并拼接成一幅圖顯示于屏幕上，同時將成果數(shù)據(jù)存于硬盤上；重復(3)、(4)的操作即可得出大范圍非恒定流場的實時變化過程。
3.一種用于如權(quán)利要求1中所述圖像處理系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)的圖像實時采集與處理方法，包括下列步驟(1)在模型水流表面均勻撒布能緊密跟隨水流運動的示蹤顆粒；(2)用攝像機獲取示蹤顆粒在水中運動軌跡的圖像，通過視頻線直接傳輸至計算機內(nèi)的圖像卡；(3)對每個CCD輪流采集一幀圖像，經(jīng)過多次循環(huán)，完成采集；采集的全部圖像信號都存于計算機內(nèi)存中；(4)依次對每個CCD的圖像序列進行計算，得出屏幕坐標下的流速場；將M個CCD的流場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成地形圖坐標并拼接成一幅圖顯示于屏幕上，同時將成果數(shù)據(jù)存于硬盤上；重復(3)、(4)的操作即可得出大范圍非恒定流場的實時變化過程。
4.如權(quán)利要求2或3所述的圖像實時采集與處理方法，其特征在于，所說的第(4)步的獲得流速場的方法，具體包括下列步驟(1)根據(jù)圖像的灰度等級，判別出示蹤顆粒的個數(shù)和位置，以顆粒的形心坐標代表該顆粒的位置；(2)相關(guān)計算將上一幅圖中的某一顆粒A依次和下一幅圖中的所有顆粒相關(guān)，得出以A為圓心，R為半徑的范圍內(nèi)的所有顆粒；用前一幅圖中示蹤顆粒的運動方向來限定它在本幅圖中的運動方向，其前進方向應(yīng)在α的角度范圍內(nèi)，這樣，只有顆粒B滿足條件，確定后，繼續(xù)進行下一幅的計算；(3)對同一個鏡頭，連續(xù)實時采集N幅圖像，保證第(2)步的相關(guān)計算的精度達到95％以上，順序計算每幅圖的位移，最后求出該顆粒N步運動的連續(xù)軌跡，以該顆粒在第1幅圖和第N幅圖的坐標計算出總位移矢量，由計算機時鐘即可算出該顆粒運動速度的大小和方向；(4)對得出的流場資料進行比尺標定和坐標變換，得到實際的地形坐標系中的流場圖，全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)按地形圖拼接，得出測量流場的結(jié)果，經(jīng)過適當?shù)暮罄m(xù)處理，可以得出經(jīng)插值后的圖表數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明屬于水利量測技術(shù)領(lǐng)域,包括多個CCD攝像機、視頻信號同步器、多臺計算機、圖像采集卡、局域網(wǎng)或圖像實時采集與處理程序,以及流場示蹤顆粒;一臺計算機中的圖像采集卡與其相連的M個CCD攝像機鏡頭組成一個相對獨立的子系統(tǒng);將全部攝像機用視頻信號同步器連接,實現(xiàn)外同步;各子系統(tǒng)的計算機連成局域網(wǎng),實現(xiàn)內(nèi)同步。本發(fā)明流速量測范圍大,精度高,系統(tǒng)配置靈活,使用方便,可用于恒定流和非恒定流模型試驗大范圍流場的同步實時量測。
文檔編號G01P5/18GK1289037SQ0013029
公開日2001年3月28日 申請日期2000年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月3日
發(fā)明者王興奎, 禹明忠, 李丹勛, 王殿常 申請人:清華大學