专利名称：大范围表面流速场的图像处理系统及其同步实时量测方法
技术领域：
本发明属于水利量测技术领域，特别涉及大范围表面流速场的同步实时量测方法。
现有的河工、港工和水工模型试验中，对水流速度的量测方法大致有三类一是采用浮标示踪人工计时或拍照后分析处理，这一方法费时费力且精度不高，只适于单点流速的近似量测，无法用于大面积水域流速的精确量测。
第二类方法是采用水槽试验的常用仪器。如旋桨流速仪，相对于浮标示踪人工计时方法，其量测精度有所提高，但只适于单点流速量测，测量的最小流速大于2.0cm/s；此外，当泥沙含量较高时，旋桨流速仪的精度降低，甚至难以使用。类似的仪器还有超声流速仪、电磁流速仪等，但在含沙水流中都难于应用。
第三类方法是应用颗粒示踪与图像处理技术(王兴奎等河工模型试验流场量测中的图像摄取系统及图像处理方法，发明专利号ZL 94 1 19429.9)。该专利技术采用摄像机摄取信号，经信号线路传输到控制室的录像机记录，试验结束后再用录像机回放进行图像处理，得到全流场的流速流态数据。如在清华大学三峡泥沙模型试验中，测量流场的范围约500m2，安装了23个摄像机。如要完全同步测量，则需配置23台录像机，这一方面增加了设备成本，另一方面也使操作繁杂。在实际操作中，采用4台录像机切换录像，需循环6次，量测一组试验需要20分钟时间。对于变化较快的非恒定流，如潮汐流动，在模型中容许的同步采样时间只有几秒钟，一个测量周期的持续时间也只有几十秒钟，显然这一专利技术达不到实时同步测量的要求。此外，23个摄像机的录像信号逐一回放处理还需半天以上的时间。
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种大范围表面流速场的图像处理系统及其同步实时量测方法，用以实现对明渠流动和潮汐流动等大面积恒定或非恒定流模型试验表面流场的实时量测。
本发明提出的一种大范围表面流速场的图像处理系统，包括CCD摄像机、视频信号同步器、计算机、图像采集卡、局域网和流场示踪颗粒。图像采集卡共有M个输入端口，可以顺序接收来自M个CCD摄像机的图像信号，因此每M个摄像镜头编为一组，配备一台计算机，组成一个相对独立的子系统。若模型流场面积很大，只需增加子系统的数目。将全部摄像机用视频信号同步器连接，实现外同步；各子系统的计算机连成局域网通过网络进行协同操作，实现内同步。
在本系统中，图像直接进入计算机而减少了录像机录像和回放的中间过程。M路CCD摄像机信号在输入图像卡之前先通过视频同步器进行信号同步。示踪颗粒均匀撒落在水流表面并跟随水流运动，摄像机安装于河工模型流场的上方，颗粒运动的图像信号通过视频线传输至计算机图像采集卡进行分析处理，得到流场流速和流态。
对于一个子系统，本发明的图像处理方法包括下列步骤(1)在模型水流表面均匀撒布能紧密跟随水流运动的示踪颗粒；(2)用摄像机获取示踪颗粒在水中运动轨迹的图像，通过视频线直接传输至计算机内的图像卡；(3)计算机控制图像采集卡首先对第一号镜头的同步信号进行A/D转换和采集，将一幅图像分成W×H个象素点，每个点的灰度分成L个等级，采集一幅图后即将每个象素点的灰度值存入主机内存，再采下一幅图像。当一个镜头连续采集设定的图幅数后，系统自动切换到下一个镜头。一个子系统的M个镜头采集完成后，全部图像信号都存于计算机内存中。图像卡的采集频率为实时采集，PAL制式下每秒采25幅，NTSC制式下每秒采30幅。
(4)图像采集完毕，系统即依次对每个CCD的图像序列进行计算，得出屏幕坐标下的流速场。将M个CCD的流场数据转换成地形图坐标并拼接成一幅图显示于屏幕上，同时将成果数据存于硬盘上。
上述全部计算时间可小于15秒，即可以在20秒的时间之内完成大范围流场的实时采集和计算。
重复(3)、(4)的操作即可得出大范围非恒定流场的实时变化过程。
对于流速很小的流动，可以采用循环采集的方式，即在步骤(3)中，不是对每个CCD连续采集N帧图像后再切换到下一个CCD镜头，而是对每个CCD轮流采集一帧图像，经过N次循环，完成采集。经过第(4)步的计算得出流速场。该方法实现了严格意义的同步实时测量，特别是对其它方法无法测量的低流速场的测量具有独创性。
对于大范围的流场量测，可以采用局域网控制下的多套子系统来完成。
第(4)步的流速场的具体算法为(1)根据图像的灰度等级，判别出示踪颗粒的个数和位置，以颗粒的形心坐标代表该颗粒的位置。
(2)相关计算将上一幅图中的某一颗粒(图2中的A)依次和下一幅图中的所有颗粒(图2中的空心园)相关。由于两幅图之间的时间间隔Δt很短(在本发明的实施例中为0.04s)，对一定的试验流场，其最大流速有一定的限度，则在计算中可以设定示踪颗粒在Δt时间内位移的最大距离R(对大型模型试验，流速比尺一般都大于10，假设原型最大流速为5.0m/s，则模型最大流速小于0.5m/s，故本发明的实施例中有R≤0.02m)，即同一颗粒在两幅图像之间的位移很小，这样可以求出以A为圆心，R为半径的范围内的所有颗粒，如图中有5个这样的颗粒。另一方面，本系统测量的前提是渐变流动，水流质点的运动轨迹不会有很大的曲率，即可以用前一幅图中示踪颗粒的运动方向(图中的V及其延长线)来限定它在本幅图中的运动方向，如在图2中，其前进方向应在α的角度范围内，这样，只有颗粒B满足条件，确定后，继续进行下一幅的计算。在实际试验中，可以根据试验条件设定R和α，通过预备试验检验R和α的合理性，作适当调整后即可进行正式试验。此外，还可以采用人工神经网络的方法进一步提高相关计算的精度。
(3)前已述及，对同一个镜头，连续实时采集N幅(如16幅)图像，因每幅图像之间颗粒运动的距离很小，能保证第(2)步的相关计算的精度达到95％以上。顺序计算每幅图的位移，最后求出该颗粒N(16)步运动的连续轨迹，以该颗粒在第1幅图和第16幅图的坐标计算出总位移矢量，由计算机时钟得出运动时间，即可算出该颗粒运动速度的大小和方向。
(4)对得出的流场资料进行比尺标定和坐标变换，得到实际的地形坐标体系中的流场图，全系统的数据按地形图拼接，得出测量流场的结果，经适当的后续处理，可以得出经插值后的图表数据。
在所说的系统及方法中，每个子系统可包括6个镜头，通过视频同步器实现了外同步；图像制式为PAL制；一幅图像可分成768×576个象素点，每个点的灰度可分成256个等级；镜头切换的时间大致为0.05秒。若每个CCD每次连续采集8帧图像，其采集时间为16×0.04＝0.64秒，加上镜头切换时间，每个CCD总的采样时间应为0.69秒，6个CCD采样的总时间约为4.2秒。对于模型试验中的非恒定流，可以近似认为各个CCD的图像是同步的。
本发明的独创性在于进行实时采样，使两幅图之间颗粒运动的位移很小，保证相关计算有足够的精度；进行多幅连续图像相关，求出颗粒连续运动的轨迹，使颗粒的总位移足够大，保证流速的测量达到要求的精度(因系统的固有误差是一定的，颗粒移动的距离越大，测量精度越高)。
第(2)、(3)步既保证了颗粒运动的相关，又能满足测量精度的要求。
本发明的技术效果1、流速量测范围大，从0.002m/s～1.0m/s.
2、精度高，可达2.0mm/s3、实时量测通过信号的外同步和多台计算机局域网的联合操作，实现了严格意义的同步实时采样和分析，5s之内完成全流场流速信号的采集，15s之内完成相应流速场的分析计算、数据储存及流场显示，从而得到大范围同步实时的恒定流和非恒定流速场。
4、配置灵活，视模型测速范围大小的不同，可以灵活采用不同数目的CCD摄像机和不同数目的计算机，若CCD摄像机镜头距离模型水面为7.0m，可测量范围约为5.0m×4.0m，每台计算机最大可测量范围可达120平方米。从理论上来说，系统测量范围不受限制。
5.使用方便，设定好采样周期和采样次数后，给定指令在某一时刻开始进行采样，程序即按照设定的采样周期进行采样计算，直至完成要求次数的采样计算任务。不需要录象，不需要操作人员的任何干预。
6.本系统已应用于多家恒定流和非恒定流(如明渠和潮汐流动)模型试验流场的量测，具有重要的生产实用价值及很好的推广应用前景。
附图简要说明
图1为本发明的系统配置示意2为本发明的相关计算原理示意3为本发明实施例的程序框4为本发明实施例实测的模型试验表面流速场本发明的一种大范围表面流速场的图像处理系统及其同步实时量测方法的实施例结合附图详细说明如下本实施例的量测系统需要观测的模型河道长约80m，宽6m。
本实施例的系统配置示意如图1。图1中，摄像机1-24按顺序编为4组，每组配备1台计算机(内置图像卡)，即C1～C4，组成4个子系统，这4个子系统通过局域网进行协调，实现各子系统的同步。将全部摄像机用视频信号同步器连接，实现外同步。具体接线方法是1号子系统的1号摄像机的视频输出直接接至同步器T1的输入端口，T1的5个输出端口分别接到2-6号镜头的视频同步输入端口，T1的另一输出端口和2～6号镜头的视频输出端口分别接至图像卡的6个输入端口。T1的第7个输出端口连接到第2个子系统同步器T2的输入端口，T2的6个输出端分别与7～12号镜头的视频同步输入端相连，同样原理完成子系统C3和C4的连线，实现整个系统的外同步。，为实现整个模型大范围内流场的量测，在模型量测范围的上方安装了23个CCD摄像镜头(编号No.1～No.23)，用以监视和获取投放在河道水流中的示踪颗粒的运动。CCD镜头的安装高度一般由模型试验场地建筑物顶棚高度决定，根据模型的位置和CCD的视野范围确定CCD摄像镜头的安装位置。镜头的安装要注意确保摄像机的光轴和模型流场表面垂直。为了确定所测流场的具体位置，在镜头安装和调试完成后，需要在河工模型上布设基准点，每个镜头的图像画面中应有两个基准点。通过坐标采集得到基准点的屏幕坐标，从模型坐标系得到基准点在模型中的坐标，根据模型坐标系和原型坐标系的关系，换算出基准点的原型坐标，这样就可以将实测流速矢量场转换到原型坐标体系中。
将23个镜头分为4组，No.1～No.6为第一组，No.7～No.12为第二组，No.13～No.18为第三组，No.19～No.23为第四组，每一组镜头配备一台计算机组成一个相对独立的子系统(共四台计算机，编号C1-C4)。每台计算机配置一块图像采集卡，图像采集卡有6个输入端口，分别接收来自6个CCD摄像机的图像信号(C4只有5个镜头)。CCD摄像机信号在输入图像卡之前先通过视频同步器进行信号同步。
为了达到同步实时量测整个模型流场的目的，四个子系统需要同时进行采样、分析和处理。为此，将四台计算机连成局域网通过网络进行协同操作。当起始操作指令发出后，四个子系统将同时进行量测工作，不需要操作人员的任何干预。
实际量测时，在流场表面均匀撒上示踪颗粒来代表水流的运动。示踪球用直径2厘米的空心塑料球做成。球内加入一定数量的重沙，使球体有一半沉在水中。经过实际试验检验，其与水流的跟随性很好，与在水面用纸屑示踪的同步观测结果对比，差别在2％以内。试验中用塑料沙做试验，水体呈乳白色，示踪球做成黑色。若用粉煤灰做试验，水体呈灰黑色，示踪球可以做成白色。
颗粒的运动过程由CCD摄像机获取并传输至计算机图像采集卡，经过图像处理和分析，得出全试验段的表面流速和流态。
得出流场后，如需要知道某些断面的流速分布，可以采用流场插值的方法得出流速剖面图，可以选择图形表现方式和表格数据表现形式。
针对系统硬件组织方式，系统软件使用Microsoft Visual C++语言开发完成，实现了对整个模型水域的快速实时采样计算，系统运行在Microsoft Windows 9x上。程序框图见图3，首先通过图像采集卡获取图像并将其数字化；然后进行二值化等图像增强措施，得到粒子点的坐标；通过粒子识别得到粒子的形心坐标作为粒子的代表点；由粒子匹配得出粒子在图像中的运动矢量；最后经镜头变形校正，坐标转换，即得到原型坐标系下的运动矢量；将各个CCD的数据进行合成，并绘制出整个试验流场的流速场。
在试验开始之前，首先设定好采样周期和采样次数，在某一时刻通过网络发出开始指令后，四台计算机及其控制的摄像系统同时开始进行采样，采样及其分析处理过程互不干扰，最后将分析结果合并在一起即可得出全流场的流速和流态。
图4为实际量测得到的三峡坝区河道表面流场图，图中上部为回流区，左下部为主流，下部中间偏右为因隔流堤产生的分离流。
权利要求
1.一种大范围表面流速场的图像处理系统，其特征在于，包括多个CCD摄像机、与该CCD摄像机相连的视频信号同步器、多台计算机、设置在该计算机中的图像采集卡、局域网和图像实时采集与处理程序，以及流场示踪颗粒；所说的一台计算机中的图像采集卡共有M个输入端口，与其相连的M个CCD摄像机的摄像镜头组成一个相对独立的子系统；将全部摄像机用视频信号同步器连接，实现外同步；各子系统的计算机连成局域网通过网络进行协同操作，实现内同步。
2.一种用于如权利要求1中所述图像处理系统的一个子系统的图像实时采集与处理方法，包括下列步骤(1)在模型水流表面均匀撒布能紧密跟随水流运动的示踪颗粒；(2)用摄像机获取示踪颗粒在水中运动轨迹的图像，通过视频线直接传输至计算机内的图像卡；(3)计算机控制图像采集卡首先对第一号镜头的同步信号进行A/D转换和采集，将一幅图像分成W×H个象素点，每个点的灰度分成L个等级，采集一幅图后即将每个象素点的灰度值存入主机内存，再采下一幅图像；当一个镜头连续采集设定的图幅数后，系统自动切换到下一个镜头；采集的全部图像信号都存于计算机内存中；(4)依次对每个CCD的图像序列进行计算，得出屏幕坐标下的流速场；将M个CCD的流场数据转换成地形图坐标并拼接成一幅图显示于屏幕上，同时将成果数据存于硬盘上；重复(3)、(4)的操作即可得出大范围非恒定流场的实时变化过程。
3.一种用于如权利要求1中所述图像处理系统的一个子系统的图像实时采集与处理方法，包括下列步骤(1)在模型水流表面均匀撒布能紧密跟随水流运动的示踪颗粒；(2)用摄像机获取示踪颗粒在水中运动轨迹的图像，通过视频线直接传输至计算机内的图像卡；(3)对每个CCD轮流采集一帧图像，经过多次循环，完成采集；采集的全部图像信号都存于计算机内存中；(4)依次对每个CCD的图像序列进行计算，得出屏幕坐标下的流速场；将M个CCD的流场数据转换成地形图坐标并拼接成一幅图显示于屏幕上，同时将成果数据存于硬盘上；重复(3)、(4)的操作即可得出大范围非恒定流场的实时变化过程。
4.如权利要求2或3所述的图像实时采集与处理方法，其特征在于，所说的第(4)步的获得流速场的方法，具体包括下列步骤(1)根据图像的灰度等级，判别出示踪颗粒的个数和位置，以颗粒的形心坐标代表该颗粒的位置；(2)相关计算将上一幅图中的某一颗粒A依次和下一幅图中的所有颗粒相关，得出以A为圆心，R为半径的范围内的所有颗粒；用前一幅图中示踪颗粒的运动方向来限定它在本幅图中的运动方向，其前进方向应在α的角度范围内，这样，只有颗粒B满足条件，确定后，继续进行下一幅的计算；(3)对同一个镜头，连续实时采集N幅图像，保证第(2)步的相关计算的精度达到95％以上，顺序计算每幅图的位移，最后求出该颗粒N步运动的连续轨迹，以该颗粒在第1幅图和第N幅图的坐标计算出总位移矢量，由计算机时钟即可算出该颗粒运动速度的大小和方向；(4)对得出的流场资料进行比尺标定和坐标变换，得到实际的地形坐标系中的流场图，全系统的数据按地形图拼接，得出测量流场的结果，经过适当的后续处理，可以得出经插值后的图表数据。
全文摘要
本发明属于水利量测技术领域,包括多个CCD摄像机、视频信号同步器、多台计算机、图像采集卡、局域网或图像实时采集与处理程序,以及流场示踪颗粒;一台计算机中的图像采集卡与其相连的M个CCD摄像机镜头组成一个相对独立的子系统;将全部摄像机用视频信号同步器连接,实现外同步;各子系统的计算机连成局域网,实现内同步。本发明流速量测范围大,精度高,系统配置灵活,使用方便,可用于恒定流和非恒定流模型试验大范围流场的同步实时量测。
文档编号G01P5/18GK1289037SQ0013029
公开日2001年3月28日 申请日期2000年11月3日 优先权日2000年11月3日
发明者王兴奎, 禹明忠, 李丹勋, 王殿常 申请人:清华大学