一种基于标量输运方程的视频测流方法及装置

本发明属于水文测流，具体涉及一种基于标量输运方程的视频测流方法及装置。

背景技术：

1、近年来，在图像序列里对流体流速进行估计的研究在计算机视觉任务中引起了广泛关注，从图像序列中得到特定点准确的速度是该研究的主要任务之一。河流流量测量是天然河道与人工渠道中水流监测的重要任务之一，准确的监测水流状况有利于防范山洪等地质灾害。而水文站监测设备的成熟发展给面向天然河道和明渠的非接触式测流方案提供了基础。专利公开号为cn1c7590819a的发明专利提供了一种基于压缩感知图像分析的河流表面流速估计方法，该方法能够实现河流流速的实时监测和数据的远程输运。然而，该方法只能提供流速的一个区间估计，无法得到准确的流速，因此存在一定的限制。专利公开号为cn111605666a的发明专利提出了一种新型的全自动定位浮标装置及其使用方法，该装置可用于无人机水面测流或视频测流的标定标志物。它有效地提高了水流表面流速监测的效率。然而，浮标的使用仍然具有一定的局限性。

2、虽然这些方法都已经被广泛的使用，但都有不足的地方，基于压缩感知图像分析的河流表面流速估测只能得到一个流速区间，浮标装置在湍流情况下得不到保证，因此迫切的需要一种相对更加精确和简单的方法来监测河流的流速。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于标量输运方程的视频测流方法及装置，本发明通过标定点确定透射矩阵，将测速点世界坐标转换为像素坐标，选取特定区域并使用仿射变换矩阵转化为鸟瞰图，将测速点的像素坐标转换为鸟瞰图上的新像素坐标，通过标量输运方程，计算帧间速度，并根据所有图片帧的平均帧间速度计算出河流表面实际流速、垂线平均流速，使用能够较准确的测量出河流表面测速点的流速，进而得到河流的总流量。

2、本发明采取的技术方案如下。

3、一方面，本发明提供一种基于标量输运方程的视频测流方法，包括：

4、获取河流视频数据并通过切帧处理得到图片帧；

5、确定测速点的世界坐标并经过透射变换矩阵转换为所述测速点的像素坐标；

6、选取特定区域内的所述图片帧并经过仿射变换为鸟瞰图，根据所述鸟瞰图和所述测速点的像素坐标得到所述测速点的新像素坐标；

7、基于所述测速点的新像素坐标和标量输运方程计算所述测速点的所有相邻图片帧之间的帧间速度，以获得平均帧间速度；

8、将所述平均帧间速度转换为河流表面实际流速，计算垂线平均流速，最终获得河流总流量；

9、本发明引入了流体力学中的标量输运方程来代替光流法中的亮度不变假设方程，使得方程更加符合流体特性，具有一定的物理解释。并且假设了测速点周围区域和该测速点具有相同的运动趋势，通过联立方程组，解决了一个方程有两个未知数的孔径问题；本发明的优势在于只需针对图中几个特定的测速点进行计算，大大提高了运算效率，同时可以运用到实时计算过程中。

10、可选的，实际测量标定点的世界坐标，获取所述图片帧上的所述标定点的像素坐标，根据所述标定点的世界坐标和像素坐标确定所述透射变换矩阵；经过透射变换矩阵能够把测速点的世界坐标转化为像素坐标。

11、可选的，获取测速线的起点和终点，对所述测速线的起点到终点连线进行分段，以测速线上的分段点作为测速点，确定所述测速点的世界坐标以及以所述测速点为中心的像素区域；其中，所述分段采取等分原则，分段数目由测速点个数确定；进行等分原则在后续的计算中能够用相邻两点的垂线平均速度的平均值代替两点间断面的平均速度。

12、可选的，所述特定区域是包含所述标定点和所述测速点的区域，所述特定区域范围大于所述标定点围成的区域范围；选取特定区域能够更好的对测速点信息进行处理。

13、可选的，所述基于所述测速点的新像素坐标和标量输运方程计算所述测速点的所有相邻图片帧之间的帧间速度，步骤如下：

14、引入流体力学中的所述标量输运方程计算公式为：

15、

16、其中，c为标量场浓度，t为时间，为哈密顿算子，ω＝(u,v)为二维速度矢量，u为x方向上的分速度，v为y方向上的分速度，re和sc分别为雷诺数和施密特数，δ为拉普拉斯算子；引入标量输运方程能够更好的符合流体特性。

17、利用水流的不可压缩性质，即密度不变且速度散度为0，则有以下公式：

18、

19、将式(2)代入式(1)：

20、

21、由于在标量图像中，图像灰度i与标量浓度c成正比关系，式(3)化为：

22、

23、将式(4)进行适当的变形：

24、

25、其中，为图像像素对x方向上的偏导，为图像像素对y方向上的偏导。为图像像素对x方向的二阶偏导，为图像像素对y方向上的二阶偏导。

26、记u＝ux，ν＝νy，则式(5)再次改写为：

27、

28、假设所述测速点为中心的n×n大小像素区域与所述测速点有相同的运动趋势，联立n×n大小像素区域的n2个像素可得：

29、

30、令经过矩阵运算得v＝(aτa)-1atb，展开得：

31、

32、测速点帧间速度大小w为

33、可选的，所述平均帧间速度是指所有所述图像帧所述测速点的帧间速度的平均值，计算公式如下：

34、

35、其中，wi为第i帧和i+1帧计算出的帧间速度，为平均帧间速度，m为图片帧数；计算所有图像帧相对于只计算两帧能够消除偶然误差，相对来说计算平均值更加稳定。

36、可选的，所述将所述平均帧间速度转换为河流表面实际流速，计算公式如下：

37、

38、其中，p表示相邻两个像素间代表的实际长度，fps表示每秒帧数，ws表示所述河流表面实际流速。

39、可选的，根据表面流速系数和所述河流表面实际流速得到测速点的所述垂线平均流速，计算公式如下：

40、wv＝k×ws

41、其中，k表示表面流速系数，wv表示垂线平均流速。

42、可选的，根据所述垂线平均流速计算河流总流量，步骤如下：

43、设所述测速点j的垂线平均流速为wvj，j＝1，2，...n；n为断面线上测速点的个数，所述测速点j-1到j对应的断面面积为sj，测速点j-1到j之间的平均垂线流速为则断面面积sj和平均垂线流速计算公式分别为：

44、

45、

46、其中，dj为测速点j对应的水深，lj为j点和j-1点之间的距离；

47、根据流速-面积法可得过水断面sj的流量为：

48、

49、其中，为测速点j-1到j之间的平均垂线流速；

50、则所述河流总流量q的计算公式为：

51、

52、其中，qj为过水断面sj的流量。

53、第二方面，本发明提供一种基于标量输运方程的视频测流装置，其包括：

54、帧图像获取模块，用于将视频切分为帧图像；

55、数据获取模块，用于基于所述河流视频和预先获取的勘测结果计算变换矩阵，通过变换矩阵将河流视频中各测速点的世界坐标变换成测速点的像素坐标；

56、仿射变化模块，用于对图像特定的区域进行仿射变化使其成为鸟瞰图；

57、帧间速度计算模块，用于基于标量输运方程的方法计算测速点相邻帧之间的帧间速度，将所有帧间速度的平均值作为该测速点的平均帧间速度；

58、流速计算模块，用于将所述平均帧间速度转化为河流表面实际流速；

59、流量计算模块，用于计算出河流总流量。

60、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果为：结合流体力学中的标量输运方程，仅针对图像中的某几个测速点进行计算而不是对全局计算，大大提高了运行效率；并且基于流体力学中的标量输运方程，通过计算帧间速度得到更为准确的河流表面速度及总流量，使得算法有更强的可靠性；使用视频进行测流，不需要人工现场测量，保障了工作人员的生命安全，同时也不需要向水中抛洒示踪剂，避免了环境污染。