CN107462301A - 液面监测方法 - Google Patents
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Abstract
一种液面监测方法，应用于一个液面监测***，该液面监测***包括一个发光模块、一个数据撷取模块及一个数据处理模块。其中，该发光模块投射一个平面状激光束至一个壁面及液体的液面，该壁面及该液面的交界处形成一个共交点的多条光线段。该数据撷取模块拍摄各光线段，以产生一个原始影像。该数据处理模块强化并监测该原始影像，并求得各该光线段的共交点的影像坐标。随后，将该影像坐标转换成实际的空间坐标，该空间坐标即为该液面位置。
Description
技术领域
本发明关于一种液面监测方法，特别是一种将一个平面状激光束投射到一个壁面及一个液面，该壁面与该液面交界处形成一个共交点的至少三条光线段，并以图像处理方法取得该共交点的空间位置的液面监测方法。
背景技术
中国台湾处于西北太平洋地区台风侵袭的主要路径，属于高灾害风险地区，且极易受到天然灾害的影响。有鉴于此，都市地区容易因为大量的雨水而造成短时间内无法排除多余雨量或区域排洪不及而淹水，严重威胁民众的生命与财产安全。据此，河川水位的液位监测与预警向来是灾害防范的首要目标；而为了达到上述目标，较佳是采用一种液面监测方法，以监测该液面位置。此外，该液面监测方法也可广泛地应用于其他各种领域，例如：化学或医学等相关领域。举例而言，于化学相关领域的实验中，对于各种液态化学原料的量测，由于牵扯到各种化学原料间不同浓度的配置，因此，其剂量的量测精准度是非常重要。同时，于医学相关领域中，对于治疗病患所用的药剂的用量监测，例如：施打点滴时，其点滴瓶的药剂是否已经低于临界值，需提醒医疗人员补充该药剂或停止施打点滴。
上述液面监测方法，可为一种现有的液位量测方法，其是通过拍摄一液体的表面影像，以测量该液体的液面位置，其实施例可参酌如中国台湾第201024687号“雷射光学影像水位量测装置及其方法”专利申请。上述专利申请的方法，利用两个雷射光源射出的光线于一水体表面形成两个雷射光点。随后，由一个影像捕获设备拍摄并取得包括该两个雷射光点的一个水体影像，并传送该水体影像至图像处理装置进行分析。该图像处理装置的分析方法利用校正回归曲线计算该两个雷射光点之间的距离，借此求出该水体的水位高度。
但是，该两个雷射光点需要通过该两个雷射光源产生，并执行后续的运算，才能求出该水体的水位高度。有鉴于此，为了更简化上述液位量测方法的硬件需求，本发明提供一种液面监测方法，仅须将一个平面状激光束投射到一个壁面及一个液面，该壁面与该液面交界处形成一个共交点的至少三条光线段，并分析该共交点的位置以准确量测并取得液面位置。
发明内容
本发明的目的是提供一种液面监测方法，由一个发光模块将一个平面状激光束投射到一个壁面及一个液面，该壁面与该液面交界处形成一个共交点的至少三条光线段，并分析该共交点的位置以准确量测并取得液面位置。
一种液面监测方法，应用于一个液面监测***，以监测一个盛液装置内的液体的液面位置，该液面监测***包括一个数据处理模块，该方法包括：以该数据处理模块读入一个原始影像；以该数据处理模块监测该原始影像中形成一个共交点的至少三条光线段；以该数据处理模块计算该共交点的影像坐标；及以该数据处理模块将该影像坐标换算为一个空间坐标，该空间坐标即为该液体的液面位置。
其中，该盛液装置具有一个壁面，该壁面与该液体相接触，使该液体的液面与该壁面相接形成一个交线，该液面监测***另外包括一个发光模块及一个数据撷取模块，该数据处理模块耦接该发光模块及该数据撷取模块，该方法于该数据处理模块读入该原始影像前，以该发光模块朝该交线投射一个平面状激光束，以于邻近该交线的壁面与液面形成该至少三条光线段，而该共交点即位于该交线，且以该数据撷取模块朝该至少三条光线段拍摄并产生该原始影像。
其中，该平面状激光束于该壁面及该液面分别形成一个第一光线段及一个第二光线段，该第二光线段于该壁面形成一个第三光线段，该第三光线段于该液面形成一个第四光线段，该至少三条光线段包括该第一光线段、该第二光线段、该第三光线段及该第四光线段中至少三条光线段。
其中，该至少三条光线段的监测方法，对该原始影像执行边缘监测及形态学处理以产生一个二值影像，并对该二值影像执行线段监测。
其中，该形态学处理对该原始影像执行形态学中的填满及骨架化。
其中，该至少三条光线段包括至少一曲线线段时，该数据处理模块对该原始影像执行直线监测及曲线监测。
其中，该壁面为一个曲面状壁面时，该至少三条光线段包括至少一个曲线线段，该数据处理模块对该原始影像执行直线监测及曲线监测。
其中，该数据处理模块计算该共交点的影像坐标的方法为最小二乘法。
其中，该数据处理模块将该影像坐标换算为该空间坐标的方法为直接线性转换法。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1：本发明液面监测方法实施例的***架构示意图；
图2：本发明液面监测方法实施例的硬件运作流程图；
图3：本发明液面监测方法实施例的软件运作流程图；
图4：本发明液面监测方法实施例的光线段监测示意图。
附图标记说明
1 数据处理模块 2 发光模块
3 数据撷取模块 4 数据库模块
S1 前置处理程序 S11 参数校定步骤
S12 影像读取步骤 S13 灰阶处理步骤
S2 特征强化程序
S21 边缘监测步骤 S22 形态学处理步骤
S3 影像分析程序 S31 线段监测步骤
S32 共点计算步骤 S33 液面估算步骤
L 液体 S 液面
W 壁面 A 原始影像
T 平面状激光束 U 第一光线段
Y 第二光线段 Z 第三光线段
X 第四光线段 G 影像梯度值
E 影像边界值 ω 阈值。
具体实施方式
为使本发明的上述及其他目的、特征及优点能更明显易懂，下文特根据本发明的较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下：
本发明全文所述的“耦接”(Coupled Connection)，指两个电子装置通过有线或是无线技术相互通讯，但是不以此为限，本发明所属技术领域中普通技术人员可以理解。
本发明全文所述的“像素”(Pixels)，指一个影像组成的最小单位，用以表示该影像的分辨率(Resolution)，例如：若该影像的分辨率为1024×768，则代表该影像共有1024×768个像素，本发明所属技术领域中普通技术人员可以理解。
本发明全文所述的“色阶”(Color Level)，指该像素所显现颜色分量或亮度的浓淡程度，例如：彩色影像的红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)分量的色阶范围各为0～255；或者，灰阶影像的亮度(Luminance)的色阶范围可为0～255，本发明所属技术领域中普通技术人员可以理解。
请参阅图1所示，其是本发明液面监测方法实施例的***架构示意图，包括：一个数据处理模块1、一个发光模块2及一个数据撷取模块3。其中，该发光模块2及该数据撷取模块3耦接该数据处理模块1。该***可应用于监测一个盛液装置(例如：一个水道或一个容器)内的液体L的液面S位置。其中，该盛液装置包括两个侧壁、一个底壁及一个容置空间，该容置空间由该两个侧壁及该底壁所形成，且该容置空间用以盛装该液体L。详言之，该两个侧壁的一个具有一个朝向该容置空间的壁面W，该壁面W可为平面状壁面或曲面状壁面，且该壁面W具有相对的顶端及底端。此外，该盛液装置内盛有该液体L的情况下，该液体L与该壁面W相接触，且该液面S与该壁面W相接形成一个交线。此外，该数据处理模块1较佳可耦接一个数据库模块4，例如：MySql、Oracle等数据库，该数据库模块4可用以储存该数据撷取模块3所拍摄的原始影像A，也可由该数据处理模块1接收一个影像作为该原始影像A，并作为后续图像处理分析使用。
请参阅图2所示，其是本发明液面监测方法实施例的硬件运作流程图。其中，该发光模块2朝向该交线投射一个平面状激光束T，该平面状激光束T较佳涵盖由该发光模块2及该壁面W的底端的联机方向至该发光模块2及该壁面W的顶端的联机方向所构成的范围。并且，该平面状激光束T不与该交线平行。借此，该盛液装置内盛有该液体L的情况下，该平面状激光束T可于邻近该交线的壁面W与液面S形成至少三条光线段，且该至少三条光线段于该交在线形成一个共交点。在本实施例中，该平面状激光束T于该壁面W及液面S分别形成一个第一光线段U及一个第二光线段Y，该第二光线段Y于该壁面W形成一个第三光线段Z，该第三光线段Z于该液面S形成一个第四光线段X，该至少三条光线段包括该第一光线段U、该第二光线段Y、该第三光线段Z及该第四光线段X中至少三条光线段。此外，该壁面W以一个渠道侧壁的壁面为实施例作为后续说明。同时，该发光模块2可为一个雷射雾灯(Laser Emitterwith Prism Lens)，也可利用一个雷射笔投射一条状光束于一个棱镜上，借此形成该平面状激光束T。然而，该发光模块2的实施方式及应用本监测方法的容器并不以上述形态为限。
请再参阅图2所示，该数据撷取模块3(例如：监视摄影机、网络摄影机或红外线摄影机等)可耦接该数据处理模块1(例如：计算机主机、文件服务器或云端服务器等)作为***执行架构。在本实施例中，该数据撷取模块3可设置于该发光模块2旁，且拍摄取得包括该至少三条光线段的原始影像A(Original Image)，例如：单一(Single)或连续(Continued)影像等，该原始影像A可为彩色或灰阶影像。该数据处理模块1可自该数据撷取模块3接收该原始影像A，并据以执行本发明液面监测方法实施例所公开的软件运作流程，用以量测液面位置，但是不以此为限。详言之，上述的液面位置为该液体L的水位高度。此外，该原始影像A以彩色影像作为实施例进行后续说明，但是不以此为限，依此类推，可应用于黑白或连续影像的液面位置量测，其为本发明所属技术领域中普通技术人员可以理解，在此容不赘述。
请参阅图3所示，其是本发明液面监测方法实施例的软件运作流程图，可包括一个前置处理程序S1、一个特征强化程序S2及一个影像分析程序S3，分别叙述如后。
该前置处理程序S1可包括一个参数校定步骤S11、一个影像读取步骤S12及一个灰阶处理步骤S13。其中，该参数校定步骤S11可由该数据处理模块1设定至少四个外部控制点，以求得该数据撷取模块3的外部参数。该数据处理模块1以该数据撷取模块3的外部参数、一个平面校正版及一个校正公式计算，求出该数据撷取模块3的内部参数。在本实施例中，该数据撷取模块3为一个摄影机。而该摄影机的内部参数可用以校正其镜头的辐射畸变(Radial Distortion)，其是本发明所属技术领域中普通技术人员可以理解，在此不多加赘述。其中，该校正公式可参酌“Holland等人(1997)所提供的一种用以解决影像扭曲的校正方法”。此外，该数据撷取模块3的内部参数的计算方式为本发明所属技术领域中普通技术人员可以理解，在此容不赘述。
该影像读取步骤S12可由该数据处理模块1自该数据撷取模块3中读入该原始影像A，但是不以此为限。其中，该原始影像A可包括该壁面W、该液体L及该至少三条光线段的图像。
该灰阶处理步骤S13可由该数据处理模块1对该原始影像A进行灰阶处理，其主要原理乃依据该原始影像A各个像素的红色、绿色及蓝色分量的色阶，将该原始影像A的色调平均转换到色阶范围为0～255的亮度。
但是，该参数校定步骤S11及该灰阶处理步骤S13可选择性执行，例如：该数据撷取模块3的内外部参数不需进行校定时，即可省略该参数校定步骤S11；同时，该原始影像A的像素的色阶范围为0～255，即可省略该灰阶处理步骤S13，其是本发明所属技术领域中普通技术人员可以理解，在此不多加限制。
该特征强化程序S2的主要目的是强化该原始影像A所包括的光线段的特征，可包括一个边缘监测步骤S21及一个形态学处理步骤S22。其中，该边缘监测步骤S21可由该数据处理模块1监测该原始影像A的边缘特征，该监测方法可为一种梯度运算符边缘搜寻法，例如：肯尼边缘检测(Canny Edge Detection)或索贝尔边缘检测(Sobel Edge Detection)等。在本实施例中，采用肯尼边缘检测为实施例作为后续说明，但是不以此为限，其主要原理是计算该原始影像A中各像素的影像梯度(Gradient)值G，并依据该影像梯度值G计算各该像素的影像边界值E。详言之，该原始影像A通过执行该边缘监测步骤S21后，可为图像处理中的二值影像，但是不以此为限。其中，该影像边界值E为1或0，分别代表一个像素为一个边界或并非一个边界。该影像梯度值G与影像边界值E的计算公式如下式(1)～(3)所示：
其中，f(x,y)为该原始影像A的像素为(x,y)时的灰阶值，且0≤x＜M且0≤y＜N；Gx代表该原始影像A的水平方向的梯度值；Gy代表该原始影像A的垂直方向的梯度值；ω为一阈值。若该原始像素A的像素(x,y)的影像梯度值G大于该阈值ω时，则设定该像素(x,y)的影像边界值E(x,y)为1；若该原始像素A的像素(x,y)的影像梯度值G不大于该阈值ω时，则设定该像素(x,y)的影像边界值E(x,y)为0。在本实施例中，该数据处理模块1通过该梯度运算符边缘搜寻法监测该原始影像A的边缘特征，以求出该原始影像A中其边界值为1的壁面、液面及该至少三条光线段。
该形态学处理步骤S22可由该数据处理模块1对该原始影像A使用填满(Fill)及骨架化(Skeletonizing)的形态学图像处理方法，使该原始影像A中产生该至少三条光线段的特征。该原始影像A通过执行该形态学处理步骤S22后，可为图像处理中的二值影像，但是不以此为限。举例而言，该数据处理模块1对该原始影像A使用填满的形态学图像处理方法后，会将该原始影像A所包括的至少三条光线段的边缘特征内部填满。当该至少三条光线段皆为直线时，该至少三条光线段皆为mxn的四边形，其中，m代表该四边形宽度的像素值，且m≧1；n代表该四边形长度的像素值，且n≧1；当该至少三条光线段中包括一曲线时，则该曲线的宽度的像素值为m，且m≧1。但是，该至少三条光线段的宽度或长度的像素值大于1时，可能会造成后续图像处理步骤的误判，故，该数据处理模块1再对该原始影像A使用骨架化的形态学图像处理方法，将该至少三条光线段的宽度或长度其中之一的像素值转换成1像素。借此，提高后续图像处理步骤的精确度及图像处理效率。
请一并参阅图4所示，该影像分析程序S3可包括一个线段监测步骤S31、一个共点计算步骤S32及一个液面估算步骤S33。其中，该线段监测步骤S31可由该数据处理模块1监测该原始影像A所包括的至少三条光线段。在本实施例中，当该壁面W为该平面状壁面时，采用霍夫转换法(Hough Transform)可参酌“Hough(1962)”监测该原始影像A所包括的至少三条光线段，其主要原理是将该原始影像A中各线段的各个点的x及y坐标转换为ρ(rho)及θ(theta)极坐标。该转换公式如下式(4)～(5)所示：
依据该霍夫转换法，该原始影像A内同一方向线段在ρ及θ极坐标图上，具有交会在同一点的特性，因此，可取出最大交叉量的点，并选取ρ与θ接近最佳值的线段为所监测的光线段。
但是，当该壁面W为该曲面状壁面时，该至少三条光线段可包括至少一个曲线线段，因此，可由该数据处理模块1对该原始影像A执行直线监测及曲线监测。
该共点计算步骤S32可由该数据处理模块1求得该至少三条光线段的线段方程式。在本实施例中，可由该数据处理模块1于该原始影像A中任取组成该至少三条光线段的最低需求数量的像素坐标点(例如：至少需要二像素坐标点才能产生一个直线方程式或至少需要三像素坐标点才能产生一个曲线方程式)，以产生该至少三条光线段的线段方程式。此外，当该至少三条光线段皆为直线线段时，可由该数据处理模块1将该至少三条光线段以向量表示法表示各自的线段方程式。随后，可由该数据处理模块1根据上述的线段方程式产生一个矩阵方程式，并以该数据处理模块1通过联立法或最小二乘法(Generalized LeastSquares)对该矩阵方程式计算，以求得该至少三条光线段的共交点的影像坐标。在本实施例中，该数据处理模块1采用该最小二乘法对该线段方程式运算，但是不以此为限，且该最小二乘法的运算方式是本发明所属相关技术领域中普通技术人员可以理解，在此不多加赘述。
举例而言，当该壁面为该平面状壁面时，该数据处理模块1可于该原始影像A中监测出两条直线线段L1,L2。其中，该直线线段L1的任意两点的影像坐标分别为(248,216)、(276,538)；该直线线段L2的任意两点的影像坐标分别为(260,387)、(523,825)。直线线段的向量表示式如下式(6)所示：
ai+tni,-∝＜t＜∝ (6)
其中，ai为第i条直线线段的像素坐标的矩阵表示式，ni为第i条直线线段的单位向量，则该两条直线线段L1,L2各自的单位向量分别为[0.0866 0.9962]T及[0.5148 0.8573]T。随后，该数据处理模块1以该最小二乘法计算，求出该两条直线线段L1,L2的共交点的影像坐标，其中该最小二乘法的计算方式如下式(7)～(9)所示：
p＝R-1q (7)
其中，p为该共交点的坐标，j(j＝1,2,...,J)为第j条直线线段，I为单位矩阵，nj为第j条直线线段的单位向量，为第j条直线线段的单位向量的转移矩阵，aj为第j条直线线段的向量表示式。并求得该共交点的影像坐标为(263,392)。
该液面估算步骤S33可由该数据处理模块1将该影像坐标转换为该壁面与该液面交界处的空间坐标，从而估算出液面位置。在本实施例中，该空间坐标的转换较佳可采用直接线性转换法(Direct Linear Transformation)，其公式如下式(10)所示：
其中，(u,v)为该共交点的影像坐标，(X,Y,Z)为该壁面与该液面交界处的空间坐标，Li(i＝1,2,...,11)为该数据撷取模块3的外部参数。由于该数据撷取模块3拍摄该渠道侧壁的壁面W作为实施例，因此，假设该数据撷取模块3与该渠道的距离使该数据撷取模块3不用考虑景深所造成的影响。所以，可由该数据处理模块1设定该空间坐标的Y轴为零，以降低该液面估算步骤S33运算所需花费的时间，具有提升“图像处理效率”的功效。故，该直接线性转换法的公式可以修改成如下式(11)所示：
其中，(u,v)为该共交点影像坐标，(X,Y,Z)为该壁面与该液面交界处的空间坐标，Li(i＝1,3,4,5,7,8,9,11)为该数据撷取模块3的外部参数。
综上所述，本发明的液面监测方法于该影像前置处理程序S1中对该数据处理模块1设定该四个外部控制点，以求得该数据撷取模块3的外部参数。该数据处理模块1以该外部参数、该平面校正板及该校正公式产生该数据撷取模块3的内部参数。随后，该数据处理模块1自该数据撷取模块3读入该原始影像A，并且通过执行该特征强化程序S2对该原始影像A进行图像处理。再者，该数据处理模块1执行该影像分析程序S3监测该原始影像A所包括的至少三条光线段的特征，并计算该至少三条光线段的共交点的影像坐标，以估算出该壁面与该液面交界处的空间坐标，并取得该液面位置。据此，本发明的液面监测量测方法，可达成准确量测液面位置的目的。
Claims (9)
1.一种液面监测方法，其特征在于，应用于一个液面监测***，以监测一个盛液装置内的液体的液面位置，该液面监测***包括一个数据处理模块，该方法包括：
以该数据处理模块读入一个原始影像；
以该数据处理模块监测该原始影像中形成一个共交点的至少三条光线段；
以该数据处理模块计算该共交点的影像坐标；及
以该数据处理模块将该影像坐标换算为一个空间坐标，该空间坐标即为该液体的液面位置。
2.如权利要求1所述的液面监测方法，其特征在于，该盛液装置具有一个壁面，该壁面与该液体相接触，该液体的液面与该壁面相接形成一个交线，该液面监测***另外包括一个发光模块及一个数据撷取模块，该数据处理模块耦接该发光模块及该数据撷取模块，该方法于该数据处理模块读入该原始影像前，以该发光模块朝该交线投射一个平面状激光束，以于邻近该交线的壁面与液面形成该至少三条光线段，而该共交点即位于该交线，且以该数据撷取模块朝该至少三条光线段拍摄并产生该原始影像。
3.如权利要求2所述的液面监测方法，其特征在于，该平面状激光束于该壁面及该液面分别形成一个第一光线段及一个第二光线段，该第二光线段于该壁面形成一个第三光线段，该第三光线段于该液面形成一个第四光线段，该至少三条光线段包括该第一光线段、该第二光线段、该第三光线段及该第四光线段中至少三条光线段。
4.如权利要求2所述的液面监测方法，其特征在于，该壁面为一个曲面状壁面时，该至少三条光线段包括至少一个曲线线段，该数据处理模块对该原始影像执行直线监测及曲线监测。
5.如权利要求1所述的液面监测方法，其特征在于，该至少三条光线段包括至少一个曲线线段时，该数据处理模块对该原始影像执行直线监测及曲线监测。
6.如权利要求1所述的液面监测方法，其特征在于，该至少三条光线段的监测方法，对该原始影像执行边缘监测及形态学处理以产生一个二值影像，并对该二值影像执行线段监测。
7.如权利要求6所述的液面监测方法，其特征在于，该形态学处理对该原始影像执行形态学中的填满及骨架化。
8.如权利要求1所述的液面监测方法，其特征在于，该数据处理模块计算该共交点的影像坐标的方法为最小二乘法。
9.如权利要求1所述的液面监测方法，其特征在于，该数据处理模块将该影像坐标换算为该空间坐标的方法为直接线性转换法。
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