CN203148531U - 一种基于机器视觉的水位和水质监测终端 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于机器视觉的水位和水质监测终端，包括：浮子，位于浮子的正上方设有适于拍摄浮子影像的第一摄像头，位于水面上方设有适于拍摄水面影像的第二摄像头，第一、第二摄像头输出的相应视频信号输入至视频采集模块，与视频采集模块相连的处理器，该处理器适于计算出浮子影像的面积像素以得到第一摄像头与浮子的间距，摄像装置的安装高度减去所述间距以获得水位值，并对水面影像进行灰度处理以得出水质情况。本实用新型利用了视觉图像处理技术，将图像视觉技术应用与水位、水质监测领域，通过图像视觉技术测量视频中的浮子影像面积，根据影像面积的大小换算成浮子与摄像头之间的距离以得到水位数值，并且得到水质信息。

Description

一种基于机器视觉的水位和水质监测终端

技术领域

本实用新型涉及一种电子测量领域，尤其涉及一种图像视觉处理技术实现水位和水质监测装置。

背景技术

在现有技术的水位测量方法中，浮子式水位计在水情监测中的应用最为普遍。将浮子用线垂直挂在一个滑轮上，浮子放在水面上，就会随着水位的高低而产生上下的位移。通过测量浮子和指定点的距离，再通过一定的计算，就可以得到当前的水位了。浮子水位计需要专用的测井，它的缺点就是安装较复杂，同时如果水流含泥沙较重，经过一段时间的运行，测井的进水管就会产生淤积的现象，易形成假水位。

压力式水位计是根据压力与水深成正比关系的静水压力原理，运用压敏元件作传感器，在不同的水深感应不同压力产生相应的电流而测出相应水位的高低，这种方式解决了浮子式水位计的缺点，但无法达到很高的精度，且易被环境温度和液体密度变化影响。

气介式或液介式超声波式水位计应用超声波反射的原理来测量水位。超声波在介质中以一定速度传播，当遇到不同密度的介质分界面时，超声波立即发生反射。液介式是将换能器安装在河底，垂直向水面发射超声波；气介式是将换能器固定在空气中某一高处，向水面发射超声波。两种形式均不需建测井。液介式易受水温、水压及水中浮悬粒子浓度影响，气介式易受气温影响，其优点是不受水中水草、泥沙等影响。这种方法有其先进性，但成本较高。

并且现有的水位监测装置往往只能单独的检测水位，无法检测水质，需要另外采用水质监测装置来实现，如何实现同时测量水位和水质是本领域的技术难题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种适于同时进行水位和水质测量的基于机器视觉的水位和水质监测终端。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于机器视觉的水位和水质监测终端，包括：浮子，位于所述浮子的正上方设有适于拍摄浮子影像的第一摄像头，位于水面上方设有适于拍摄水面影像的第二摄像头，所述第一摄像头和第二摄像头输出的相应视频信号输入至视频采集模块，与所述视频采集模块相连的处理器，该处理器适于计算出所述浮子影像的面积像素以得到所述第一摄像头与浮子的间距，所述摄像装置的安装高度减去所述间距以获得水位值，并对所述水面影像进行灰度处理以得出水质情况。

进一步，为了便于显示具体的水位和水质数据，或者可以连接与电脑进行数据分析，所述基于机器视觉的水位和水质监测终端还包括：适于显示水位值和水质情况的显示模块，适于与计算机通讯的通信模块，处理器与所述显示模块和通信模块相连。

进一步，为了防止周围光线对镜头取景产生的光线影响，隔离可见光，所述第一摄像头、第二摄像头的镜头装有红外滤光镜。

进一步，在所述第一摄像头、第二摄像头的镜头周围分布有LED照明装置。

进一步，所述处理器为FPGA模块或者DSP模块。

本实用新型的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：本实用新型利用了视觉图像处理技术，将图像视觉技术应用与水位、水质监测领域，通过图像视觉技术测量视频中的浮子影像面积，根据影像面积的大小换算成浮子与摄像头之间的距离以得到水位数值，并且还可以得到水质信息，无需昂贵的水位传感器和繁琐的水质监测，使用方便。

附图说明

为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中

图1为本实用新型的基于机器视觉的水位和水质监测终端的结构示意图。其中，浮子1，水面2。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：

见图1，一种基于机器视觉的水位和水质监测终端，包括：浮子1，位于所述浮子1的正上方设有适于拍摄浮子1影像的第一摄像头，位于水面2上方设有适于拍摄水面影像的第二摄像头，所述第一摄像头和第二摄像头输出的相应视频信号输入至视频采集模块，与所述视频采集模块相连的处理器，该处理器适于计算出所述浮子影像的面积像素以得到所述第一摄像头与浮子1的间距，所述摄像装置的安装高度减去所述间距以获得水位值，并对所述水面影像进行灰度处理以得出水质情况。

所述基于机器视觉的水位和水质监测终端还包括：适于显示水位值和水质情况的显示模块，适于与计算机通讯的通信模块，处理器与所述显示模块和通信模块相连。

所述第一摄像头、第二摄像头的镜头装有红外滤光镜。

在所述第一摄像头、第二摄像头的镜头周围分布有LED照明装置。

所述处理器为FPGA模块或者DSP模块。

水位测量基本原理是根据物体在眼中的成像原理；即，目标越远，看着就越小，对于摄像头、照相机拍摄的视频、图片，同样是如此。那么，将一个浮子1放在水面2上，将第一摄像头固定在水面2上方某个位置垂直向下拍摄浮子1。随着水位的上下变化，浮子1也会上下移动，继而与第一摄像头的相对距离也发生了变化，这种变化在所拍的视频图像中体现为浮子1所占画面面积大小的变化。因此，通过计算图像中浮子1面积的大小，可以判断出浮子1与第一摄像头的相对距离，由于第一摄像头位置是固定的，因而可换算出水位。

本实用新型采用MATLAB函数对第一摄像头拍摄的浮子影像进行阈值分割处理，其步骤如下：

I=imread(‘image.jpg’);   %打开待处理图片

imshow(I);                %显示该图片

Inew=im2bw(I,x/255);      %根据阈值x进行图像二值化，划分目标与背景

Figure;imshow(Inew);      %显示二值化后的结果

通过上述步骤得到浮子1的影像面积，设该影像面积为白色，背景为黑色。

为了计算出白色部分的面积，可调用MATLAB库函数bwarea。Bwarea函数并非简单计算非0像素的数目，它还对不同像素赋予不同的权限，以补偿由于用离散数据表示连续图像所带来的误差。如一条50点长的对角线要比50点长的水平线长，因此，bwarea函数返回的50点长的水平线面积是50，而50点长的对角线面积返回的是62.5。

采用bwarea进行面积计算的步骤如下：

Number=bwarea(Inew)；

Number

计算出白色部分的像素点，即所述浮子影像的面积像素，并与存储在处理器内的距离与像素点对应列表相比较，如表1所示：

例如，若Number为54116，即54116个像素面积。该图是摄像头距离水面19cm时拍摄的，故54116个像素面积与19cm这个距离产生映射关系。

第一摄像头和水面2的距离与浮子的影像面积并不呈线性关系，而是一个由陡变缓的曲线，即浮子距摄像头越近，相同的水位变化，浮子的影像面积变化越大。因而该水位测量方法的精度也是不恒定的，在测量范围较小时才能保证合适的精度，故适用于水位变化不大的水域（如流动性不大的湖泊，高度有限的蓄水池）。

本实用新型还可以采用Canny检测算子对于灰度分量进行边缘提取，具体步骤参见发明专利，申请号200910232679.6，名称为“基于图像视觉的水位测量***和方法”。

本实用新型采用水质检测原理是利用不同水质的各灰度值与待检测的水面的灰度进行比较，即处理器存储有不同水质的各灰度值，处理器对第二摄像头拍摄的水面影像进行灰度处理。

采用MATLAB库函数对所述水面影像进行灰度值处理，步骤如下：

I=imread(‘image.jpg’);   %打开待处理图片（8位灰度）

imshow(I);                %显示该图片

C=mean2(I);               %计算图像像素矩阵的平均值

通过mean2函数的计算，就可获得所述水面影像的灰度值，表2是各种水质的平均灰度值：

按照一般常识，这些水样本的水质优劣可以这样排列：纯净水>绿茶水>游泳池水>河水>混有泥浆的水>被染料污染的水>工业废水≈墨汁水，当水体采样图像灰度值（亮度值）越小时，可认为其水质越差，反之亦然。因而在水质检测时，可以通过对水体总体灰度的计算得出相应的水质结论，还可以通过样本提取、神经网络、模式识别等更高级的处理手段，做到检测浊度等更细化的水质指标。

例如检测到的水面影像的灰度值为85，则得出该水面2的水质与河水的水质相当。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本实用新型的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种基于机器视觉的水位和水质监测终端，包括：浮子，其特征在于包括：位于所述浮子的正上方设有适于拍摄浮子影像的第一摄像头，位于水面上方设有适于拍摄水面影像的第二摄像头，所述第一摄像头和第二摄像头输出的相应视频信号输入至视频采集模块，与所述视频采集模块相连的处理器。

2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的水位和水质监测终端，其特征在于还包括：适于显示水位值和水质情况的显示模块，适于与计算机通讯的通信模块，处理器与所述显示模块和通信模块相连。

3.根据权利要求2所述的基于机器视觉的水位和水质监测终端，其特征在于，所述第一摄像头、第二摄像头的镜头装有红外滤光镜。

4.根据权利要求3所述的基于机器视觉的水位和水质监测终端，其特征在于，在所述第一摄像头、第二摄像头的镜头周围分布有LED照明装置。

5.根据权利要求4所述的基于机器视觉的水位和水质监测终端，其特征在于，所述处理器为FPGA模块或者DSP模块。

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