TWI473976B - 液面高度量測模組 - Google Patents
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Description
本發明係為一種液面高度量測模組，尤指一種利用數位電子裝置進行影像攝影，並利用相關結構的傾斜與透光設計以及採用次像素精確度分析之影像處理技術來精確地量測相關區域之液面高度的量測模組。
台灣地區容易因為諸如梅雨或颱風等天氣現象而導致豪大雨的發生，加之台灣山脈地形陡峭造成河流湍急且集流時間短、山坡地過度開發或未能於洪汛期前完成水利工程等，一旦發生豪大雨常因此造成山區土石流、市區及河川中下游嚴重淹水等災情，對人民的生命財產影響甚鉅。同時，在氣候變遷下，極端、劇烈天氣出現頻率也相對增加，使得因這類氣象因素所導致的天然災害也會較以往增多。是以，政府對於這類災害的防治、預警或準備便很重要。
而為了對於相關區域因為降雨所可能造成的災情有準確的預警，除了事前的定量降水預報外，這些區域的水位與水體的流速與流量之觀測係亦不可或缺。而其中的水位觀測係可針對例如河川、湖泊、水庫、堤岸、路面或地下等這些區域進行水面高度或淹水深度的觀測；當其水位因降雨而增高至警界線或是足以對安全造成影響時，便應由相關人員發出警示、公告或提供資訊給其他單位應用以避免災害擴大。換句話說，如何能準確地、即時地對這些區域的水位進行觀測，便是此一水位觀測技術最基本的發展方向。
就目前技術來說，以人為的手動量測或對於設置在
水體周遭的刻度線作觀察是較傳統與直接的方式。此外，常見的水位觀測裝置例如浮筒水位計、壓力水位計、聲波水位計、雷達水位計等，則是利用水面漲落變化的原理再經由其他方式的偵測與計算後可得知對應的水位。然而，這些裝置若不是需經由人為的讀取與判斷而存在準確性與即時性較差的問題外，就是其製作的成本較高而難以作普遍地設置，並且有的裝置需採用和水面接觸的方式進行量測因而不利於維護。
另一方面，雖然有的水位觀測裝置具有自動觀測的特性或是利用攝影裝置進行水面攝影的技術(例如中華民國發明專利公告號I384205之「液面高度的量測方法」和韓國專利公開號1020120003746「Method and device for measuring a rainfall」的揭示技術)，但其如何將觀測資料進行後端傳送與處理，甚至是如何避免環境週遭的光線對攝影過程造成干擾以及對攝影結果作更精確的水位判斷，仍具有許多待改進的缺失。
本發明之目的在於提供一種液面高度量測模組。此一量測模組係利用數位電子裝置進行影像攝影，並利用相關結構的傾斜與透光設計以及採用次像素精確度分析之影像處理技術來精確地量測相關區域之液面高度。其次，此一量測模組係利用非透光之材質且其外觀為呈現封閉的容器作設計，從而能有效地隔絕外界光線的干擾以提供更佳的攝影環境。再者，此一量測模組係利用相關的習用數位電子裝置與光源，從而能有效地降低模組的設置成本並能更即時地提供影像與資訊。
本發明係為一種液面高度量測模組，包含有：一容器，其具有一開口，該容器用以置於一待測區域中以提供一液體由該開口流入該容器內；以及一數位電子裝置，具有一鏡頭，該數位電子裝置係結合於該容器，並使該鏡頭的一光軸朝向並垂直於一待測平面，且該鏡頭係藉由一光源進行照明而以定焦方式進行攝影，並攝得一影像畫面串流；其中，該液體呈現於該影像畫
面串流的任一影像畫面中係具有對應的液面影像，以將該對應的液面影像進行一影像分析，而計算得知該液體所對應之高度。
根據上述構想，其中該影像分析係針對該液體呈現於任一影像畫面中的液面影像進行其面積大小的計算或進行兩影像的液面邊緣之變化的計算與比較，並利用高斯分布法(Gaussian Distribution)或形心法(Centroid)進行次像素精確度(Sub-pixel accuracy)的分析，進而能換算得知該液體所對應之高度。
根據上述構想，其中該模組還包含有一阻隔結構，設置於該容器中並相對於該容器之底部呈現一傾斜角度，且該阻隔結構並具有斜率為線性的一透光部，而對應的液面影像係為該液體經由該透光部所呈現的亮紋。
根據上述構想，其中該阻隔結構係呈現為一平板狀、一梯形塔狀或一圓錐筒狀，而該透光部則為對應的一斜線或一螺旋線。
根據上述構想，其中該開口係形成於該容器之頂部，而該容器並具有一集水器，形成於該開口上，且該阻隔結構係為一固定口徑管體並和該集水器形成連接。
根據上述構想，其中該影像分析係針對該液體呈現於任兩影像畫面中的亮紋進行其位置的計算與比較，並利用高斯分布法(Gaussian Distribution)或形心法(Centroid)進行次像素精確度(Sub-pixel accuracy)的分析，進而能換算得知該液體所對應之高度。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
100、200、300、400‧‧‧液面高度量測模組
10、10’‧‧‧容器
10a、10a’‧‧‧開口
10b‧‧‧內壁
101、101’‧‧‧第一區域
102、102’‧‧‧第二區域
11‧‧‧數位電子裝置
12‧‧‧鏡頭
120‧‧‧光軸
13‧‧‧光源
14‧‧‧外部電源
15‧‧‧集水器
20、30、40‧‧‧阻隔結構
21、31‧‧‧透光部
A1、A2‧‧‧液面面積
B‧‧‧目標物範圍
I‧‧‧焦距
U、U1、U2、U3‧‧‧影像長度
Z‧‧‧物距
△B‧‧‧差值
L21、L22、L23、L31、L32、L33‧‧‧亮紋
Z11、Z12、Z13、Z21、Z22、Z23、Z31、Z32、Z33‧‧‧液面高度
第1圖，係為於第一實施例中所提出之液面高度量測模組100的示意圖。
第2A圖，係為第一實施例的連續攝影結果示意圖。
第2B圖，係為第一實施例的鏡頭成像示意圖。
第3A圖，係為於第二實施例中所提出之液面高度量測模組200的示意圖。
第3B圖，係為該阻隔結構20的側視圖。
第4A圖，係為第二實施例的連續攝影結果示意圖。
第4B圖，係為第二實施例的鏡頭成像示意圖。
第5圖，係為於第三實施例中所提出之液面高度量測模組300的示意圖。
第6A圖，係為第三實施例的連續攝影結果示意圖。
第6B圖，係為第三實施例的鏡頭成像示意圖。
第7圖，係為於第四實施例中所提出之液面高度量測模組400的示意圖。
現以一第一實施例進行本發明之實施說明。請參閱第1圖，係為於第一實施例中所提出之液面高度量測模組100的示意圖。如圖所示，該液面高度量測模組100主要包含有一容器10和相結合而設置於其中的一數位電子裝置11。該容器10用以置於一待測區域中以對一液體進行液面高度的量測，而該待測區域可為河川、湖泊、水庫、堤岸、路面或地下等可以形成水量聚集的相關有水區域，而該液體便為對應的雨水或河水等。當這些區域因下雨或水量集中時，即會造成部份位置或整體範圍的水位升高。該容器10具有一開口10a，於此實施例中，該開口10a係形成於該容器10之底部，使得該液體能在這些區域中由該開口10a流入該容器10內。而本發明之主要特徵便是在於由該容器10之內部對該液體進行液面高度的量測。
承上所述，該液面高度量測模組100還包含有一光源13和一外部電源14，而該數位電子裝置11則具有能進行攝影(包含照相)的一鏡頭12。於此實施例中，該光源13係採用至少一
發光二極體單元所製成。此外，該容器10係呈現為頂部封閉的柱狀或管狀之結構，並採用非透光之材質所製成；也就是說除了該開口10a外，該容器10之內部係與外界形成隔絕，使得絕大部份的外界光線無法進入到該容器10之內部而不會形成干擾。是以，該光源13之設置是用以提供該鏡頭12進行攝影時的照明亮度補充。發光二極體單元具有的亮度高、耗電低、壽命長等特性而能提供長時間的亮度照明，而於本發明中亦可設計將發光二極體單元之該光源13對該鏡頭12作照相上之同步閃光，如此可不需進行長時間或持續性的照明。
此外，在一般設計下，該數位電子裝置11具有本身的蓄電池以提供運作。然而，為了進行長時間的液面高度量測運作便需具有長時間的穩定電源供應來源。因此，該外部電源14之設置是用以提供電力給該數位電子裝置11和該光源13進行運作。該外部電源14可為一市電、一太陽能供電單元或一風力供電單元等，而這些電源的設置方式必需考量該容器10之內部與外界形成隔絕的條件來進行設計；例如將太陽能板或風力機設置於該容器10之外，並以一電線傳輸電力至該容器10之內部，而可再由內部的一蓄電池加以儲存，或是直接傳輸至該數位電子裝置11。
承上所述，該光源13除了能和該數位電子裝置11以相互分離之單元作設置外，於其他實施例中，該光源13亦可設置於該數位電子裝置11中；例如該數位電子裝置11本身所具有的閃光燈。進一步來說，該數位電子裝置11可為一智慧型手機、一平板電腦或一筆記型電腦。根據目前技術，這些裝置多半都具有攝影與照相功能的攝影模組或鏡頭，也就是採用諸如電荷耦合元件(CCD)或互補式金氧半導體感測器(CMOS)等所構成的習用單元。該數位電子裝置11還包含有一記憶單元、一中央處理單元和一信號傳輸單元(未顯示於圖式)等元件，用以進行攝影或照相後所需的儲存、影像處理分析與信號傳輸等運作。
如第1圖所示，該數位電子裝置11的設置係使該鏡頭12朝向該容器10之底部，且該鏡頭12的一光軸120朝向並垂直於一待測平面；詳細來說，當該容器10垂直置於該待測區域中而提供該液體流入時，該鏡頭12的該光軸120即是垂直於該液體的表面(即該待測平面)。該容器10之高度係因應該待測區域作設計；也就是該液體於該待測區域所對應之高度能反應成該容器10之內部的液面高度，同時還需考量該待測區域之液體的特性會不會因為流量增加而超過或淹沒該數位電子裝置11。而在第1圖中示意了兩種液面高度，代表在不同時間下該液體的升降情形。
承上所述，該鏡頭12係藉由該光源13進行照明下進行攝影，並攝得一影像畫面串流，而該液體呈現於該影像畫面串流的任一影像畫面中係具有對應的液面影像。於此實施例中，該鏡頭12係以定焦方式進行攝影，也就是在未經人為控制之下其預設的操作方式係為該鏡頭12不作拉遠或拉近的變焦(zoom)動作，使得於不同時間所得到的攝影結果其畫面的顯示範圍能代表相同大小的目標範圍。此一設計之目的在於提供後續的影像處理與分析能有一固定範圍與縮放比例的目標影像，使得對於液面的高度量測與判斷能有所依據。
根據攝影原理，鏡頭拉近會產生視角較小但目標較大的攝影結果，而鏡頭拉遠會產生視角較大但目標較小的攝影結果。於此實施例中，設計該鏡頭12所設定的焦距需使所攝得的任一影像畫面中除了包含有對應的液面影像外(詳細來說係為該液體的表面的全部影像)，還要包含有該容器10的一內壁10b之部分影像。如此，如第1圖所示，當該液體因流入或流出而使其液面高度發生變化時，便能根據液面的面積大小進行計算與判斷。若該鏡頭12拉的較近而使得液面之影像超過了該內壁10b之影像時，就會造成計算與判斷上的不精準。而若完全沒有該內壁10b之影像，則就無法看出液面高度的變化。
請參閱第2A圖，係為第一實施例的連續攝影結果示意圖。如圖所示，在該鏡頭12不作變焦動作的情形下，所攝取的目標範圍的大小係為固定，也就是影像畫面中所呈現的該內壁10b的影像是不變的。以對應於該第1圖中的兩種液面高度作說明。Z11可代表第一時間(較舊)的液面高度並對應第2A圖的液面面積A1；Z12可代表第二時間(較新)的液面高度並對應第2A圖的液面面積A2。於影像上，液面面積A2的大小係大於液面面積A1，也就是液面於此一時間間隔中發生了上升的情形。
需說明的是，第一時間與第二時間係分別對應至兩個不同的影像畫面，而第2A圖中是將此兩影像畫面作疊加而可以看到面積的變化情形。再者，根據一般數位電子裝置之攝影模組或鏡頭的設計以及一般液體流量的物理現象來說，其鏡頭的影像畫幅(frame)的更新頻率會大於液面的變化速度。因此，第2A圖可代表非為該影像畫面串流中的任兩個連續的影像畫面的示意，而是代表成前後具有一時間間隔的兩影像畫面。
承上所述，將對應的液面影像進行一影像分析便可計算得知該液體所對應之高度。該影像分析可為相關習用的影像處理與分析技術；例如利用高斯分布法(Gaussian Distribution)或形心法(Centroid)進行次像素精確度(Sub-pixel accuracy)的分析。以高斯分布法來說，因液面影像和內壁影像於色彩或亮度上有明顯不同，也就是可於影像像素的高斯函數分布的峰值(peak)上加以區別，從而可判斷在影像畫面中哪些像素是代表液面或內壁，或代表液面的像素是否有增減。
於此實施例中，該中央處理單元用以處理該影像畫面串流並將其儲存於該記憶單元中。而該影像分析係由該中央處理單元針對該液體呈現於任一影像畫面中的液面影像進行其面積大小的計算；或者不考慮液面在影像畫面之間未作變動的部份，而僅計算與比較兩影像中液面邊緣之變化。
接著，透過次像素精確度計算高斯分佈的一峰值至
影像亮度函數分布圖中的峰值的次像素位移量，便可得到液面邊緣的位移量或變化大小。需說明的是，若影像亮度函數分布圖中的峰值位於座標(m,n)上，透過下方式1的高斯分佈計算式計算高斯分佈峰值至影像亮度函數分布圖中m峰值的次像素位移量為△x，則液面邊緣在x方向的位移量為m+△x。類似地，在y方向的位移量為n+△y。進一步來說，未進行次像素位移量的計算，其精確度僅為二分之一個像素；而若進行次像素位移量的計算，其精確度將可提升為數十分之一至數百分之一個像素。
是以，藉由預先已知的每個像素在影像畫面中代表多少的實際高度或距離，便能將次像素位移量經由換算而能得知實際上液面的升降程度。進一步來說，連續地對所有的影像畫面(或為固定一時間間隔的對應影像畫面)進行相同的計算，並將所得的升降結果加以累計(或再和量測開始時的初始值作比較)，便可得知在一運作時間中的液面變化情形與該液體於該待測區域中實際上所對應之高度。
承上所述，可設定當該液體所對應之高度達一預設值時，由該中央處理單元將此量測結果產生成對應的一預警資訊，並藉由該信號傳輸單元將該預警資訊向後端裝置進行傳輸，以提供使用者或守視員作參考或警告。進一步來說，除了該預警資訊外，所攝得的該影像畫面串流亦可作同時傳輸；或是視情況作特定時間上的影像畫面傳輸，以避免在資料傳輸量過大的情形下仍可即時觀看到實際的當地情況。
再者，視其中對該數位電子裝置11的設計，當該信號傳輸單元具有無線傳輸功能時便可使用無線信號方式傳輸；或者該數位電子裝置11可另外連接一網路線，而能以有線信號方式
傳輸。另外，所述之影像分析除了可由當地端的該數位電子裝置11的中央處理單元直接處理外，亦可交由後端裝置來進行。舉例來說，該數位電子裝置亦可為一網路攝影機，而該網路攝影機僅能進行影像的攝影，但可將所攝得的影像畫面串流同步傳輸至後端裝置上，而由其來進行影像分析。
請參閱第2B圖，係為第一實施例的鏡頭成像示意圖。如圖所示，其中I為鏡頭12的焦距；U為影像距鏡頭12之中心的距離，即影像長度(圖中係以U1、U2、U3作表示)；Z為物距(或液面高度，圖中係以Z11、Z12、Z13作表示)；B為目標物距鏡頭12之中心的範圍大小。根據相似三角形關係可知，U/I=B/Z。若焦距I為固定值，且該鏡頭12所攝取的目標範圍的大小也為固定，即B為固定值，使得UZ=IB=常數。因此，U將與Z成反比；也就是物距Z愈大時，於影像平面上所形成的影像長度U會愈小。換句話說，以第一實施例的鏡頭12之設置與定焦攝影雖可得知液面的變化情形，但會因液面的不同高度而造成不同的影像長度，使得其量測精確度與靈敏度容或會不足。
是以，現以一第二實施例進行本發明之實施說明。請參閱第3A圖，係為於第二實施例中所提出之液面高度量測模組200的示意圖。如圖所示，此第二實施例於主要設計上與應用上皆和第一實施例相同，其差異特徵在於該液面高度量測模組200還包含有一阻隔結構20。詳細來說，此第二實施例的該阻隔結構20係以呈現為一平板狀之結構作設計，且其係相對於該容器10之底部以呈現一傾斜角度的方式設置於該容器10中。該阻隔結構20的設置位置係位於該容器10之底部而將該容器10之內部分成一第一區域101和一第二區域102。該第一區域101係位於該開口10a旁，使得該液體能流入其中，而該第二區域102則相對的保持乾燥。
請同時參閱第3B圖，係為該阻隔結構20的側視圖。如圖所示，該阻隔結構20並具有斜率為線性的一透光部21。
於此實施例中，該阻隔結構20和該透光部21係為一體成型，而該透光部21係呈現為透明，且該阻隔結構20之其餘表面則呈現為深色。於實際的製作上，原始之阻隔結構係可為完全透明的一平板，例如採用壓克力或塑膠等材質所製成，並且利用塗色的方式將該平板塗上深色但僅保留一角度之斜線不塗色，而成為所示之該透光部21。該透光部21之設計係用以提供光線之透光，而將該阻隔結構20之其餘表面設計為深色之目的在於和該透光部21之間有明顯的亮度差。
因此，在相同效果之下亦能以其他方式製作該透光部。舉例來說，該阻隔結構本身即為深色的一平板，而其透光部則包含有一溝槽和一透光片；也就是在該平板某一角度之位置上加以鏤空而形成斜線之溝槽，並將該透光片(可為壓克力或塑膠)設置於該溝槽上，而形成其透光部。或者，可於平板上漆上與平板之顏色呈現顏色高反差的一斜線；也就是只要能藉由液體與空氣的不同折射率而能呈現液面位置的設計方式即可。
於此實施例中，如第3A圖和第3B圖所示，該光源13係對著該液體未流入的該第二區域102進行照明，而該鏡頭12則亦以定焦方式並朝向該第二區域102進行攝影，並攝得一影像畫面串流(和第一實施例相同)。於此實施例中，其設置的對應關係為該阻隔結構20的一平面方向中心軸的一延伸方向係對準於該光軸120的一中心點。
如此設置，則成像公式UZ=IB中的Z與B皆成線性變化，即U/I=B/Z=常數。故當該鏡頭12以定焦方式進行攝影時，則焦距I為常數，U亦為常數，亦即不同深度的Z值將顯像於同一影像長度的U值。而本發明是於斜板上設計一斜向之透光部21，使得液面變化會沿著該透光部21顯像。而對應此同一深度的Z值，該透光部21的B值與斜板中心軸的B值有一△B的差值；由△U/I=△B/Z知，△U會線性正比於△B，故由該透光部21的△B的變化即可測得液面變化。
請同時參閱第4A圖和第4B圖。其中，第4A圖係為第二實施例的連續攝影結果示意圖；第4B圖係為第二實施例的鏡頭成像示意圖。由於在液面與空氣的交界處會因為該液體與空氣兩者折射率的不同而形成明顯的反光，並且在該光源13的照明下與經由該透光部21之透射後，該鏡頭12所攝得的影像畫面中其對應的液面影像係會呈現出一亮紋；如第4A圖所示代表不同時間的L21、L22、L23。而如第3B圖和第4B圖(相關元件編號的定義和第2B圖相同)所示，在該透光部21之斜率為線性以及該阻隔結構20呈現一傾斜角度的設計下，液面的升降情形將可反應成影像畫面中亮紋位置的變化情形，且兩者之間的關係是線性關係，也就是不同高度的液面(即Z21、Z22、Z23)不會造成不同的影像長度(即影像長度U為固定值)。
承上所述，類似地，以對應於該第3A圖中的三種液面高度作說明。Z21可代表第一時間(較舊)的液面高度並對應第4A圖的亮紋L21；Z22可代表第二時間的液面高度並對應第4A圖的亮紋L22；Z23可代表第三時間(較新)的液面高度並對應第4A圖的亮紋L23。同理，第4A圖中是將影像畫面作疊加而可以看到亮紋的位移情形。於此實施例中，對於該鏡頭12所攝得的影像畫面串流所進行的影像分析係和第一實施例相同；也就是利用高斯分布法或形心法進行次像素精確度的分析，於此便不多贅述。再者，此實施例還可針對對應的亮紋利用濾波的方法進行影像處理，從而可清楚地定位出該液體經由該透光部21透射而出的位置。
簡單舉例來說，若液面高度範圍為2公尺，該阻隔結構20的平板寬度為0.3公尺，則影像上寬度方向1個單位的位移量可以代表實際液面高度有6.67個單位(即2/0.3的比例關係)的升降變化；且當此影像位移量是以1000個像素來記錄時，則每個像素所代表的實際高度為0.3公厘(即0.3(公尺)/1000)；所以影像上每個像素的位移量可代表實際液面有2公厘(即0.3(公
厘)×6.67，或2(公尺)/1000)的升降變化。
根據第一實施例以及習知的影像處理與分析技術可知，未進行次像素位移量的計算(也就是只計算整數像素(Integer pixel))，其精確度僅為二分之一個像素；則上述之簡單舉例的精確度為1公厘(即2(公厘)×0.5)。而若進行次像素位移量的計算，其精確度將可提升為數十分之一至數百分之一個像素。是以，對該液體呈現於任兩影像畫面中的亮紋進行其位置的計算與比較，也就是計算兩亮紋間的次像素位移量，便可得知液面變化情形，進而可得知該液體於該待測區域中實際上所對應之高度。並且藉由該阻隔結構20的設計可使量測精確度更加提高。
更進一步來說，該透光部21之斜率亦可作調整而能對應地調整所需的量測精確度。而由上所述可知，當該透光部21之斜率愈小時，其量測精確度係愈高。
上述第二實施例是以該光源13係對著該液體未流入的該第二區域102進行照明作實施說明。然而，根據該液體與空氣兩者折射率不同的條件下，即使是改將該光源13對著該液體所流入的該第一區域101進行照明時，也可清楚地呈現出液面與空氣的交界處。或者，該第二區域102也可再藉由相關的開口設計而與該第一區域101流入等高度的液體，則同樣也能在照明之下形成明顯的反光。
再者，上述第二實施例之該阻隔結構20亦能以其他樣式作設計而能達到相同量測目的。
現以一第三實施例進行本發明之實施說明。請參閱第5圖，係為於第三實施例中所提出之液面高度量測模組300的示意圖。如圖所示，此第三實施例於主要設計上與應用上皆和第二實施例相同，其差異特徵在於此第三實施例的一阻隔結構30係以呈現為一圓錐筒狀之結構作設計；即其底面為一圓形，其側面係相對於該容器10之底部呈現一傾斜角度；圓錐筒內部為中空，並於頂部形成圓形開口。同樣的，該阻隔結構30的設置位
置係位於該容器10之底部而將該容器10之內部分成一第一區域101’和一第二區域102’。其中該液體係流入該第一區域101’。
如第5圖所示，該阻隔結構30亦具有斜率為線性的一透光部31；該透光部31的製成方式可和第二實施例相同。於此實施例中，該透光部31因應該阻隔結構30所呈現的圓錐筒狀之結構，而成為對應的一螺旋線。詳細來說，於此實施例中，該透光部31係從該阻隔結構30之底部以一角度之斜率向上繞行，並於抵達該阻隔結構30之頂部時剛好繞行一圈。需說明的是，於此實施例中，該光源13係對著該液體所流入的該第一區域101’進行照明，而該鏡頭12則亦以定焦方式並朝向該第二區域102’進行攝影。
請同時參閱第6A圖和第6B圖。其中，第6A圖係為第三實施例的連續攝影結果示意圖；第6B圖係為第三實施例的鏡頭成像示意圖。同樣的，在液面與空氣的交界處會於所攝得的影像畫面中呈現出一亮紋；如第6A圖所示代表不同時間的L31、L32、L33。並且如第5圖和第6B圖(相關元件編號的定義和第2B圖相同)所示，在該透光部31之斜率為線性以及該阻隔結構30呈現一傾斜角度的設計下，液面的升降情形將可反應成影像畫面中亮紋位置的變化情形，且兩者之間的關係是線性關係，也就是不同高度的液面(即Z31、Z32、Z33)不會造成不同的影像長度(即影像長度U為固定值)。同時，該亮紋的位移會呈現為一圓周軌跡，也就是於影像平面上形成相同半徑的圓周。
承上所述，類似地，以對應於該第5圖中的三種液面高度作說明。Z31可代表第一時間(較舊)的液面高度並對應第6A圖的亮紋L31；Z32可代表第二時間的液面高度並對應第6A圖的亮紋L32；Z33可代表第三時間(較新)的液面高度並對應第6A圖的亮紋L33。同理，第6A圖中是將影像畫面作疊加而可以看到亮紋的位移情形。而此實施例亦採用如上所述的影像分析技術。
簡單舉例來說，若液面高度範圍為2公尺，該阻隔結構30的圓錐筒底面直徑為0.3公尺，且亮紋所形成的圓周軌跡其圓周的直徑係以1000個像素來記錄時，該圓周軌跡便約有3141個像素(即π×1000)，所以影像上每個像素的位移量可代表實際液面有0.64公厘(即2(公尺)/3141)的升降變化。是以，對該液體呈現於任兩影像畫面中的亮紋進行其位置的計算與比較，也就是計算兩亮紋於圓周軌跡上的次像素位移量，便可得知液面變化情形，進而可得知該液體於該待測區域中實際上所對應之高度。並且相較於傾斜之平板的設計，此圓錐筒狀的阻隔結構30的量測精確度係更加提高。
此外，該透光部31之斜率亦可作調整而能對應地調整所需的量測精確度。而由上所述可知，當該透光部31之斜率愈小時，也就是可代表從該阻隔結構30之底部向上繞行至其頂部的圈數愈多時，其量測精確度係愈高。
除了上述第二與第三實施例所設計的阻隔結構外，亦能再以其他樣式作設計而能達到相同量測目的。舉例來說，其阻隔結構能以呈現為一梯形塔狀之結構作設計；即其底面為一方形，其四個側面各為一梯形並相對於該容器之底部呈現一傾斜角度；梯形塔內部為中空，並於頂部形成方形開口。同時，亦以斜率為線性的一透光部形成與繞行於四個側面上。以此方式作設計時，所述之亮紋的位移會呈現為一方形軌跡，並同樣可經由計算其次像素位移量而得知液面變化情形。
根據上述第一至第三實施例及其可能的變化的實施說明可知，本發明所提出的液面高度量測模組可有效地量測液體於相關區域所對應之高度以至於是液面隨時間的變化情形。然而，上述各實施例的裝置結構係設計供液體流入的開口係形成於其容器之底部，使得要將此類裝置應用在諸如雨量方面上的量測會較難實施。
是以，現以一第四實施例進行本發明之實施說明。
請參閱第7圖，係為於第四實施例中所提出之液面高度量測模組400的示意圖。如圖所示，此第四實施例於設計上與應用上係大部份和上述各實施例相同，其差異特徵在於此第四實施例係將其開口10a’形成於其容器10’之頂部，且該容器10’具有一集水器15，形成於其頂部的該開口10a’上。其次，該液面高度量測模組400所具有的一阻隔結構40係為一固定口徑管體；即其管體的主體呈現粗細一致、內部為中空，並於頂部形成管口而和該集水器15形成連接。類似地，此管體係相對於該容器10’之底部呈現一傾斜角度。
承上所述，將該阻隔結構40設計為固定口徑之管體，即其管體的截面積為定值，乘以水深即可測得正確的降雨量，以此降雨量除以集水器面積，即可得單位面積的降雨深度。另外，該阻隔結構40亦具有斜率為線性的一透光部(未顯示於圖式)，而這部份的設計以至於是對應的影像分析等則可參考上述第二實施例的說明，於此便不多贅述。
而根據第四實施例的說明與揭示，本發明亦可將第三實施例的裝置加以變化，從而使其能應用在雨量量測。舉例來說，可將容器的外形和其內部的阻隔結構設計成相互對應；也就是外部的容器亦呈現為一圓錐筒狀，使得用以流入液體的第一區域亦呈現為固定口徑。並且將該開口形成於容器的頂部或再延伸以設置出類似第四實施例的集水器(可設計不只一個開口與對應的集水器)。如此，則同樣能達到精確的雨量量測效果。
由上述各實施例的說明可知，本發明為了針對不同的應用與有效進行液面量測，而將對應的開口形成於其容器之底部或頂部。然而，即使其容器並非完全的封閉，但由各實施例所對應的圖式也可知，本發明之數位電子裝置及其鏡頭仍是位於相對封閉的環境中，也就是外界光線難以進入到其容器之內部而影響攝影。是以，本發明之液面高度量測模組的容器係為能隔絕外界光線並遮蔽內部元件的一遮蔽容器。
另外，上述各實施例係以鏡頭進行定焦攝影作實施說明。然而，於其他實施例中，視液面變化情形之不同而為攝得較適當的影像畫面或顯示範圍，其鏡頭亦可經由人為控制(例如遠端遙控)來作變焦動作與調整。或者，因應不同的待測區域具有不同的條件(例如地形的崎嶇不平)，本發明之模組將不一定能作理想的置放。所以就實際的設計與操作來說，其鏡頭的光軸可能不會理想地垂直於其待測平面(即液體的表面)；也就是會存在些許的傾斜角度。但此一情況仍可經由相關的影像分析技術來針對所需的液面影像進行計算上的轉換，而同樣也能有效地得知液體於待測區域所對應之高度。
再者，本發明之阻隔結構亦可設計為圓柱狀，也就是其柱體相對於該容器之底部並沒有呈現一傾斜角度，而是呈現為垂直。而相對形成於其柱體上的透光部之斜率則不為線性，而是呈現為反比曲線之斜率；例如在柱體之較低處，其透光部之斜率相對較小，但隨著愈往柱體之高處，其透光部之斜率則變大。如此設置，同樣能根據攝影結果進行計算而能得知液面的變化情形。
綜上所述，由本發明於上述各實施例中所提出之液面高度量測模組可知，其中利用非透光之材質並將其外觀以封閉結構作設計的容器，將能有效地隔絕外界光線的干擾以提供更佳的攝影環境。其次，利用相關的習用數位電子裝置與光源以進行影像攝影、影像處理分析、信號傳輸與對應的照明等，將能有效地降低模組的設置成本並能更即時地提供後端作應用與觀看。再者，本發明利用相關結構的傾斜與透光設計，以及對所攝得的影像進行次像素精確度分析，將能更精確地量測出液面的變化情形，從而能更正確地得知液體於相關區域所對應之高度。
是故，本發明能成功地解決先前技術所提出之相關問題，進而達到產業技術增進與發展的目的。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用
以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
200‧‧‧液面高度量測模組
10‧‧‧容器
10a‧‧‧開口
101‧‧‧第一區域
102‧‧‧第二區域
11‧‧‧數位電子裝置
12‧‧‧鏡頭
120‧‧‧光軸
13‧‧‧光源
14‧‧‧外部電源
20‧‧‧阻隔結構
Z21、Z22、Z23‧‧‧液面高度
Claims (16)
- 一種液面高度量測模組，包含有：一容器，其具有一開口，該容器用以置於一待測區域中以提供一液體由該開口流入該容器內；一阻隔結構，設置於該容器中並相對於該容器之底部呈現一傾斜角度，且該阻隔結構具有斜率為線性或非線性的一透光部；以及一數位電子裝置，具有一鏡頭，該數位電子裝置係結合於該容器，並使該鏡頭的一光軸朝向並垂直於一待測平面，且該鏡頭係藉由一光源進行照明而以定焦方式進行攝影，並攝得一影像畫面串流；其中，該液體呈現於該影像畫面串流的任一影像畫面中係具有該液體經由該透光部所呈現的亮紋，且該液體呈現於任兩影像畫面中的亮紋係供進行其位置的計算與比較，以得知該液體所對應之高度。
- 如申請專利範圍第1項所述之液面高度量測模組，其中該開口係形成於該容器之底部。
- 如申請專利範圍第1項所述之液面高度量測模組，其中該容器係呈現為頂部封閉的柱狀或管狀之結構，並採用非透光之材質所製成，且該容器之高度係因應該待測區域作設計。
- 如申請專利範圍第1項所述之液面高度量測模組，其中該容器具有一內壁，而該影像畫面串流的任一影像畫面包含有該內壁之部分影像及一對應的液面影像。
- 如申請專利範圍第1項所述之液面高度量測模組，其中該光源係設置於該數位電子裝置中，或是和該數位電子裝置為相互分離之單元，且該光源係採用至少一發光二極體單元所製成。
- 如申請專利範圍第1項所述之液面高度量測模組，其中還包含有一外部電源，用以提供電力給該數位電子裝置和該光源進行運作，而該外部電源係為一市電、一太陽能供電單元或一風力供電單元。
- 如申請專利範圍第1項所述之液面高度量測模組，其中該數位電子裝置係為一智慧型手機、一平板電腦、一筆記型電腦或一網路攝影機。
- 如申請專利範圍第1項所述之液面高度量測模組，其中該數位電子裝置包含有：一記憶單元；一中央處理單元，用以處理該影像畫面串流並將其儲存於該記憶單元中，該中央處理單元並能將該液體所對應之高度產生成對應的一預警資訊；以及一信號傳輸單元，用以將該預警資訊或該影像畫面串流以有線或無線信號方式進行傳輸。
- 如申請專利範圍第1項所述之液面高度量測模組，其中該阻隔結構於該容器中之設置係使該容器之內部具有一第一區域和一第二區域，而該液體係流入其中任一區域中或同時流入該等區域中。
- 如申請專利範圍第1項所述之液面高度量測模組，其中該阻隔結構和該透光部係為一體成型，而該透光部係呈現為透明，且該阻隔結構之其餘表面則呈現為深色。
- 如申請專利範圍第1項所述之液面高度量測模組，其中該透光部包含有一溝槽和一透光片，該透光片係設置於該溝槽 上。
- 如申請專利範圍第1項所述之液面高度量測模組，其中該阻隔結構係呈現為一平板狀、一梯形塔狀或一圓錐筒狀，而該透光部則為對應的一斜線或一螺旋線。
- 如申請專利範圍第1項所述之液面高度量測模組，其中該開口係形成於該容器之頂部，而該容器並具有一集水器，形成於該開口上，且該阻隔結構係為一固定口徑管體並和該集水器形成連接。
- 如申請專利範圍第1項所述之液面高度量測模組，其中於該液體呈現於任兩影像畫面中的亮紋供進行其位置的計算與比較時，更利用高斯分布法(Gaussian Distribution)或形心法(Centroid)進行次像素精確度(Sub-pixel accuracy)的分析，進而能換算得知該液體所對應之高度。
- 如申請專利範圍第1項所述之液面高度量測模組，其中該鏡頭係朝向該容器之底部，而該阻隔結構的一平面方向中心軸的一延伸方向係對準於該光軸的一中心點。
- 一種液面高度量測模組，包含有：一遮蔽容器，其具有一開口，該遮蔽容器用以置於一待測區域中以提供一液體由該開口流入該遮蔽容器內；一阻隔結構，設置於該容器中並相對於該遮蔽容器之底部呈現一傾斜角度或一垂直角度，且該阻隔結構並具有斜率為線性或非線性的一透光部；以及一數位電子裝置，具有一鏡頭，該數位電子裝置係設置於該遮蔽容器中並使該鏡頭的一光軸朝向並穿過一待測平面，且該鏡頭係藉由一光源進行照明而以定焦方式攝得一影像畫面串 流；其中，該液體呈現於該影像畫面串流的任一影像畫面中係具有該液體經由該透光部所呈現的亮紋，且該液體呈現於任兩影像畫面中的亮紋係供進行其位置的計算與比較，以計算得知該液體所對應之高度。
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