高清視頻處理技術(shù)對(duì)水庫水位遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

葛司遠(yuǎn)，侯震

（1.燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004；2.河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

高清視頻處理技術(shù)對(duì)水庫水位遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

葛司遠(yuǎn)1，侯震2

（1.燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004；2.河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

以桃林口水庫為試點(diǎn)，應(yīng)用高清視頻處理技術(shù)對(duì)水庫水位進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)，介紹了系統(tǒng)的工作原理與總體設(shè)計(jì)方案，選取最優(yōu)的視頻采集技術(shù)及合理的無線數(shù)據(jù)傳輸方式，利用視頻圖像處理的算法去掉圖片冗余信息，推斷得出計(jì)算水位精確的數(shù)據(jù)，并將結(jié)果存放于數(shù)據(jù)庫中。實(shí)現(xiàn)了無人值守水庫水位數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程查看、及時(shí)保存、繪制折線圖與自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警的功能。

高清視頻；水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)；無線傳輸；Android平臺(tái)

1 系統(tǒng)工作原理與總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

基于高清視頻處理技術(shù)的水庫水位遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)是由CCD攝像頭、圖像采集卡、水庫水位夜光液位標(biāo)尺、圖像處理模塊（由PC機(jī)實(shí)現(xiàn)）、數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器、移動(dòng)設(shè)備終端（智能手機(jī)、pad等）、無線傳輸模塊（Wi-Fi或GPRS）組成。

1.2水庫水位監(jiān)測(cè)步驟

選取合適位置畫上標(biāo)尺，夜光液位標(biāo)尺在夜晚也能夠提供清晰的對(duì)比度。在標(biāo)尺正對(duì)面安裝固定CCD攝像頭，采集標(biāo)尺及水面的模擬圖像；通過視頻線傳輸?shù)綀D像采集卡中，經(jīng)過圖像預(yù)處理得到簡(jiǎn)化標(biāo)尺原圖。通過把簡(jiǎn)化標(biāo)尺原圖自上而下進(jìn)行像素累加得出坐標(biāo)像素圖；PC機(jī)計(jì)算出水位高度數(shù)據(jù)，一并將時(shí)間、場(chǎng)地及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。在服務(wù)器開啟監(jiān)聽之前，要與數(shù)據(jù)庫建立連接。

開啟手機(jī)端軟件連接服務(wù)器，點(diǎn)擊查詢按鈕。數(shù)據(jù)庫接收到服務(wù)器發(fā)來的查詢語句將水庫水位實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)返回。水位超過閾值，服務(wù)器將觸發(fā)移動(dòng)終端報(bào)警。

2 視頻采集與數(shù)據(jù)傳輸

2.1 視頻采集

視頻采集就是將采集的視頻圖像進(jìn)行采樣、量化后轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像并輸入、保存到幀存儲(chǔ)器的過程。只有對(duì)圖像進(jìn)行及時(shí)采集和獲取高質(zhì)量的圖像，才能利于下一步圖像分析和處理。視頻采集模塊由圖像采集卡、CCD高清攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)構(gòu)成。

圖像采集卡（Video Capture Card）是圖像采集部分和圖像處理部分的接口，可以將獲取的數(shù)字化視頻信息存儲(chǔ)和播放，也可將視頻和音頻的混合信號(hào)在數(shù)字化時(shí)同步保存和播放，使混合信號(hào)或模擬攝像機(jī)輸出的視頻信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后輸入計(jì)算機(jī)，將視頻數(shù)據(jù)保存在電腦中。

2.2 無線數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸模塊分為服務(wù)器端和移動(dòng)設(shè)備終端，兩部分的通信主要依靠Wi-Fi或GPRS實(shí)現(xiàn)無線傳輸。在移動(dòng)設(shè)備終端（如手機(jī)、平板電腦等）安裝水庫水位監(jiān)測(cè)軟件，客戶端首次運(yùn)行時(shí)需要添加遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)IP，結(jié)合端口號(hào)建立Socke連接，實(shí)現(xiàn)與主機(jī)服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)通信。服務(wù)器端監(jiān)聽客戶端請(qǐng)求，調(diào)用查詢語句將存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中的水庫水位數(shù)據(jù)返回給工作人員的移動(dòng)設(shè)備終端。

3 視頻圖像處理算法

3.1 圖像預(yù)處理

由于水庫水位實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的采集圖像包含多種噪聲和大量背景信息，會(huì)對(duì)水位分界提取造成干擾，所以需要對(duì)圖像信息進(jìn)行預(yù)處理以降低干擾?？紤]到高清數(shù)字?jǐn)z像設(shè)備捕獲的圖像具有較高分辨率，采用常規(guī)灰度化、二值化、邊緣檢測(cè)的預(yù)處理方案即可。

3.1.1 圖像灰度化

彩色圖像中的每個(gè)像素是由R，G，B 3個(gè)不同的基色分量組成的，每個(gè)基色分量的大小直接關(guān)系到相應(yīng)基色的強(qiáng)度?；叶葓D像可以認(rèn)為是R，G，B 3個(gè)分量都相同的色圖像?；叶葓D像由256種顏色組成，除了黑和白之外，還有介于兩者之間的灰色，每一種顏色的值在灰度圖像中被叫做灰度值。

采用平均值法將彩色圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像，即取彩色圖像中某點(diǎn)三基色R，G，B的平均值作為轉(zhuǎn)換的灰度圖像上該點(diǎn)的灰度值，得到灰度圖像。

3.1.2 圖像二值化

選取合適的閾值把圖像中的灰度值變?yōu)?或255，使其仍能反映出圖像的特征，變成黑白圖像。采用二值化技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行處理，能夠起到突出檢測(cè)目標(biāo)，減小運(yùn)算量，抑制干擾噪聲的目的。

二值化處理用封閉、連通的邊界來表示不交疊的區(qū)域。將圖像的各像素點(diǎn)的灰度值與閾值對(duì)比后，把大于或等于該閾值的像素點(diǎn)賦值為255，組成目標(biāo)區(qū)域；相反，小于該閾值的所有像素點(diǎn)被置于區(qū)域之外，賦值為0，成為背景或另一物體區(qū)域。

3.1.3 邊緣檢測(cè)

Canny在1986年提出基于最優(yōu)化算法的邊緣檢測(cè)算子，利用局部極值檢測(cè)圖像邊緣，具有很好的信噪比和檢測(cè)精度［3］。Canny邊緣檢測(cè)算子的具體算法：消除噪聲，利用高斯濾波器對(duì)處理的圖像進(jìn)行平滑處理；利用一階偏導(dǎo)的有限差分求出梯度的幅值和方向；對(duì)梯度的幅值進(jìn)行非極大值抑制；應(yīng)用雙閾值算法來檢測(cè)和連接邊緣［4］。

3.1.3.1 高斯平滑

根據(jù)二維高斯函數(shù)的圓對(duì)稱性和分解性，得到高斯函數(shù)的任意方向?qū)?shù)與圖像的卷積，表達(dá)式為：

式中x為二維圖像上X軸代表的像素值；y為二維圖像上Y軸代表的像素值；啄為測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)像素差。中心邊緣點(diǎn)Gn，在某一方向n→上的一階方向?qū)?shù)表達(dá)式為：

將G的二維卷積變成兩個(gè)一維的行列濾波器。如：

其中

式（4）～式（9）中，k代表隨機(jī)系數(shù)。將式（4）和式（5）與圖像f（x，y）卷積，得：

3.1.3.2 梯度計(jì)算

求得幅值及其方向角

式中M（x，y）為圖像在點(diǎn)（x，y）處的邊緣強(qiáng)度；α（x，y）是圖像在點(diǎn)（x，y）的邊緣方向。一個(gè)像素點(diǎn)若要被判斷為邊緣點(diǎn)。

必須滿足如下條件：①該像素點(diǎn)的邊緣強(qiáng)度要大于沿該點(diǎn)梯度方向上的兩個(gè)相鄰像素點(diǎn)的邊緣強(qiáng)度；②和該像素點(diǎn)的梯度方向上的相鄰兩點(diǎn)的方向夾角小于π/4；③在以該點(diǎn)為中心的3×3鄰域中，其邊緣強(qiáng)度極大值要小于某個(gè)閾值［5］。

3.1.3.3 對(duì)梯度幅值進(jìn)行非極大值抑制

通過非極大值抑制（non-maxima suppression，NMS）的方法對(duì)圖像屋脊帶進(jìn)行細(xì)化，保留幅值局部變化的最大點(diǎn)，生成細(xì)化的邊緣［6］。

式中N（x，y）的非零值對(duì)應(yīng)圖像強(qiáng)度階躍變化的對(duì)比度；M（x，y）為圖像在點(diǎn)（x，y）處的邊緣強(qiáng)度；ζ（x，y）表示在二維圖片內(nèi)的某像素點(diǎn)。

經(jīng)過平滑處理后非極大值抑制幅值圖像N（x，y）還會(huì)有許多的假邊緣。

3.1.3.4 用雙門限檢測(cè)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)直方圖，選取一個(gè)高閾值T1和低閾值T2。若信號(hào)響應(yīng)大于高閾值，則是邊緣；反之，則不是；處在低閾值和高閾值之間，若8個(gè)鄰接像素高于高閾值，則也是邊緣。

3.2 水位高度的計(jì)算

預(yù)處理后圖像分離原始模糊背景，圖像中有效像素為標(biāo)尺的內(nèi)容，從而得到簡(jiǎn)化標(biāo)尺原圖。通過把簡(jiǎn)化標(biāo)尺原圖自上而下進(jìn)行像素累加得出坐標(biāo)像素圖，Y軸為水位高度，X軸為坐標(biāo)尺的水平像素和，每個(gè)標(biāo)尺之間的距離設(shè)為y。掃描計(jì)數(shù)X軸的條形碼數(shù)，根據(jù)具體水庫水位現(xiàn)場(chǎng)情況初始設(shè)定每一條條碼代表的真實(shí)距離，測(cè)出最下端標(biāo)尺x2，x1與水位線與最下端標(biāo)尺距離y，根據(jù)公式（14）即可算出水位高度H（x，y）。

式中x為在簡(jiǎn)化標(biāo)尺原圖中X軸的對(duì)應(yīng)數(shù)值；y為在簡(jiǎn)化標(biāo)尺原圖中Y軸的對(duì)應(yīng)數(shù)值；駐y為每個(gè)標(biāo)尺之間的距離；x2為最下端標(biāo)尺所對(duì)應(yīng)的數(shù)值；x1為水位線下標(biāo)尺對(duì)應(yīng)的數(shù)值。

例如，根據(jù)桃林口水庫平時(shí)水位，假設(shè)x2為80，y為4.38，駐y設(shè)為10，則x1應(yīng)等于70，根據(jù)公式（16）算得H（x，y）=（10-4.38）/10×（80-70）+70=75.62（m）。

4 Android平臺(tái)移動(dòng)終端應(yīng)用程序設(shè)計(jì)與開發(fā)

水庫水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，終端應(yīng)用程序的主要作用是：接收數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)，就是將水庫現(xiàn)場(chǎng)采集到的高清視頻經(jīng)過視頻處理得到的水位數(shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)絡(luò)接收到移動(dòng)終端上；保存數(shù)據(jù)，就是將接收到的水位數(shù)據(jù)在本地以文本文檔格式保存起來；處理數(shù)據(jù)，就是將接收到的數(shù)據(jù)繪制成水庫水位監(jiān)測(cè)折線圖，供工作人員分析使用。因此，基于以上的用戶需求，移動(dòng)終端應(yīng)用程序應(yīng)該實(shí)現(xiàn)三大系統(tǒng)功能：數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)、水位折線圖、預(yù)警系統(tǒng)。

4.1 數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)

終端應(yīng)用程序和服務(wù)器通過建立Socket通信連接來接收水位數(shù)據(jù)，Socket通信傳輸給移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)是按照事先定義的數(shù)據(jù)包格式存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中［8］，用戶進(jìn)入數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)后，通過選擇日期從而從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出該日的水庫水位數(shù)據(jù)，并顯示在終端用戶界面上。

4.2 水庫水位折線圖

水庫水位折線圖更加直觀的將水庫水位數(shù)據(jù)顯示給用戶，使用戶能夠更加真切地感受水庫水位的波動(dòng)和變化。實(shí)現(xiàn)該功能需進(jìn)行如下4個(gè)步驟：

4.2.1 創(chuàng)建畫布

Android 4.0以上平臺(tái)提供了更加完整的畫圖工具，導(dǎo)入android.graphics包，使用onDraw（）方法在Canvas類上繪制圖形。

4.2.2 調(diào)取數(shù)據(jù)

首先需要在終端的存儲(chǔ)卡上調(diào)出以文本文檔存儲(chǔ)的文件，在將數(shù)據(jù)解析出來。

4.2.3 繪制折線圖

調(diào)用moveTo（）設(shè)置折線起點(diǎn)坐標(biāo)的位置，調(diào)用lineTo（）繪制折線節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置，最后通過canvas.drawPath（）在畫布Canvas上將設(shè)置好的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，完成折線圖繪制。

4.2.4 完善圖形注釋

根據(jù)屏幕分辨率指定合適的起始點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)，用canvas.drawPath（）在畫布上繪制出橫縱坐標(biāo)軸，在調(diào)用canvas.drawText（）在畫布上繪制出坐標(biāo)的文字說明。

4.3 預(yù)警系統(tǒng)

預(yù)警系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)的處理是在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)的。終端應(yīng)用程序只是在接收的環(huán)節(jié)接收服務(wù)器端發(fā)來的報(bào)警指標(biāo)來觸發(fā)報(bào)警開關(guān)。

5 系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)選取的檢測(cè)視頻時(shí)長(zhǎng)是1min 5s，幀速率為29幀/s，視頻的總幀數(shù)1885。每29幀圖像取一幀圖像。圖像采集過程中，除了采集到目標(biāo)水位標(biāo)尺圖像，還會(huì)不可避免地將背景圖像進(jìn)行采集，如背景中的大壩、閥門等，此外，還會(huì)有光照、水位波動(dòng)等因素的干擾。為了去除這些干擾，完成圖像的檢測(cè)，需要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。

首先用平均值法將彩色圖像變成灰度圖像，簡(jiǎn)化圖像信息，進(jìn)行灰度化處理。對(duì)圖像進(jìn)行二值化過程中，為了能突出檢測(cè)目標(biāo)，便于后續(xù)工作的檢測(cè)，所以要去合適的閾值，選取了閾值T為0.5，成功得到二值圖像。

從得到的二值圖像中可知，在閾值T=0.5時(shí)，水位標(biāo)尺清晰可見，不需要進(jìn)行邊緣檢測(cè)，如果邊緣像素點(diǎn)有些模糊，為得到圖像目標(biāo)的基本特征邊緣，需要采用Canny邊緣檢測(cè)算子對(duì)二值圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)。

水位的計(jì)算過程：計(jì)算機(jī)掃描x2為150，y為9.98，駐y根據(jù)桃林口水庫平時(shí)水位設(shè)為10，則x1應(yīng)等于140，根據(jù)公式（14）算得H=（10-9.98）/10×（150-140）+140=140.02，單位為m。

PC機(jī)將計(jì)算結(jié)果和相應(yīng)時(shí)間存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中列表中，隨時(shí)等待查詢語句調(diào)取數(shù)據(jù)。在本次桃林口水庫的試驗(yàn)中，采用SQL2000數(shù)據(jù)庫，每秒進(jìn)行一次刷新，每分鐘存儲(chǔ)在一個(gè)文本文檔中，每小時(shí)建立一個(gè)文件夾進(jìn)行存儲(chǔ)。

為了提高系統(tǒng)安全性，程序通過驗(yàn)證用戶名和密碼是否與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)相匹配方可進(jìn)入程序，否則提示用戶名或密碼錯(cuò)誤。根據(jù)資料顯示青龍河流域降水特點(diǎn)，參考?xì)庀箢A(yù)報(bào)及水情測(cè)報(bào)數(shù)據(jù)，8月1日設(shè)置最高報(bào)警水位設(shè)置為141.15m［10］。由于本實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)未到汛期，水位漲幅沒有超出報(bào)警閾值。按照手機(jī)界面提示操作即可查看水庫水位的當(dāng)前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

6 結(jié)語

（1）由圖像采集卡、CCD攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)構(gòu)成的采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高清分辨率的視頻圖像采集。

（2）采用圖像的灰度化、二值化、Canny邊緣檢測(cè)等技術(shù)原理進(jìn)行分析，采取合適的技術(shù)進(jìn)行圖像的預(yù)處理和水位檢測(cè)，滿足檢測(cè)的需求。

（3）在圖像預(yù)處理的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)水位的計(jì)算，并將檢測(cè)結(jié)果記錄于數(shù)據(jù)庫中，統(tǒng)計(jì)出每種檢測(cè)方法的檢測(cè)圖像的總幀數(shù)、檢測(cè)正確的幀數(shù)、檢測(cè)出錯(cuò)的幀數(shù)和檢測(cè)的正確率。通過對(duì)檢測(cè)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)，分析檢測(cè)方案中正確率不高的原因，采取適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)措施，提高檢測(cè)的正確率。

（4）用戶隨時(shí)通過手機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的查看與讀取，當(dāng)水位超出閾值時(shí)，服務(wù)器端會(huì)觸發(fā)手機(jī)端的報(bào)警系統(tǒng)。

（5）在風(fēng)速過大影響水位波動(dòng)時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生的報(bào)警器誤報(bào)現(xiàn)象，也相應(yīng)地提出了設(shè)置安全范圍的措施，來提高檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性。

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Application of HD video processing technology in the design of remote auto-detection system of the reservoir-water levels

GE Si-yuan1，HOU Zhen2
（1.College of Information Science and Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao 066004，China；2.HebeiResearch Institute of Investigation&Design ofWater Conservancy&Hydropower，Tianjin 300250，China）

Taolinkou reservoir as pilot，the high-definition vide o processing technology was applied to the remote automatic monitoring of reservoir levels.The working principle and the overall design of the system were introduced.This paper selects the best video capture technology and reasonable wireless data transmission，using video image processing algorithms to remove redundant information picture，and inferred accurate data to calculate the reservoir water level and the results are stored in the database.By this technology，we can remote viewing and save timely the water level data of unattended reservoir，can draw a line chart and have the function of automaticmonitoring and alarm.

HD Video；automaticmonitoring of reservoir-water levels；wireless transmission；Android platform

TV697.2+1

B

1672-9900（2015）01-0015-05

2015-01-06

葛司遠(yuǎn)（1988-），女（滿族），河北張家口人，碩士，主要從事視頻圖像處理方向的通信領(lǐng)域研究，（Tel）15232328219。