基于圖像處理的液位測(cè)量技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

付耀衡，彭泳卿，劉 鵬，馮紅亮

（北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076）

引 言

數(shù)字圖像處理起源于上個(gè)世紀(jì)二十年代，此后由于遙感、航天等領(lǐng)域的應(yīng)用，圖像處理技術(shù)逐漸受到重視并得到相應(yīng)的發(fā)展。由于當(dāng)時(shí)技術(shù)的局限，早期的數(shù)字圖像處理發(fā)展緩慢，直到第三代計(jì)算機(jī)出現(xiàn)，數(shù)字圖像處理才開始迅速發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用[1]。目前，數(shù)字圖像處理技術(shù)已成為工程學(xué)、信息科學(xué)、物理學(xué)、醫(yī)學(xué)等各領(lǐng)域?qū)W習(xí)和研究的對(duì)象。

基于圖像處理的液位測(cè)量技術(shù)通過圖像攝取裝置將待測(cè)目標(biāo)轉(zhuǎn)化成數(shù)字圖像信號(hào)，再通過圖像處理系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換和計(jì)算得到液位測(cè)量結(jié)果。這種技術(shù)憑借其非接觸式測(cè)量、應(yīng)用范圍廣、占用體積小等突出優(yōu)勢(shì)得到人們的廣泛關(guān)注[2]。

根據(jù)液位測(cè)量方式的不同，基于圖像處理的液位測(cè)量方法主要包括激光式圖像液位測(cè)量、標(biāo)尺式圖像液位測(cè)量、浮子式圖像液位測(cè)量和直接式圖像液位測(cè)量等四種。本文將對(duì)以上幾種圖像液位測(cè)量技術(shù)的研究現(xiàn)狀及特點(diǎn)進(jìn)行介紹，并對(duì)圖像液位測(cè)量技術(shù)的未來發(fā)展進(jìn)行展望。

1 激光式圖像液位測(cè)量技術(shù)研究現(xiàn)狀

激光式圖像液位測(cè)量系統(tǒng)的圖像攝取裝置一般包括激光光源和工業(yè)攝像機(jī)。激光光源以一定的角度射入容器中，在液體表面形成入射光斑或光條，相機(jī)捕獲帶有激光特征的數(shù)字圖像，再通過相應(yīng)的圖像處理算法得到目標(biāo)的液位信息[3]。

目前，激光式圖像液位測(cè)量的研究較成熟，在工業(yè)環(huán)境下已有部分應(yīng)用。原理上，主要采用的是激光三角法，也有利用折射和雙目視覺等其他方式進(jìn)行測(cè)量的方法。

1.1 激光三角法

在對(duì)激光三角法的研究中，浙江大學(xué)的XIANG S W 等人提出改進(jìn)的激光三角法來測(cè)量單晶硅熔融液位，測(cè)量系統(tǒng)如圖1 所示[4]。該系統(tǒng)使用線激光器投射激光線到熔體表面，鏡像隔熱罩底部的激光線會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)激光條，這些光條被頂部的相機(jī)捕獲。因?yàn)閮蓚€(gè)激光條的端點(diǎn)距離與被測(cè)液位之間是線性關(guān)系，采用優(yōu)化的自適應(yīng)識(shí)別算法可以準(zhǔn)確地獲得熔體液位信息。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量范圍為0～30mm，誤差在0.2mm 以內(nèi)。

同樣是測(cè)量單晶硅熔融液位，西安理工大學(xué)的ZHANG X Y 等人針對(duì)激光點(diǎn)隨液面波動(dòng)的問題提出一種基于表決機(jī)制的激光點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算方法，同時(shí)，加入卡爾曼濾波用于校正液位測(cè)量數(shù)據(jù)并補(bǔ)償丟失的數(shù)據(jù)，以此獲得更加準(zhǔn)確的液位測(cè)量數(shù)據(jù)[5]。在實(shí)際應(yīng)用中，被測(cè)液位每變化1mm，最大絕對(duì)誤差為0.07mm。

類似地，東北大學(xué)的SU Z Q 提出應(yīng)用激光三角測(cè)距對(duì)中間包鋼水覆蓋劑高度進(jìn)行測(cè)量[6]，裝置如圖2 所示。根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾特性，該系統(tǒng)在時(shí)間相隔0.2s 的兩幅圖像中，取其中灰度值低的進(jìn)行融合，去除高溫濾泡；運(yùn)用形態(tài)學(xué)濾波消除大面積的熱輻射干擾；設(shè)計(jì)偽目標(biāo)去除算法清除燒結(jié)態(tài)覆蓋劑的硬殼干擾。最后提取激光信號(hào)，通過三角測(cè)距得到高度信息。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量誤差在3mm以內(nèi)。

圖1 浙江大學(xué)單晶硅熔融液位測(cè)量系統(tǒng)Fig.1 The schematic diagram of monocrystalline silicon melting liquid level measurement system by Zhejiang University

圖2 東北大學(xué)覆蓋劑高度檢測(cè)裝置Fig.2 The schematic diagram of covering agent height measurement device by Northeastern University

1.2 其他方法

在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用中，還有利用激光和雙目視覺原理進(jìn)行液位測(cè)量的研究。冶金自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院的張?jiān)瀑F等人采用雙目立體視覺測(cè)距法對(duì)鉀鹽生產(chǎn)浮選池里混合料漿的液位進(jìn)行測(cè)量，檢測(cè)系統(tǒng)如圖3 所示[7]。該方法不再是對(duì)液體表面的激光點(diǎn)定位來換算液位，而是利用預(yù)處理后圖像中的激光點(diǎn)與正常液面灰度值差別明顯這一特性，設(shè)置一個(gè)固定閾值將激光點(diǎn)的區(qū)域提取出來，再基于雙目視覺原理獲取高度信息。在測(cè)量高度為25cm～45cm 時(shí)，誤差在0.5cm 以內(nèi)。

除了工業(yè)環(huán)境應(yīng)用，激光式圖像液位測(cè)量技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室玻璃儀器的液位檢測(cè)中也有應(yīng)用。中國計(jì)量大學(xué)的張竟月等人針對(duì)玻璃容器的液體體積計(jì)量，提出一種利用激光和圖像處理的液位測(cè)量方式，測(cè)量原理如圖4 所示[8]。該系統(tǒng)選取十字激光射向玻璃容器，因?yàn)楣鈴目諝馍淙胨袀鞑シ较虬l(fā)生改變，穿過液體表面的激光線發(fā)生折射，使感光芯片上的激光線圖像出現(xiàn)間隙。通過邊緣檢測(cè)確定所測(cè)量線段的兩個(gè)端點(diǎn)，設(shè)置下降沿查找確定斷點(diǎn)，換算得到所求線段實(shí)際距離。在100mL 玻璃量器中進(jìn)行試驗(yàn)，絕對(duì)誤差在0.2mL 以內(nèi)。

圖3 鉀鹽生產(chǎn)浮選池液位檢測(cè)系統(tǒng)Fig.3 The schematic diagram of potassium salt production flotation tank level detection system

圖4 中國計(jì)量大學(xué)十字激光投射測(cè)量系統(tǒng)Fig.4 The schematic diagram of cross laser projection measurement system by China Jiliang University

綜上所述，激光式圖像液位測(cè)量技術(shù)研究現(xiàn)狀及其特點(diǎn)如表1 所示。

表1 激光式圖像液位測(cè)量技術(shù)研究現(xiàn)狀及其特點(diǎn)Table 1 Research status and characteristics of laser image liquid level measurement technology

2 標(biāo)尺式圖像液位測(cè)量技術(shù)研究現(xiàn)狀

標(biāo)尺式圖像液位測(cè)量方法是發(fā)展較早的一種形式，最初是利用圖像處理自動(dòng)識(shí)別溫度計(jì)[9]，到如今，通過檢測(cè)液位計(jì)刻度線或標(biāo)尺等多種形式來獲取液位信息。目前，標(biāo)尺式圖像液位測(cè)量方法在工業(yè)自動(dòng)化、水域監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域已有應(yīng)用，充分解決了數(shù)字化采集、信息化處理等諸多問題。

標(biāo)尺式圖像液位測(cè)量主要有兩種形式，一種是利用液位計(jì)或觀察管間接進(jìn)行測(cè)量，還有一種是將標(biāo)尺放在液體中直接進(jìn)行測(cè)量。

2.1 間接測(cè)量

間接測(cè)量方法最典型的就是利用各式液位計(jì)或觀測(cè)管進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)其特性，提取顯示部分的液位分界面來獲取液位。東南大學(xué)的羊冰清等人根據(jù)基地式液位儀表的特點(diǎn)，建立如圖5 所示的測(cè)量系統(tǒng)讀取液位信息[10]。該系統(tǒng)首先基于顏色閾值分割確定儀表盤在圖像中的大致位置，然后利用Canny算子檢測(cè)液位分界處的邊緣，并結(jié)合模板匹配得到了液位的數(shù)字量。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測(cè)試，該系統(tǒng)測(cè)量值與參照值之間的絕對(duì)誤差在1mm 以內(nèi)。

圖5 東南大學(xué)雙色水位計(jì)視覺檢測(cè)系統(tǒng)Fig.5 The schematic diagram of two-color water level gauge visual detection system by Southeast University

另一種類似的形式，哈爾濱工程大學(xué)的CAI C T 等人利用鋼尺和伺服電機(jī)對(duì)觀察管液位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤測(cè)量，測(cè)量裝置如圖6 所示[11]。該方法通過實(shí)時(shí)獲取水罐中液位的高度，將信息反饋給伺服電機(jī)，控制滑塊帶著相機(jī)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤測(cè)量的目的。其中，該算法利用模板匹配從圖像中找到一個(gè)數(shù)字，將數(shù)字圖像從規(guī)則圖像中劃分出來再進(jìn)行處理，極大地優(yōu)化了時(shí)間消耗問題。在實(shí)際應(yīng)用中，量程達(dá)到了8000mm，誤差不超過20mm。

圖6 哈爾濱工程大學(xué)液位自動(dòng)跟蹤測(cè)量系統(tǒng)Fig.6 The schematic diagram of automatic liquid level tracking measurement system by Harbin Engineering University

2.2 直接測(cè)量

直接測(cè)量方法將容器和標(biāo)尺相結(jié)合，應(yīng)用場(chǎng)景更加全面。蘭州工業(yè)學(xué)院的張總等人利用透明容器和標(biāo)尺，使用工業(yè)相機(jī)獲取容器背景及液位圖像，系統(tǒng)總體方案如圖7 所示[12]。該系統(tǒng)以Lab VIEW為操作平臺(tái)，由IMAQ Caliper 功能函數(shù)獲取被測(cè)圖像中液位的變化面積。采用PID 調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)液位變化信息的獲取與控制。

圖7 蘭州工業(yè)學(xué)院液位檢測(cè)與控制系統(tǒng)Fig.7 The schematic diagram of liquid level detection and control system by Lanzhou Polytechnical College

在更開闊的地方，荷蘭Delft University of Technology 的Bruinink M 等人在水域固定標(biāo)尺，通過移動(dòng)設(shè)備獲取圖像進(jìn)行水位測(cè)量，其自動(dòng)水位檢測(cè)算法如圖8 所示[13]。該系統(tǒng)首先使用紋理識(shí)別與增強(qiáng)分類器獲得標(biāo)尺形狀和數(shù)字，然后基于隨機(jī)森林分類器進(jìn)行光學(xué)字符識(shí)別，并對(duì)標(biāo)尺形狀進(jìn)行條形檢測(cè)。結(jié)合識(shí)別的線和數(shù)字，獲得度量值。在具有反射和污漬干擾的實(shí)際測(cè)量中，該系統(tǒng)的準(zhǔn)確率達(dá)到了97%。

同樣是水位測(cè)量，南京郵電大學(xué)的PAN J Q 等人比較字典學(xué)習(xí)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用情況，最后選擇卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)水體與標(biāo)尺進(jìn)行歸類[14]。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在不需要標(biāo)尺和水兩個(gè)子類的情況下，可將訓(xùn)練圖像分為兩個(gè)類。同時(shí)，還可以處理來自不同場(chǎng)景的所有訓(xùn)練樣本。最后，進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換將以像素為單位的水位轉(zhuǎn)換為以米為單位的水位。在六種實(shí)際場(chǎng)景中（圖9 為其中一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景），應(yīng)用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量系統(tǒng)平均誤差為1.3cm。

圖8 Delft University of Technology 自動(dòng)水位檢測(cè)算法Fig.8 The flow chart of automatic water level detection algorithm by Delft University of Technology

圖9 南京郵電大學(xué)水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作場(chǎng)景Fig.9 The application scenario diagram of water level monitoring system by Nanjing University of Posts and Telecommunications

總結(jié)兩種形式的標(biāo)尺式圖像液位測(cè)量技術(shù)研究現(xiàn)狀及其特點(diǎn)，如表2 所示。

表2 標(biāo)尺式圖像液位測(cè)量技術(shù)研究現(xiàn)狀及其特點(diǎn)Table 2 Research status and characteristics of scale image liquid level measurement technology

3 浮子式圖像液位測(cè)量技術(shù)研究現(xiàn)狀

浮子式圖像液位測(cè)量系統(tǒng)借鑒傳統(tǒng)的浮子式液位傳感器，圖像攝取裝置結(jié)合液體表面的浮子，捕捉浮子表面積，根據(jù)近大遠(yuǎn)小的原理，從表面積換算得到的像素信息中獲取液位結(jié)果。

哥倫比亞Nueva Granada Military University 的Mauledoux M 等人使用3D 視覺相機(jī)Kinect 和紅色浮子構(gòu)造液位測(cè)量系統(tǒng)，如圖10 所示[15]。該處理算法基于相機(jī)的RGB 顏色空間到Y(jié)CrCb 空間的變換，其中Cr 分量通過抑制其他分量來突出圖像中的所有紅色。再通過浮子表面積所對(duì)應(yīng)的像素?fù)Q算得到浮子相距位置，最后得到液位值。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，對(duì)于低液位狀態(tài)，誤差在2.4%以內(nèi)，而對(duì)于高液位狀態(tài)，誤差接近為零。

圖10 Nueva Granada Military University 液位測(cè)量系統(tǒng)Fig.10 The schematic diagram of liquid level measurement system by Nueva Granada Military University

圣約翰科技大學(xué)的Wang T H 等人加入更多圓形浮子來測(cè)量液罐中的液位，構(gòu)建如圖11 所示的液位測(cè)量系統(tǒng)[16]。該系統(tǒng)選擇與液罐中液體顏色不同的浮子，使用色度過濾和閾值技術(shù)來計(jì)算圖像中浮標(biāo)的像素?cái)?shù)。建立浮子直徑的像素?cái)?shù)與拍攝距離之間的關(guān)系，測(cè)量系統(tǒng)以此有效地測(cè)量液位。該系統(tǒng)在浮子下方放置一個(gè)沉降片，可以減少液體晃動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，平均測(cè)量誤差小于1%。

除了加沉降片之外，還可以使用保護(hù)塔來加強(qiáng)穩(wěn)定性。印度Sri Krishna College of Technology 的Abinaya N S 等人提出了一種帶有垂直塔的浮子式圖像液位測(cè)量系統(tǒng)，當(dāng)液位變化時(shí)浮子在垂直塔中自由移動(dòng)，如圖12 所示[17]。該系統(tǒng)計(jì)算圖像的梯度，并應(yīng)用閾值以創(chuàng)建二進(jìn)制蒙版，使用創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)元素刪除不感興趣的其他對(duì)象，然后構(gòu)造菱形元素對(duì)圖像進(jìn)行兩次蝕刻，以平滑對(duì)象。對(duì)分割后的結(jié)果提取其尺寸，最后，使用變換算法來得到儲(chǔ)罐的液位。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)均方根誤差為0.04895。

浮子式圖像液位測(cè)量技術(shù)研究現(xiàn)狀及其特點(diǎn)如表3 所示。

表3 浮子式圖像液位測(cè)量技術(shù)研究現(xiàn)狀及其特點(diǎn)Table 3 Research status and characteristics of float image liquid level measurement technology

圖11 圣約翰科技大學(xué)浮子式液位檢測(cè)系統(tǒng)Fig.11 The schematic diagram of float type liquid level detection system by St.John's University

圖12 Sri Krishna College of Technology 液位檢測(cè)系統(tǒng)Fig.12 The schematic diagram of liquid level detection system by Sri Krishna College of Technology

4 直接式圖像液位測(cè)量技術(shù)研究現(xiàn)狀

直接式圖像液位測(cè)量系統(tǒng)不借助其他輔助工具，直接攝取圖像，從圖像中獲取特征信息，進(jìn)而得到液位信息。這種方式裝置簡單，不影響液體情況，是最合適的方式，但是需要在特定環(huán)境根據(jù)其特點(diǎn)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，以獲取更好的準(zhǔn)確度。

浙江大學(xué)的洪登峰針對(duì)窄視野情況，提出使用雙目視覺對(duì)單晶硅熔融液位進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量系統(tǒng)如圖13所示[18]。該系統(tǒng)的特征點(diǎn)不由激光產(chǎn)生，而是尋找光環(huán)邊緣作為檢測(cè)特征。單晶硅光環(huán)具有亮度高、邊界區(qū)分明顯的特點(diǎn)，該算法采用高斯曲線模型和最小二乘法對(duì)光環(huán)邊緣的灰度梯度進(jìn)行擬合，選取灰度梯度最大的點(diǎn)作為光環(huán)邊緣點(diǎn)。再利用該特征點(diǎn)進(jìn)行后續(xù)的立體匹配，獲取三維位置，并將其轉(zhuǎn)換為液位信息。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，測(cè)量精度在0.5mm 以內(nèi)。

圖13 浙江大學(xué)單晶爐雙目視覺檢測(cè)系統(tǒng)Fig.13 The schematic diagram of monocrystal furnace binocular vision inspection system by Zhejiang University

在其他條件苛刻的工業(yè)環(huán)境中，東華大學(xué)的吳云飛針對(duì)鋼液高溫、高亮度的測(cè)量特點(diǎn)，提出了一種利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)鋼包進(jìn)行曲線擬合，得到鋼包上升高度的測(cè)量方法，鋼液邊緣曲線擬合結(jié)果如圖14 所示[19]。該系統(tǒng)通過調(diào)整圖像曝光時(shí)間，獲取較短曝光時(shí)間下的鋼液包圖像，再將其與正常曝光時(shí)間下的圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，采用Sobel 算子進(jìn)行輪廓檢測(cè)，使用最小二乘法進(jìn)行橢圓擬合，最終檢測(cè)出鋼液液面高度。

在家用方面，德國University of Freiburg 的Do C 等人使用3D 視覺相機(jī)Kinect 來估計(jì)未知液體的填充高度[20]。3D 視覺相機(jī)由一個(gè)紅外投影儀和一個(gè)紅外攝像頭組成，紅外投影儀通過斑點(diǎn)圖案照亮測(cè)試場(chǎng)景，紅外攝像頭可以檢測(cè)圖案，再使用三角剖分來計(jì)算深度，原理如圖15 所示。該系統(tǒng)根據(jù)含有大量噪聲的RGB 數(shù)據(jù)和深度數(shù)據(jù)，確定杯子中液體高度的概率模型。

直接式圖像液位測(cè)量技術(shù)研究現(xiàn)狀及其特點(diǎn)如表4 所示。

圖14 東華大學(xué)鋼液邊緣曲線擬合示意圖Fig.14 The schematic diagram of liquid steel edge curve fitting by Donghua University

圖15 University of Freiburg 3D 測(cè)距原理Fig.15 The schematic diagram of 3D ranging by University of Freiburg

表4 直接式圖像液位測(cè)量技術(shù)研究現(xiàn)狀及其特點(diǎn)Table 4 Research status and characteristics of direct image liquid level measurement technology

5 基于圖像處理的液位測(cè)量技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

近些年來，伴隨著工業(yè)應(yīng)用對(duì)液位測(cè)量技術(shù)的迫切需求、圖像處理算法研究的進(jìn)步以及工業(yè)相機(jī)的性能提升，不僅使基于圖像處理的液位測(cè)量方法受到廣泛關(guān)注，而且在測(cè)量精度與工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性等方面也有了顯著提升。結(jié)合前文對(duì)基于圖像處理的液位測(cè)量技術(shù)研究現(xiàn)狀的調(diào)研結(jié)果，給出如下三點(diǎn)發(fā)展趨勢(shì)：

①在應(yīng)用較為成熟的領(lǐng)域，提高精度仍是圖像液位測(cè)量技術(shù)的重點(diǎn)研究方向。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，具有更高分辨力的圖像液位測(cè)量技術(shù)將在工業(yè)環(huán)境中得到應(yīng)用；并且隨著圖像處理技術(shù)的成熟與完善，采用更高效的圖像處理算法，使得上位機(jī)能夠獲得更加清晰的液位圖像。例如，在對(duì)單晶硅熔融液位測(cè)量研究的二十余年中，圖像測(cè)量方法不再局限于激光三角法[5,18]，誤差也由4%到0.7%不斷減小[4,21]。

②基于圖像處理的液位測(cè)量技術(shù)在需求日益增長的工業(yè)場(chǎng)合得到了越來越廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，在應(yīng)用中很好地解決了數(shù)字化采集、自動(dòng)化處理等應(yīng)用問題。在一些灌裝生產(chǎn)線，圖像液位測(cè)量技術(shù)能夠?qū)嘌b品質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，例如，對(duì)紅酒灌裝后的液位、雜質(zhì)等進(jìn)行快速檢測(cè)[22]，對(duì)不透明容器使用X射線成像進(jìn)行內(nèi)部檢測(cè)[23]。在一些采用人工判別的應(yīng)用場(chǎng)景，圖像液位測(cè)量技術(shù)提供一個(gè)準(zhǔn)確、客觀的判斷結(jié)果，例如，利用捕捉的圖像控制鋼液包上升[19]。

③隨著機(jī)器學(xué)習(xí)的加入，基于圖像處理的液位測(cè)量技術(shù)環(huán)境適應(yīng)性得到了顯著提升。近幾年，基于深度學(xué)習(xí)和人工智能的現(xiàn)代方法應(yīng)用于圖像液位測(cè)量，極大地提高了算法性能，特別是在環(huán)境改變、光線變化的情況下。例如，使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)低分辨率的標(biāo)尺圖像[24]，使用經(jīng)過訓(xùn)練的分類器對(duì)水和標(biāo)尺進(jìn)行歸類，使其應(yīng)用于更多復(fù)雜場(chǎng)合[13]。