新型水位尺設(shè)計及圖像識別方法研究

屠佳佳，李 莎，張永超

（1.浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310053；2.杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020；3.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計研究院），浙江 杭州 310017）

0 引 言

水位作為水雨情最關(guān)鍵的數(shù)據(jù)之一，是水利工程管理的重要依據(jù)[1-2]。目前，在水位監(jiān)測領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)基于圖像處理、機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的水位識別技術(shù)并開始試點(diǎn)應(yīng)用，但大多數(shù)是對常規(guī)水位尺刻度進(jìn)行識別，從而得到水位[3-5]。這種方式獲取的水位尺圖像處理算法復(fù)雜、運(yùn)算量大，導(dǎo)致水位識別存在耗時長、硬件配置要求高、成本高等問題，并且受天氣、光線等環(huán)境因素干擾大，很難實(shí)現(xiàn)大面積推廣應(yīng)用。針對以上情況，有研究人員提出二維碼水位尺和由圓組成的水位尺等[6-7]，但仍然存在計算識別復(fù)雜的問題。

另一方面，圖像識別水位技術(shù)的推廣應(yīng)用雖然存在一些問題，但毋庸置疑是未來的發(fā)展方向。近年來，浙江省水文管理中心通過大量研究論證，結(jié)合浙江省實(shí)際情況在國內(nèi)率先提出適用范圍廣、可操作性強(qiáng)的《圖像識別水位觀測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》地方標(biāo)準(zhǔn)[8]，可見水利部門已經(jīng)意識到圖像識別水位的重要性，而且預(yù)期市場規(guī)模龐大。因此，本文結(jié)合圖像識別水位的背景和未來發(fā)展趨勢，提出一種新型水位尺并對其圖像識別方法進(jìn)行研究，為更好地推廣圖像識別水位技術(shù)提供新的思路和方法。

1 新型水位尺設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

新型水位尺的設(shè)計包括形狀、顏色、背景、外觀等的合理設(shè)計。與傳統(tǒng)水位尺相比，新型水位尺設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)要求如下：第一，根據(jù)圖像處理的原理，選擇視覺終端能輕易識別的圖形進(jìn)行設(shè)計，例如圓形、三角形、正方形等，通過圖形的形狀和個數(shù)能巧妙識別并轉(zhuǎn)換成水位；第二，選擇能夠大大降低環(huán)境因素影響的背景顏色，保證水位測量的準(zhǔn)確性與可靠性；第三，降低或不增加圖像識別水位尺的總體成本。

根據(jù)水位測量、圖像處理的原理及原則，設(shè)計新型水位尺來代替原有的傳統(tǒng)型水位尺，結(jié)構(gòu)見圖1。新型水位尺由20個完全相同、正立、首尾相連、縱向排列的全黑正三角形組成，每個三角形的高度為5.0 cm，組成的水尺高度正好為1.0 m。為方便管理人員現(xiàn)場查看數(shù)據(jù)，左側(cè)設(shè)置0～9的水位刻度數(shù)值，圖像處理時可不進(jìn)行識別。全黑正三角形設(shè)計采用表面光滑但不反光的材料，不易沾染油污和吸附灰塵，安裝方式與傳統(tǒng)水位尺類似，簡單方便。

圖1 水位尺結(jié)構(gòu)示意圖

在圖像處理中，黑色是比較容易識別的顏色，正三角形是比較容易識別的形狀，而且水位測量時，液面以上部分仍然是三角形。因此，采用全黑正三角形的方式設(shè)計新型水位尺，拍攝圖像的特征信息明顯，有助于減少視覺終端的計算量，可降低設(shè)備配置要求，從而降低成本，提高性價比，而且安裝方便、使用靈活，相比現(xiàn)有水位尺的識別，更易實(shí)現(xiàn)大面積推廣應(yīng)用。

1.2 工作原理

1.2.1 理論推導(dǎo)

新型水位尺水位識別的理論推導(dǎo)如下：

假設(shè)水位尺總高度為L，全黑正三角形的高為h，當(dāng)液面在處于圖2位置時，即EF所在平面為液面與正三角形的接觸面，AB、AC、BC為正三角形的3條邊，D為正三角形BC邊的中點(diǎn)，G為接觸面EF的中點(diǎn)。

圖2 液面位置處的正三角形圖

假設(shè)此時圖像識別的液面以上完整的全黑正三角形個數(shù)為m，那么可知當(dāng)前水位：

而根據(jù)三角形相似定理可得：

再根據(jù)勾股定理計算可得：

將式（5）代入式（3）得：

1.2.2 實(shí)際算法

由于水位監(jiān)測站現(xiàn)場安裝時，工業(yè)相機(jī)與水位尺之間多為俯視狀態(tài)，測試時采用10個高為5.0 cm的正三角形組成高度為0.5 m的水位尺，并進(jìn)行圖像采集，得到的實(shí)際水位尺圖像見圖3。由圖3可知，在實(shí)際采集到的水位尺圖像中，由上到下的正三角形周長逐漸減小，圖像識別時如果采用理論推導(dǎo)算法將產(chǎn)生誤差。

圖3 實(shí)際水位尺圖像圖

實(shí)際處理算法采用三角形識別和周長法進(jìn)行計算：先利用圖像處理技術(shù)識別得到水面以上的正三角形個數(shù)n（0＜n≤10），再識別第n+1個正三角形的邊與水面組成的新三角形周長，即可計算出水位刻度。假設(shè)第n+1個識別正三角形的周長為3x，那么水位刻度值H’的計算公式為：

對比公式（7）和（8）可知：理論計算與實(shí)際識別時出現(xiàn)的差值是由與液面接觸的三角形產(chǎn)生的。理論計算時，1～10個正三角形與液面接觸時的高度相同，而實(shí)際識別時則由上到下逐漸減小。

2 圖像識別測試

2.1 識別流程及算法

水位采集過程主要包括水位尺圖像采集、圖像處理、圖像識別、水位輸出等步驟，其核心內(nèi)容是水位尺刻度的識別。根據(jù)水位識別過程設(shè)計的流程見圖4。

圖4 圖像識別水位流程圖

圖像識別得到與液面接觸的三角形的周長之后，除以3可得到與液面的接觸線長度。全黑三角形個數(shù)和與液面接觸線長度都識別后，計算得到水位值。

水位識別過程中主要用到的圖像處理算法為圖像灰度化、二值化、腐蝕與膨脹、取反、輪廓檢測、三角形個數(shù)識別與三角形周長識別等。

2.2 水位尺識別測試

水位尺識別測試分為理論圖像測試和實(shí)際圖像測試。

2.2.1 理論圖像測試

理論圖像測試采用Visio軟件設(shè)計水位尺圖像，利用Matlab軟件進(jìn)行圖像處理實(shí)驗(yàn)，圖像處理情況見圖5。由圖5可知，圖像處理后成功完成水尺識別，并清晰繪制各三角形的輪廓。

圖5 模擬圖像處理結(jié)果圖

2.2.2 實(shí)際圖像測試

實(shí)際圖像測試時，將Visio軟件設(shè)計的水位尺進(jìn)行打印、安裝，然后采集實(shí)際圖像，再利用Matlab軟件進(jìn)行圖像處理實(shí)驗(yàn)，圖像處理情況見圖6。由圖6可知，圖像處理后成功完成水尺識別，并清晰繪制各三角形的輪廓。

圖6 實(shí)際圖像處理結(jié)果圖

2.3 水位識別測試

進(jìn)行水位識別測試時，將設(shè)計的水尺安裝在水桶中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，圖像處理效果見圖7。圖7中，分圖b）為被分割后有效的水位尺圖像；分圖c）為形狀識別圖像，通過形狀識別可計算圖形的總周長；分圖d）中，將三角形圖像進(jìn)行分離，識別出6個部分并標(biāo)記，可得到完整三角形個數(shù)為5個，即占用高度為25.0 cm。

圖7 水位識別處理結(jié)果圖

然后分離出第6個三角形，根據(jù)長度標(biāo)定以及分圖c）和分圖d），識別正三角形的邊與水面組成新的三角形周長，在Matlab的命令行窗口打印出來的結(jié)果為10.7 cm，計算出該三角形的高度為3.1 cm左右，由于10個三角形總高度為50.0 cm，最終得到水位值為21.9 cm。利用卷尺實(shí)際測得水位值為22.0 cm，誤差0.1 cm，符合水位監(jiān)測要求。同時在測試時有意增加干擾，水尺第5個正三角形存在浸泡痕跡，而圖像處理后均可有效避免干擾，由此說明該算法的穩(wěn)定性和可靠性。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計了由全黑正三角形組成的新型水位尺，液面接觸線以上部分仍然是正三角形，且受天氣環(huán)境等干擾因素影響小。設(shè)計原理上比其他形狀更加容易識別，具有更簡便、更易實(shí)現(xiàn)和易推廣的優(yōu)點(diǎn)。通過灰度化、二值化、輪廓檢測、形狀識別和周長識別等簡單圖像處理過程即可實(shí)現(xiàn)水位數(shù)據(jù)的快速識別，而且識別誤差小，符合水位監(jiān)測要求，同時大大降低了處理器的要求，可利用嵌入式終端直接實(shí)現(xiàn)水位識別，對推動圖像識別水位技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。