一种河流表面平均流速测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种测量河流表面的平均流速的方法和系统，所述方法包括：基于当前时刻和前一时刻的河流表面图像，获得当前时刻的河流表面图像的运动显著性点或运动显著性区域；基于一定时间内每一时刻的运动显著性点或运动显著性区域，获得一定时间内的平均位移；以及基于比尺标定系数、所述一定时间内的平均位移以及帧间时间，获得一定时间内的平均流速。本发明专利技术不需要在水面投掷浮标，且可持续流速测量流速。

【技术实现步骤摘要】
一种河流表面平均流速测量装置及方法
本专利技术涉及图像处理领域，更具体地，涉及河流表面平均流速测量装置及方法。
技术介绍
我国的河流众多，对于河流的综合利用，一直占据着我国国家经济与社会发展的重要地位。水文监测信息对预防治理洪涝和水旱灾害以及水资源调控具有重要作用。而流速测量是水文监测的重要工作之一，但是目前的流速测量方法用方面都有一定的局限性。常用的河水流速测量方法主要分为3类。第一类是传统的流速仪测量法，其主要原理是通过水流带动旋桨转动，记录旋桨转速，通过一定的映射关系可算出流速，但存在着当水质突变，含沙量变大时误差会变大，且水中漂浮物会影响其结果甚至损毁旋浆的问题。第二类是通过声学多普勒效应来测量流速，主要用于测量船，也存在着设备和人类投入比较大，成本比较高的问题。第三类是基于视频处理与浮标法结合的水流速度测量方法，频中浮标的运动轨迹结合摄像机标定来计算水流速度。第三类方法的两个例子是：(1)专利技术专利“大范围表面流速长的图像处理系统及其同步实时测量方法”(申请号CN1289037A，2000年)，(2)“基于视频处理的河水流速监测系统设计”(韩予皖，太原理工大学硕士论文，2010年)。两个例子均使用了浮标法与图像处理相结合的方案，在使用时需要投入浮标，然后在视频中跟踪浮标或示踪粒子的运动。这两个例子中，采用的跟踪原理都基于浮标与水面在颜色上有明显不同，以水面为背景，浮标为跟踪目标。但该方法需要向摄像机视场中投掷浮标，当浮标漂出摄像机的视场后，就无法检测流速，无法实现对水流速度的不间断实时测量；同时浮标的投掷和回收也是很麻烦的事情。
技术实现思路
本专利技术提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的河流表面平均流速测量装置及方法。根据本专利技术的一个方面，提供一种测量河流表面的平均流速的方法，包括：S1、基于当前时刻和前一时刻的河流表面图像，获得当前时刻的河流表面图像的运动显著性点或运动显著性区域；S2、基于一定时间内每一时刻的运动显著性点或运动显著性区域，获得一定时间内的平均位移；以及S3、基于比尺标定系数、所述一定时间内的平均位移以及帧间时间，获得一定时间内的平均流速。根据本专利技术的另一个方面，还提供一种测量河流表面平均流速的系统，包括：运动显著性检测装置，用于基于当前时刻和前一时刻的河流表面图像，获得当前时刻的河流表面图像的运动显著性点或运动显著性区域；平均位移检测装置，与所述运动显著性检测装置连接，基于一定时间内每一时刻的运动显著性点或运动显著性区域，获得一定时间内的平均位移；以及平均流速检测装置，与所述平均位移检测装置连接，所述平均流速检测装置用于基于比尺标定系数和一定时间内每个时刻的平均位移以及帧间时间，获得一定时间内的平均流速。本申请通过垂直于水面的摄像头获取河流视频，分析其中具有显著运动性的特征图，提取出其中的运动显著性区域或运动显著性点，跟踪各运动显著性区域或运动显著性点对应的位移，联立图像坐标系和与现实空间坐标系的位置映射关系以及帧间时间计算出河流表面实际流速。本申请不需要在水面投掷浮标，而是能利用河水流动过程中本身产生的波动纹理特征或自然漂浮物来测量河流表面平均流速的、且可持续流速测量流速。附图说明图1为根据本专利技术实施例的一种测量河流表面的平均流速的方法流程图；图2为根据本专利技术实施例的测量河流表面的平均流速的方法的直方图；图3为根据本专利技术实施例的测量河流表面平均流速的系统的结构框图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。为了克服现有技术中需要在水面上投掷浮标，导致的当浮标漂出摄像机的视场后无法检测流速的问题，以及投掷及回收麻烦的问题，本专利技术提供了一种利用河水流动过程中本身产生的波动纹理特征或自然漂浮物来测量河流表面平均流速的、且可持续流速测量流速的方法。图1示出了根据本专利技术实施例的一种测量河流表面的平均流速的方法流程图，包括：S1、基于当前时刻和前一时刻的河流表面图像，获得当前时刻的河流表面图像的运动显著性点或运动显著性区域；S2、基于一定时间内每一时刻的运动显著性点或运动显著性区域，获得一定时间内的平均位移；以及S3、基于比尺标定系数、所述一定时间内的平均位移以及帧间时间，获得一定时间内的平均流速。本专利技术通过垂直于水面的摄像头获取河流视频(序列图像)，分析其中具有显著运动性的特征图，提取出其中的运动显著性特征点，跟踪各运动显著性特征点对应的像素位移，联立图像坐标系和与现实空间坐标系的位置映射关系以及帧间时间计算出河流表面实际流速。在一个实施例中，本专利技术提供了一种基于运动显著性区域获得平均位移的方法，其中，所述步骤S1包括：S1.1、基于t时刻的河流表面图像Pt和t-1时刻的河流表面图像Pt-1的帧差，获得t时刻的运动显著性特征图xt。同理，基于t+1时刻的河流表面图像Pt+1和t时刻的河流表面图像Pt，获得t+1时刻的运动显著性特征图xt+1。帧差，也称之为帧间差分，是一种通过对视频图像序列中相邻两帧作差分运算来获得运动目标轮廓的方法，它可以很好地适用于存在多个运动目标和摄像机移动的情况。当监控场景中出现异常物体运动时，帧与帧之间会出现较为明显的差别，两帧相减，得到两帧图像亮度差的绝对值，判断它是否大于阈值来分析视频或图像序列的运动特性，确定图像序列中有无物体运动。S1.2、基于所述当前时刻的运动显著性特征图，获得当前时刻的河流表面图像的运动显著性区域。在一个实施例中，所述步骤S1.2包括：S1.2.1、将t时刻的运动显著性特征图二值化，获得二值图。图像的二值化，就是将图像上的像素点的灰度值设置为0或255，也就是将整个图像呈现出明显的只有黑和白的视觉效果。最常用的方法就是设定一个阈值T，用T将图像的数据分成两部分：大于T的像素群和小于T的像素群。S1.2.2、在所述二值图上选取Nt,1个连通域，任意一个所述连通域为长度或宽度为20-100像素点的矩形。二值图像分析最重要的方法就是连通区域标记，它是所有二值图像分析的基础，它通过对二值图像中白色像素(目标)的标记，让每个单独的连通区域形成一个被标识的块，即为连通域。S1.2.3、将所述连通域作为蒙版，蒙版就是选框的外部(选框的内部就是选区)，查找t时刻的运动显著性特征图中对应所述连通域的位置，作为所述运动显著性区域，这些运动显著性区域的集合记为{ft,i}(i＝1，2，…，Nt,1|t＝1，2，…)。在一个实施例中，所述二值化的阈值为所述运动显著性特征图的灰度最大值的0.9倍。在一个实施例中，所述步骤S2包括：S2.1、在t时刻的显著性特征图中搜索与t-1时刻的每个运动显著性区域匹配的匹配区域；S2.2、计算所述匹配区域在t-1时刻至t时刻在运动显著性特征图中相对位移；以及S2.3、基于一定时间内每一时刻对应的匹配区域的相对位移，获得相对位移的直方图，对所述直方图内峰值以及峰值附近一定范围的区域的值的平均值，作为所述一定时间内的平均位移。对于一个模板ft,i，若能在运动显著性特征图xt+1中搜索到其匹配区域，计算该匹配区域坐标与ft,i在xt中坐标的相对位移，若所有在xt+1中能找到匹配区域的模板个数为Nt,2，则得到各运动显著性区域的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量河流表面的平均流速的方法，其特征在于，包括：S1、基于当前时刻和前一时刻的河流表面图像，获得当前时刻的河流表面图像的运动显著性点或运动显著性区域；S2、基于一定时间内每一时刻的运动显著性点或运动显著性区域，获得一定时间内的平均位移；以及S3、基于比尺标定系数、所述一定时间内的平均位移以及帧间时间，获得一定时间内的平均流速。

【技术特征摘要】
1.一种测量河流表面的平均流速的方法，其特征在于，包括：S1、基于当前时刻和前一时刻的河流表面图像，获得当前时刻的河流表面图像的运动显著性点或运动显著性区域；S2、基于一定时间内每一时刻的运动显著性点或运动显著性区域，获得一定时间内的平均位移；以及S3、基于比尺标定系数、所述一定时间内的平均位移以及帧间时间，获得一定时间内的平均流速。2.如权利要求1所述的测量河流表面平均流速的方法，其特征在于，所述步骤S1包括：S1.1、基于当前时刻和前一时刻的河流表面图像的帧差，获得当前时刻的运动显著性特征图；以及S1.2、基于所述当前时刻的运动显著性特征图，获得当前时刻的河流表面图像的运动显著性区域。3.如权利要求2所述的测量河流表面平均流速的方法，其特征在于，所述步骤S1.2包括：S1.2.1、将当前时刻的运动显著性特征图二值化，获得二值图；S1.2.2、在所述二值图上选取若干个连通域，任意一个所述连通域为长度或宽度为20-100像素点的矩形；以及S1.2.3、将所述连通域作为蒙版，查找当前时刻的运动显著性特征图中对应所述连通域的位置，作为所述运动显著性区域。4.如权利要求3所述的测量河流表面平均流速的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：S2.1、在当前时刻的显著性特征图中搜索与前一时刻的每个运动显著性区域匹配的匹配区域；S2.2、计算所述匹配区域在前一时刻至当前时刻在运动显著性特征图中相对位移；以及S2.3、基于一定时间内每一时刻对应的匹配区域的相对位移，获得相对位移的直方图，对所述直方图内峰值以及峰值附近一定范围的区域的值的平均值，作为所述一定时间内的平均位移。5.如权利要求1所述的测量河流表面平均流速的方法，其特征在于，所述步骤S1包括：S1.1、基于当前时刻和前一时刻的河流表面图像的帧差，获得当前时刻的运动显著性特征图；S1.2、基于角点检测法，检测所述运动显著性特征图中的关键点，获得该时刻的所述运动显著性点。6.如权利要求5所述的测量河流表面平均流速的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：S2.1、对一定时间内每个时刻的运动显著性特征图中所述运动显著性点的sift特征，从当前时刻的运动...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯全，
申请(专利权)人：甘肃农业大学，
类型：发明
国别省市：甘肃,62