床面颗粒起悬时间的提取方法技术

本发明专利技术公开了一种床面颗粒起悬时间的提取方法，包括：将高速摄像机连拍的彩色图像做预处理，获得一系列仅凸出显示起悬颗粒轮廓的二值图；以二值图中的床面颗粒起始位置为原点，建立垂面直角坐标系，对二值图进行逐帧批处理，确定各帧二值图上的起悬颗粒在垂面上的位置坐标；根据起悬颗粒在垂面上的位置坐标计算颗粒起悬高度，并逐帧比较颗粒起悬高度与颗粒粒径的大小，直至找到颗粒起悬高度与颗粒粒径之差小于阈值的二值图，将相应二值图的拍摄时间与最后时刻图像的拍摄时间做差，获得床面颗粒起悬一个颗粒高的时间。该方法可以准确计算的床沙颗粒的起动时间，从而准确计算水流挟沙能力S

The extraction method of the suspended time of the bed surface particles

Including the extraction method, the invention discloses a bed particle suspension time: high speed camera shooting the color image preprocessing, and obtain a series of only two values projected display map from the suspended particle boundary value; with two bed particle initial position diagram for the origin, establishment of vertical plane rectangular coordinate system in two, image frame by frame batch processing, to determine the value of two frames on the map coordinates of suspension particles in the vertical plane; according to the position coordinates of suspension particles in the vertical plane of the calculation of particle suspension height, and frame analysis of particle suspension height and particle size, a value of two figure to find the particles suspension height and the particle size is less than the threshold value, the corresponding two figure shooting time and the last moment captured time difference, get a bed of particles suspended particles of high time. This method can accurately calculate the starting time of the bed sand particles, so that the sediment carrying capacity S can be accurately calculated.

【技术实现步骤摘要】
床面颗粒起悬时间的提取方法
本专利技术涉及水力学及河流动力学领域，尤其涉及一种床面颗粒起悬时间的提取方法。
技术介绍
在天然河流中运动着的泥沙，存在两种运动形式，一是随水流悬浮运动的悬移质，二是在床面滚动、滑动、跳跃的推移质。推移质和悬移质可以互相转换，当水流强度足够大，床面上的颗粒可被水流冲起，以悬移状态运动；若水流强度很小，含沙水流中的悬沙颗粒会在重力作用下沉积于河床表面。天然河流是水、沙输运的通道，河流中泥沙的运移，会改变河道形态，引起河道的冲淤演变。为预测河道冲淤演变，需要计算水流的挟沙能力S*，所谓挟沙能力，是指单位水体能够输运的泥沙量，其单位是kg/m3(千克/立方米)，在水沙一维数学模型中，它是一个断面平均值，它与断面平均含沙量S(单位水体中所含的泥沙量)的量纲相同，但含义不同，挟沙能力S*是期望值，含沙量S则是实测值。当水流的实际含沙量S大于水流挟沙能力S*时，水流中的部分泥沙就要淤积在河床；当水流的实际含沙量小于S*时，河床就要发生冲刷。对挟沙能力S*的估算是河流泥沙运动力学的重要问题。对于粒径为Dl的均匀沙，基于泥沙运动统计理论的挟沙能力计算公式如下：上式中，S*(l)表示粒径为Dl的均匀沙的挟沙能力，l表示非均匀沙的粒径分组号。是床面上第l组颗粒由静止起动到脱离床面一个粒径高Dl的平均时间，目前它是上式中最难确定的参数，式中其他各量的物理意义和确定方法相对简单，可参考韩其为院士专著《水库淤积》；同时，韩其为院士也给出数学推导得到的参数t04的方式，但是形式较为复杂，属于理论公式，尚待实测数据验证。目前，主要有如下两个方案利用高速摄影技术研究颗粒运动的成果。方案1：惠遇甲、胡春宏利用高速摄影技术研究了水流中颗粒跃移的运动学特征。在他们的研究中，采用不同容重的颗粒材料和不同的水流强度，利用高速摄影技术系统测量了水流中颗粒的跃移过程。他们的工作是在1980年代末开展的，研究过程采用的高速摄影仪器是当时非常先进的Pentazet-35和GSJ型高速摄影机，摄影频率为60～300f/s。基于此设备记录的1000多条单颗粒泥沙在水槽中的运动轨迹，他们提炼了泥沙颗粒的常规运动形式，并统计了不同运动形式出现的概率与水流强度之间的关系。这是利用高速摄影技术研究颗粒运动的经典成果。在他们的研究中，并未涉及对床面颗粒起动时间t04的推求。方案2：苗蔚、陈启刚、李丹勋等人通过高速摄影技术研究了推移质泥沙的起动概率。苗蔚等人对泥沙起动概率的研究，是通过在试验水槽正上方布设俯视高速摄影设备获取床沙影像的，所获得的床沙影像，是床面一个平面区域内的所有床沙分布图，为了增加图像的清晰度和对比度，避免背景照明不均匀、杂质和气泡等对识别结果产生影响，她们对原始图像进行了顶帽变换、对比度线性拉伸和高斯滤波处理，见图1，其中左侧为原始图，右侧为处理后的图。为了在从连续两张图片中获取泥沙起动的信息，他们采用了Keshavarzy,A等人提出的方法，将两帧图像相减，根据图像灰度变化判读泥沙是否发生运动，这种处理方式的理论依据在于，颗粒运动导致初始位置和当前位置的灰度均发生改变。在泥沙起动试验中，由于运动泥沙暴露度大、距光源近，其对应的灰度值一般比静止泥沙大，当泥沙发生运动后，其初始位置的灰度变小而当前位置的灰度增大，当利用第二帧图片减去第一帧图片时，初始位置的灰度为负，当前位置的灰度为正。分析本文实际拍摄的图片时发现，有部分运动颗粒比静止颗粒暗，即当第二帧减第一帧时，初始位置的灰度为正，当前位置的灰度为负，因此统计全部的负值区域或者正值区域将得到运动颗粒总数，两种方法得到的结果误差率为5％。通过这种处理方式，可以得到不同时刻两帧图像的灰度差分图(见图2)，图2中成对出现的正负峰值清晰标识了运动泥沙的初始位置和当前位置。显然，上述两个方案关注的重点是颗粒的运动形式和床面推移质的运动过程，均未涉及床沙颗粒的起动时间t04。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种床面颗粒起悬时间的提取方法，可以准确计算床沙颗粒的起动时间。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种床面颗粒起悬时间的提取方法，包括：将高速摄像机连拍的彩色图像做预处理，获得一系列仅凸出显示起悬颗粒轮廓的二值图；以二值图中的床面颗粒起始位置为原点，建立垂面直角坐标系，对二值图进行逐帧批处理，确定各帧二值图上的床面颗粒在垂面上的位置坐标；根据床面颗粒在垂面上的位置坐标计算床面颗粒起悬高度，并逐帧比较床面颗粒起悬高度与床面颗粒粒径的大小，直至找到床面颗粒起悬高度与床面颗粒粒径之差小于预先规定的精度阈值的二值图，将相应二值图的拍摄时间与颗粒静止于床面最后时刻图像的拍摄时间做差，获得床面颗粒起悬时间。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，可以基于高速摄影连拍图像准确的计算床沙起悬时间，计算过程均可编程实现，通过程序高效运行，可实现对高速摄影海量连拍图片的高效处理。同时，根据准确计算的床沙颗粒的起动时间，准确计算水流挟沙能力S*，从而合理预测河流演变、解决工程泥沙问题。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。图1为本专利技术
技术介绍
提供的高速摄影俯视床沙分布图；图2为本专利技术
技术介绍
提供的连续两帧图像的灰度差示意图；图3为本专利技术实施例提供的一种床面颗粒起悬时间的提取方法的流程图；图4为本专利技术实施例提供的灰度图二值化的示意图；图5为本专利技术实施例提供的床面颗粒起动过程在平面上的不同位置的示意图；图6为本专利技术实施例提供的逐行扫描获取颗粒中心点的C++代码；图7为本专利技术实施例提供的获取颗粒脱离床面一个粒径高所用时间t04的C++代码；图8为本专利技术实施例提供的叠加连拍二值图后获取的颗粒垂向运动轨迹图；图9为本专利技术实施例提供的二值图叠加的C++代码；图10为本专利技术实施例提供的床面颗粒垂向运动连拍二值图；图11为本专利技术实施例提供的叠加连拍二值图后获取的颗粒垂向运动轨迹图。具体实施方式下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。某粒径床面泥沙颗粒的平均起悬时间是泥沙运动统计理论水流挟沙能力S*的计算公式的重要参数，计算床面泥沙颗粒由静止起悬t04，进而确定床面泥沙颗粒由静止起悬的平均时间是准确计算水流挟沙能力S*的必要条件，准确计算水流挟沙能力S*，是合理预测河流演变、解决工程泥沙问题的关键所在。为此，本专利技术实施例提供一种床面颗粒起悬时间的提取方法，如图3所示，其主要包括如下步骤：步骤1、将高速摄像机连拍的彩色图像做预处理，获得一系列仅凸出显示起悬床面颗粒轮廓的二值图。通过本步骤的处理，可消除连拍图像中的不均匀背景和噪声信号，具体如下：1)由于高速摄像机获取的彩色图片，存储的是RGB信息，需要将高速摄像机连拍的彩色图像批量转换为灰度图，转换公式如下：Y＝α1R+α2G+α3B；其中，Y为转换后本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种床面颗粒起悬时间的提取方法，其特征在于，包括：将高速摄像机连拍的彩色图像做预处理，获得一系列仅凸出显示起悬颗粒轮廓的二值图；以二值图中的床面颗粒起始位置为原点，建立垂面直角坐标系，对二值图进行逐帧批处理，确定各帧二值图上的床面颗粒在垂面上的位置坐标；根据床面颗粒在垂面上的位置坐标计算床面颗粒起悬高度，并逐帧比较床面颗粒起悬高度与床面颗粒粒径的大小，直至找到床面颗粒起悬高度与床面颗粒粒径之差小于预先规定的精度阈值的二值图，将相应二值图的拍摄时间与颗粒静止于床面最后时刻图像的拍摄时间做差，获得床面颗粒起悬时间。

【技术特征摘要】
1.一种床面颗粒起悬时间的提取方法，其特征在于，包括：将高速摄像机连拍的彩色图像做预处理，获得一系列仅凸出显示起悬颗粒轮廓的二值图；以二值图中的床面颗粒起始位置为原点，建立垂面直角坐标系，对二值图进行逐帧批处理，确定各帧二值图上的床面颗粒在垂面上的位置坐标；根据床面颗粒在垂面上的位置坐标计算床面颗粒起悬高度，并逐帧比较床面颗粒起悬高度与床面颗粒粒径的大小，直至找到床面颗粒起悬高度与床面颗粒粒径之差小于预先规定的精度阈值的二值图，将相应二值图的拍摄时间与颗粒静止于床面最后时刻图像的拍摄时间做差，获得床面颗粒起悬时间。2.根据权利要求1所述的一种床面颗粒起悬时间的提取方法，其特征在于，所述将高速摄像机连拍的彩色图像做预处理，获得一系列仅凸出显示起悬床面颗粒轮廓的二值图包括：将高速摄像机连拍的彩色图像批量转换为灰度图，转换公式如下：Y＝α1R+α2G+α3B；其中，Y为转换后的灰度图的灰度值，R、G、B分别对应为彩色图像中红色值、绿色值、蓝色值；α1、α2、α3分别对应为R、G、B的权重，且α1+α2+α3＝1；再对灰度图做逐帧自适应阈值二值化批处理，获得一系列仅凸出显示起悬床面颗粒轮廓的二值图。3.根据权利要求1所述的一种床面颗粒起悬时间的提取方法，其特征在于，所述确定各帧二值图上的床面颗粒在垂面上的位置坐标包括：对二值图进行高斯滤波，经高斯滤波后床面颗粒中心像素点的灰度值将变成局部灰度最大值点；对滤波后的二值图进行逐...

【专利技术属性】
技术研发人员：关见朝，曹文洪，方春明，毛继新，鲁文，张磊，王大宇，祁伟，温州，宋平，钱湛，王友胜，李文宇，王建伟，王秀丽，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，泰澜达观北京科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11