一种测量水域表面流场方法、装置及电子设备制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种测量水域表面流场方法，涉及图像处理、视频分析技术领域，包括：设定并记录辅助标定相机的位置，用辅助标定相机采集水面大场景视频，对辅助标定相机进行坐标三维标定，得到三维标定数据；根据辅助标定相机的位置调整测量相机的位置，用测量相机采集水面局部波纹细节视频；对水面大场景视频和水面局部波纹细节视频坐标映射，得到每一帧水面局部波纹细节视频图像在水面大场景视频图像中的相对坐标；对水面局部波纹细节视频做波浪跟踪处理，得到波浪的运动矢量信息，再根据三维标定数据校准，得到流速矢量数据，根据相对坐标和流速矢量数据对每一帧水面局部波纹细节视频图像进行拼接，得到广域流场数据，以高精度测量广域流场。

A Method, Device and Electronic Equipment for Measuring Surface Flow Field in Waters

The invention discloses a method for measuring surface flow field of water area, which involves the fields of image processing and video analysis technology, including setting and recording the position of auxiliary calibration camera, collecting large scene video of water surface with auxiliary calibration camera, three-dimensional coordinate calibration of auxiliary calibration camera, obtaining three-dimensional calibration data, and adjusting the position of measuring camera according to the position of auxiliary calibration camera. Using measuring camera to collect local ripple detail video of water surface; mapping the coordinates of large scene video and local ripple detail video of water surface to get the relative coordinates of each frame of local ripple detail video image of water surface in large scene video image of water surface; tracking the local ripple detail video of water surface to get the motion vector information of wave, and then calibrating the data according to the three-dimensional calibration data. The velocity vector data are obtained by calibration, and each frame of local ripple detail video image is mosaic based on relative coordinates and velocity vector data. The wide-area flow field data are obtained to measure the wide-area flow field with high accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种测量水域表面流场方法、装置及电子设备
本专利技术实施例涉及图像处理、视频分析
，具体涉及一种测量水域表面流场方法、装置及电子设备。
技术介绍
在内河航道中，如果水流流向与航道轴线不一致，则将产生横向水流，船舶航行过程中航道内的横向流速关系到船舶能否安全通过该航道。有研究者对不同航线航行情况下受到的水流影响进行了分析，结果表明，航线选择不同，船舶受水流的影响也不同；船舶受横流的影响程度与船型和静水航速等因素有关，船舶尺寸越大，受横流的影响越大；船舶静水航速越大，受横流的影响越小。研究人员通过概化连续弯道船模试验，研究了千吨级机动驳船在内河航道(Ⅲ级)中的通航条件，结果表明：船舶下行漂角随着流速、水深及中心角的增大而增大，并提出了漂角同这些参数的相关关系式。研究人员通过概化水槽试验，比较了有、无桥墩的时均流速和紊流强度横向分布变化，得出桥墩对时均流速和紊流强度的影响幅度和范围，并给出了桥墩最大紊流宽度随断面平均流速变化的关系。综上，精确掌握河道水流流场情况，是保障水道行船安全、确保水利工程安全的必要工作。目前，流场测量方法众多，但现有各种流场量测方法都存在不同缺陷，均不能同时实现高精度的广域河流流场测量，因此，缺乏高精度广域流场的量测系统是目前国内外河道行船安全保障和水资源开发的巨大阻碍。
技术实现思路
为此，本专利技术实施例提供一种测量水域表面流场方法、装置及电子设备，以解决现有技术中缺乏高精度广域流场的测量问题。为了实现上述目的，本专利技术的实施方式提供如下技术方案：在本专利技术的实施方式的第一方面中，提供了一种测量水域表面流场方法，包括：设定并记录辅助标定相机的位置，采用所述辅助标定相机采集水面大场景视频，对所述辅助标定相机进行坐标三维标定，得到三维标定数据；根据所述辅助标定相机的位置调整测量相机的位置，采用所述测量相机采集水面局部波纹细节视频；对所述水面大场景视频和所述水面局部波纹细节视频进行坐标映射，得到每一帧水面局部波纹细节视频图像在水面大场景视频图像中的相对坐标；采用均值漂移和卡尔曼滤波的跟踪算法对水面局部波纹细节视频进行波浪跟踪处理，得到波浪的运动矢量信息；根据所述辅助标定相机的三维标定数据对所述波浪的运动矢量信息进行校准，得到流速矢量数据，根据所述相对坐标和所述流速矢量数据对每一帧水面局部波纹细节视频图像进行拼接，得到广域流场数据。在本专利技术的一个实施例中，设定并记录辅助标定相机的位置包括：调整辅助标定相机的位置，使得采集区域视场和采集图像清晰度同时满足预设条件，记录辅助标定相机的位置。在本专利技术的另一实施例中，设定所述辅助标定相机的位置包括：调整辅助标定相机的PTZ位置，使能够进行坐标三维标定。在本专利技术的又一个实施例中，对所述辅助标定相机进行坐标三维标定，得到三维标定数据，包括：设置棋盘格标定板，采用棋盘格3D标准算法对所述辅助标定相机进行坐标三维标定，得到三维标定数据。在本专利技术的再一个实施例中，根据所述辅助标定相机的位置调整测量相机的位置，采用所述测量相机采集水面局部波纹细节视频，包括：将所述测量相机视场调整至所述辅助标定相机视场中的某个位置，使用所述测量相机采集水面局部波纹细节视频；将所述测量相机视场调整至下一个所述辅助标定相机视场的位置处采集水面局部波纹细节视频。在本专利技术的再一个实施例中，对所述水面大场景视频和所述水面局部波纹细节视频进行坐标映射，得到每一帧水面局部波纹细节视频图像在水面大场景视频图像中的相对坐标，包括：对水面局部波纹细节视频进行解析，得到每一帧水面局部波纹细节视频图像及对应的时间戳信息，对获取到的每一帧水面局部波纹细节视频图像进行金字塔尺度变换，得到与之对应的尺度变换后的图像，采用尺度不变特征提取算法从尺度变换后的图像中提取图像特征点。对水面大场景视频进行解析，得到水面大场景视频的全部图像及对应的时间戳信息，对每一帧水面大场景视频图像采用尺度不变特征提取算法提取图像特征点，根据图像特征点将时间戳信息相同的水面大场景视频图像和水面局部波纹细节视频图像的不同层进行匹配，获取水面局部波纹细节视频图像在水面大场景视频图像中的相对坐标。在本专利技术的一个实施例中，采用均值漂移和卡尔曼滤波的跟踪算法对水面局部波纹细节视频进行波浪跟踪处理，得到波浪的运动矢量信息，包括：对水面局部波纹细节视频，采用卡尔曼滤波对波纹运动和空间位置进行预测，结合均值漂移算法对波浪跟踪，并记录波浪的运动矢量信息。在本专利技术的实施方式的第二方面中，提供了一种测量水域表面流场装置，包括：辅助标定模块，用于设定并记录辅助标定相机的位置，采用所述辅助标定相机获取水面大场景视频，对所述辅助标定相机进行坐标三维标定，得到三维标定数据；测量模块，用于根据所述辅助标定相机的位置调整测量相机的位置，采用所述测量相机采集水面局部波纹细节视频；映射模块，用于对所述水面大场景视频和所述水面局部波纹细节视频进行坐标映射，得到每一帧水面局部波纹细节视频图像在水面大场景视频图像中的相对坐标；波浪跟踪模块，用于采用均值漂移和卡尔曼滤波的跟踪算法对水面局部波纹细节视频进行波浪跟踪处理，得到波浪的运动矢量信息；流场合成模块，根据所述辅助标定相机的三维标定数据对所述波浪的运动矢量信息进行校准，得到流速矢量数据，根据所述相对坐标和所述流速矢量数据对每一帧水面局部波纹细节视频图像进行拼接，得到广域流场数据。在本专利技术的实施方式的第三方面中，提供了一种测量水域表面流场电子设备，包括：辅助标定相机，用于采集水面大场景视频；测量相机，用于采集水面局部波纹细节视频；以及分别与所述测量相机和所述辅助标定相机连接的工控机，所述工控机用于设定并记录辅助标定相机的位置，对所述辅助标定相机进行坐标三维标定，得到三维标定数据；还用于根据所述辅助标定相机的位置调整测量相机的位置；还用于对所述水面大场景视频和所述水面局部波纹细节视频进行坐标映射，得到每一帧水面局部波纹细节视频图像在水面大场景视频图像中的相对坐标，采用均值漂移和卡尔曼滤波的跟踪算法对水面局部波纹细节视频进行波浪跟踪处理，得到波浪的运动矢量信息，根据所述三维标定数据对所述波浪的运动矢量信息进行校准，得到流速矢量数据，根据所述相对坐标和所述流速矢量数据对每一帧水面局部波纹细节视频图像进行拼接，得到广域流场数据。在本专利技术的实施方式的第四方面中，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，当该指令被处理器执行时可以实现上述测量水域表面流场方法。根据本专利技术的实施方式，具有如下优点：结合辅助标定相机对测量相机所采集的图像信息进行定位和标定，扩大了测量范围，同时采用辅助标定相机与测量相机相结合的方式，能够获取清晰的水波信息，避免了图像大小与分辨率的矛盾。通过获取波浪的运动矢量信息，并对其进行校准，以此完成波纹运动跟踪、流速测量，与粒子图像测速法相比，不需要抛撒额外示踪粒子，避免在自然环境中粒子无法均匀铺撒。综上所述，本专利技术技术方案具有对水域图像采集范围大、采集精度高，操作简单易执行的优点。附图说明为了更清楚地说明本专利技术的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术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示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测量水域表面流场方法，其特征在于，包括：设定并记录辅助标定相机的位置，采用所述辅助标定相机采集水面大场景视频，对所述辅助标定相机进行坐标三维标定，得到三维标定数据；根据所述辅助标定相机的位置调整测量相机的位置，采用所述测量相机采集水面局部波纹细节视频；对所述水面大场景视频和所述水面局部波纹细节视频进行坐标映射，得到每一帧水面局部波纹细节视频图像在水面大场景视频图像中的相对坐标；采用均值漂移和卡尔曼滤波的跟踪算法对水面局部波纹细节视频进行波浪跟踪处理，得到波浪的运动矢量信息；根据所述辅助标定相机的三维标定数据对所述波浪的运动矢量信息进行校准，得到流速矢量数据，根据所述相对坐标和所述流速矢量数据对每一帧水面局部波纹细节视频图像进行拼接，得到广域流场数据。

【技术特征摘要】
1.一种测量水域表面流场方法，其特征在于，包括：设定并记录辅助标定相机的位置，采用所述辅助标定相机采集水面大场景视频，对所述辅助标定相机进行坐标三维标定，得到三维标定数据；根据所述辅助标定相机的位置调整测量相机的位置，采用所述测量相机采集水面局部波纹细节视频；对所述水面大场景视频和所述水面局部波纹细节视频进行坐标映射，得到每一帧水面局部波纹细节视频图像在水面大场景视频图像中的相对坐标；采用均值漂移和卡尔曼滤波的跟踪算法对水面局部波纹细节视频进行波浪跟踪处理，得到波浪的运动矢量信息；根据所述辅助标定相机的三维标定数据对所述波浪的运动矢量信息进行校准，得到流速矢量数据，根据所述相对坐标和所述流速矢量数据对每一帧水面局部波纹细节视频图像进行拼接，得到广域流场数据。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设定并记录辅助标定相机的位置，包括：调整辅助标定相机的位置，使得采集区域视场和采集图像清晰度，同时满足预设条件，记录辅助标定相机的位置。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，设定所述辅助标定相机的位置，还包括：调整辅助标定相机的PTZ位置，使能够进行坐标三维标定。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述辅助标定相机进行坐标三维标定，得到三维标定数据，包括：设置棋盘格标定板，采用棋盘格3D标准算法对所述辅助标定相机进行坐标三维标定，得到三维标定数据。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述辅助标定相机的位置调整测量相机的位置，采用所述测量相机采集水面局部波纹细节视频，包括：将所述测量相机视场调整至所述辅助标定相机的视场中某个位置，使用所述测量相机采集水面局部波纹细节视频；将所述测量相机视场调整至下一个所述辅助标定相机视场的位置处采集水面局部波纹细节视频。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述水面大场景视频和所述水面局部波纹细节视频进行坐标映射，得到每一帧水面局部波纹细节视频图像在水面大场景视频图像中的相对坐标，包括：对水面局部波纹细节视频进行解析，得到每一帧水面局部波纹细节视频图像及对应的时间戳信息，对获取到的每一帧水面局部波纹细节视频图像进行金字塔尺度变换，得到与之对应的尺度变换后的图像，采用尺度不变特征提取算法从尺度变换后的图像中提取图像特征点；对水面大场景视频进行解析，得到水面大场景视频的全部图像及对应的时间戳信息，对每一帧水面大场景视频图像采用尺度不变特征提取算法提取图像特征点，根据图像特征点将时间戳信息...

【专利技术属性】
技术研发人员：张生军，吴仕勋，胡江，
申请(专利权)人：重庆交通大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50