一种基于光流测算的河流表面流速的计算方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于光流测算的河流表面流速的计算方法及系统，其中的方法包括：采用光流算法对图像的光流值进行计算，基于此计算测流图像矩阵中特征点偏移量，并对偏移量值进行过滤；对测流图像矩阵的光流值进行过滤；计算得到像素坐标系下的河流表面速度，将摄像头采集的河流流动视频中每个视频帧图像的像素坐标转换为世界坐标；根据过滤光流值后的测流图像矩阵中连续两帧图像的像素坐标和连续两帧图像的世界坐标，计算图像的空间分辨率；利用图像的空间分辨率和过滤后的特征点在像素坐标系下的河流速度，计算世界坐标系下的河流表面流速。本发明专利技术在提高计算效率的同时可以提高计算的精确性。提高计算的精确性。提高计算的精确性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光流测算的河流表面流速的计算方法及系统


[0001]本专利技术涉及流场测量
，尤其涉及一种基于光流测算的河流表面流速的计算方法及系统。

技术介绍

[0002]流量监测在水文建模和水文工程中起着至关重要的作用。传统的流速测量依赖于仪器测量的方法，这些仪器大多数价格高昂，需要相关人员花费大量的时间进行测量,并且只能进行点测量，无法进行全面的测量。
[0003]随着计算机视觉领域的发展，从图像数据中提取水力信息的方法逐渐被应用到实际测量河流表面流量中。现有图像测速方法包括大尺度粒子图像测速法(LSPIV)，粒子跟踪测速法(PTV)，光流法。现有利用光流法测量河水表面流量的方法分为两种，一种为各类光流方法在测流中的直接运用，一种为将深度学习的方法与光流法结合。
[0004]本申请专利技术人在实施本专利技术的过程中，发现现有技术的方法至少存在如下技术问题：
[0005]由于植被，泥沙，河面漂浮物的影响，导致河流存在大量紊流，光流法将河流中每一部分的运动情况都表现出来，并且进行计算，大量紊流的存在会导致计算量偏大。单独使用L
‑
K光流法，虽然能够求得光流，但是对噪声不敏感，当目标运动尺度过大或者出现遮挡等情况时，会因为运动尺度过大产生较大的计算误差，不但会影响算法的准确度，同时也降低了整体的运算速度；而加入深度学习的方法虽然在一定程度上能够提高算法计算精度，但是对设备要求极高，并且运行时间会在原有的基础上再次增加，无法达到实时监测流量的效果。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供了一种基于光流测算的河流表面流速的计算方法及系统，用以解决或者至少部分解决现有技术中存在的计算效率不高的技术问题。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术第一方面提供了一种基于光流测算的河流表面流速的计算方法，包括：
[0008]S1：使用摄像头采集河流流动视频；
[0009]S2：从采集的河流流动视频中根据预设时间间隔和帧间隔提取出视频帧，提取出的所有视频帧构成测流图像矩阵；
[0010]S3：对测流图像矩阵进行预处理；
[0011]S4：采用光流算法结合特征检测算法对预处理后的测流图像矩阵中的图像进行特征检测与光流值计算，得到测量图像矩阵的光流值g
L
＝[l
x
,l
y
]T
，测量图像矩阵的光流值表示特征点在测流图像矩阵中图像帧之间的移动情况，其中，为与河流断面平行方向的分量，为与河流断面垂直方向的分量；
[0012]S5：基于测流图像矩阵的光流值，得到测流图像矩阵中特征点的偏移量然后根据欧式距离计算得到测流图像矩阵中特征点的偏移量值||l||，
[0013][0014]将偏移量值从高到低进行排序，并对排序靠后的预设比例的偏移量值进行过滤，其中，测流图像矩阵中特征点的偏移量值为特征点在测流图像矩阵中的图像帧之间的移动距离；
[0015]S6：对测流图像矩阵的光流值进行过滤；
[0016]S7：根据过滤后得到的偏移量值、测流图像矩阵所对应的视频的时间计算得到过滤后的特征点在像素坐标系下的河流速度，并选取预设部分的过滤后的特征点在像素坐标系下的河流速度求取平均值，得到像素坐标系下的河流表面速度；
[0017]S8：将测流图像矩阵中每一帧图像的像素坐标转换为世界坐标；
[0018]S9：根据进行过滤光流值后的测流图像矩阵中连续两帧图像的像素坐标和连续两帧图像的世界坐标，计算图像的空间分辨率；
[0019]S10：利用图像的空间分辨率和像素坐标系下的河流表面速度计算世界坐标系下的河流表面流速。
[0020]在一种实施方式中，S3对测流图像矩阵进行预处理包括消除色调和饱和度信息、调整图片的色调、对图像边界进行裁剪。
[0021]在一种实施方式中，采用光流算法结合特征检测算法对预处理后的测流图像矩阵中的图像进行特征点检测与光流值计算，包括：
[0022]通过金字塔分层的方式将测流图像矩阵中的每一帧图像逐层缩放，最底层图像的分辨率大小为最大，最顶层图像的分辨率大小为最小；从最顶层图像开始，利用特征检测算法进行特征检测得到第k帧和第k+1帧的特征点，并通过特征匹配得到顶层图像中每个特征点的光流值，从而得到顶层图像的光流值；根据顶层图像中的光流值估计下一层的光流值，直至算出最底层的光流值，将其作为测流图像矩阵的光流值。
[0023]在一种实施方式中，S6包括：采用统计直方图的方式对光流值进行过滤。
[0024]在一种实施方式中，当河流流向与断面垂直时，S6包括：根据测量图像矩阵中特征点初始偏移量与最终偏移量之间的夹角范围对光流值进行过滤，
[0025][0026]其中为测流图像矩阵中特征点的初始偏移量，为选取的测流图像矩阵中特征点的最终偏移量。
[0027]在一种实施方式中，步骤S7包括：
[0028]根据过滤后得到的偏移量值、测流图像矩阵所对应的视频的时间计算得到每个过滤后的特征点在像素坐标系下的河流速度
[0029][0030]其中，v为每个过滤后的特征点在像素坐标系下的河流速度，w为测流图像矩阵所
对应的视频的时间，||l||为偏移量值；
[0031]选取预设部分的过滤后的特征点在像素坐标系下的河流速度求取平均值，得到像素坐标系下的河流表面速度：
[0032][0033]其中，N为选取的预设部分的过滤后的特征点的数量，V为像素坐标系下的河流表面速度，表示选取的每个特征点的河流速度进行求和。
[0034]在一种实施方式中，S9的计算方式为：
[0035][0036][0037]其中，(u
k
,v
k
)为第k帧图像的像素坐标，(u
k+1
,v
k+1
)为第k+1帧图像的像素坐标，(X
k
,Y
k
)为第k帧图像世界坐标的x方向和y方向的坐标，(X
k+1
,Y
k+1
)为第k+1帧图像世界坐标的x方向和y方向的坐标，λ
x
和λ
y
分别为x方向和y方向的空间分辨率。
[0038]在一种实施方式中，S10的计算方式为：
[0039][0040]其中，V为像素坐标系下的河流表面速度，λ
x
和λ
y
分别为x方向和y方向的空间分辨率，V
′
为世界坐标系下的河流表面流速，fps为帧率。
[0041]基于同样的专利技术构思，本专利技术第二方面提供了一种基于光流测算的河流表面流速的计算系统，包括：
[0042]视频采集模块，用于使用摄像头采集河流流动视频；
[0043]视频帧提取模块，用于从采集的河流流动视频中根据预设时间间隔和帧间隔提取出视频帧，提取出的所有视频帧构成测流图像矩阵；
[0044]预处理模块，用于对测流图像本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光流测算的河流表面流速的计算方法，其特征在于，包括：S1：使用摄像头采集河流流动视频；S2：从采集的河流流动视频中根据预设时间间隔和帧间隔提取出视频帧，提取出的所有视频帧构成测流图像矩阵；S3：对测流图像矩阵进行预处理；S4：采用光流算法结合特征检测算法对预处理后的测流图像矩阵中的图像进行特征检测与光流值计算，得到测量图像矩阵的光流值g
L
＝[l
x
,l
y
]
T
，测量图像矩阵的光流值表示特征点在测流图像矩阵中图像帧之间的移动情况，其中，为与河流断面平行方向的分量，为与河流断面垂直方向的分量；S5：基于测流图像矩阵的光流值，得到测流图像矩阵中特征点的偏移量S5：基于测流图像矩阵的光流值，得到测流图像矩阵中特征点的偏移量然后根据欧式距离计算得到测流图像矩阵中特征点的偏移量值||l||，将偏移量值从高到低进行排序，并对排序靠后的预设比例的偏移量值进行过滤，其中，测流图像矩阵中特征点的偏移量值为特征点在测流图像矩阵中的图像帧之间的移动距离；S6：对测流图像矩阵的光流值进行过滤；S7：根据过滤后得到的偏移量值、测流图像矩阵所对应的视频的时间计算得到过滤后的特征点在像素坐标系下的河流速度，并选取预设部分的过滤后的特征点在像素坐标系下的河流速度求取平均值，得到像素坐标系下的河流表面速度；S8：将测流图像矩阵中每一帧图像的像素坐标转换为世界坐标；S9：根据进行过滤光流值后的测流图像矩阵中连续两帧图像的像素坐标和连续两帧图像的世界坐标，计算图像的空间分辨率；S10：利用图像的空间分辨率和像素坐标系下的河流表面速度计算世界坐标系下的河流表面流速。2.如权利要求1所述的基于光流测算的河流表面流速的计算方法，其特征在于，S3对测流图像矩阵进行预处理包括消除色调和饱和度信息、调整图片的色调、对图像边界进行裁剪。3.如权利要求1所述的基于光流测算的河流表面流速的计算方法，其特征在于，采用光流算法结合特征检测算法对预处理后的测流图像矩阵中的图像进行特征点检测与光流值计算，包括：通过金字塔分层的方式将测流图像矩阵中的每一帧图像逐层缩放，最底层图像的分辨率大小为最大，最顶层图像的分辨率大小为最小；从最顶层图像开始，利用特征检测算法进行特征检测得到第k帧和第k+1帧的特征点，并通过特征匹配得到顶层图像中每个特征点的光流值，从而得到顶层图像的光流值；根据顶层图像中的光流值估计下一层的光流值，直至算出最底层的光流值，将其作为测流图像矩阵的光流值。4.如权利要求1所述的基于光流测算的河流表面流速的计算方法，其特征在于，S6包括：采用统计直方图的方式对光流值进行过滤。5.如权利要求1所述的基于光流测算的河流表面流速的计算方法，其特征在于，当河流
流向与断面垂直时，S6包括：根据测量图像矩阵中特征点初始偏移量与最终偏移量之间的夹角范围对光流值进行过滤，其中为测流图像矩阵中特征点的初始偏移量，为选取的测流图像矩阵中特征点的最终偏移量。6.如权利要求1所述的基于光流测算的河流表面流速的计算方法，其特征在于，步骤S7包括：根据过滤后得到的偏移量值、测流图像矩阵所对应的视频的时间计算得到每个过滤后的特征点在像素坐标系下的河流速度其中，v为每个过滤后的特征点在像素坐标系下的河流速度，w为测流图像矩阵所对应的视频的时间，||l||为偏移量值；选取预设部分的过...

【专利技术属性】
技术研发人员：李玉琳，刘炳义，嵇莹，刘维高，余浩翔，
申请(专利权)人：武汉大水云科技有限公司，
类型：发明
国别省市：