一种基于机器视觉的水环境监测装置

摘要

本发明涉及一种基于机器视觉的水环境监测装置，包括：测量管，其下端口适于进入水面，上端口正上方设一摄像机，该摄像机适于拍摄所述测量管内的水面影像；数字图像采集单元，与所述摄像机相连适于将采集图像变换为数字图像；与所述数字图像采集单元相连的计算机，该计算机存储有第一样本数据，所述第一样本数据适于记录各种水质的灰度值；所述计算机适于对所述数字图像进行灰度处理，以获得所述水面影像的灰度值，该灰度值与第一样本数据进行比对得出水质情况。所述测量管为锥形管，开口较小的一端处于上方，以减少摄像机获得的影像中测量管的内壁所占整个图像的比例，以提高灰度处理的可靠性。所述计算机为PC机或平板电脑。

权利要求

1.一种水环境监测装置，其特征在于包括：

使用时上下分布的测量管，其下端口上设有照明装置并在使用时该下端口进入水面，测量管的上端口处设一摄像机，该摄像机适于拍摄所述测量管内的水面影像；

数字图像采集单元，适于将所述摄像机采集得的图像变换为数字图像；

与所述数字图像采集单元相连的计算机，该计算机存储有第一样本数据，所述第一样本数据适于记录各种水质的灰度值；所述第一样本数据是由所述水环境监测装置对已知的、不同水质的水进行逐一测量而获得；

所述计算机适于对所述数字图像进行灰度处理，以获得所述水面影像的灰度值，该灰度值与第一样本数据进行比对，得出水质情况；

所述测量管的在使用时位于水面下方的管壁上分布有多个通孔，且该测量管的底端封闭；在水面下方的管体上套设一分布有通孔的套管；

所述套管与一适于驱动该套管绕所述测量管转动的转动机构传动连接，该转动机构由一与所述摄像机相连的控制器控制，在不拍摄水面影像时，控制所述转动机构带动套管旋转以使所述测量管上的通孔和套管上的通孔分别相对，以使水流适于进出所述测量管；在拍摄水面影像时，控制所述转动机构带动套管旋转以使所述测量管上的通孔和套管上的通孔彼此错开，以防止外部光线进入所述测量管；

所述测量管固定设置；

所述计算机还存储有第二样本数据，该第二样本数据适于记录所述测量管内的各水面影像的像素值与摄像机距离水面高度的对应表或计算式；

所述计算机还适于计算出当前拍摄的所述测量管内的水面影像的像素值，并通过所述第二样本数据得出当前摄像机距离水面的高度，然后将所述摄像机的安装高度减去所述摄像机距离水面的高度，即获得水位值。

说明书

一种基于机器视觉的水环境监测装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于图像视觉处理技术实现的水环境监测装置，具体是一种水位和水质监测装置。

背景技术

[0002] 现有的水位监测装置只能单独的检测水位或水质，即无法实施水位、水质同时监测。

发明内容

[0003] 本发明要解决的技术问题是提供一种适于进行水质测量的水环境监测装置，该水环境监测装置采用灰度检测原理进行水质监测，即对拍摄的水面影像进行灰度处理得到该水面影像的灰度值以获得水质情况。

[0004] 本发明提供了一种水环境监测装置，包括：使用时上下分布的测量管，其下端口上设有照明装置并在使用时进入水面，测量管的上端口处设一摄像机，该摄像机适于拍摄所述测量管内的水面影像；数字图像采集单元，与所述摄像机相连，适于将采集得的图像变换为数字图像；与所述数字图像采集单元相连的计算机，该计算机存储有第一样本数据，所述第一样本数据适于记录各种水质的灰度值；所述第一样本数据是由所述水环境监测装置对已知的、不同水质的水进行逐一测量而获得；所述计算机适于对所述数字图像进行灰度处理，以获得所述水面影像的灰度值，该灰度值与第一样本数据进行比对得出水质情况。

[0005] 所述计算机为PC机或平板电脑。

[0006] 作为一种优选，所述测量管为锥形管，开口较小的一端处于上方，以减少摄像机获得的影像中测量管的内壁所占整个图像的比例，以提高灰度处理的可靠性。

[0007] 进一步，为了避免拍摄时环境光线对水面影像的影响，所述测量管的内壁上设有适于吸收光线的涂层。

[0008] 进一步，为了避免拍摄时水底环境光线对水面影像的影响，并在不拍摄时保持水流畅通，以使所述测量管内的水质与实际水质一致，所述测量管在位于水面下方的管壁上分布有多个通孔，且该测量管的底端封闭，以防止杂光进入测量管内；在水面下方的管体上套设一分布有通孔的套管；所述套管与一适于驱动该套管绕所述测量管转动的转动机构传动连接，该转动机构由一与所述摄像机相连的控制器控制，在不拍摄水面影像时，控制所述转动机构带动套管旋转以使所述测量管上的通孔和套管上的通孔分别相对，以使水流适于进出所述测量管；在拍摄水面影像时，控制所述转动机构带动套管旋转以使所述测量管上的通孔和套管上的通孔彼此错开，以防止外部光线进入所述测量管。

[0009] 进一步，为了实现对所述水环境监测装置的水位测量，所述测量管固定设置；摄像机采用定焦广角镜头，或定焦镜头。

[0010] 所述计算机还存储有第二样本数据，该第二样本数据适于记录所述测量管内的水面影像的像素值与摄像机距离水面高度的对应表或计算式；所述计算机还适于计算出当前拍摄的所述测量管内的水面影像的像素值，并通过所述第二样本数据得出当前摄像机距离水面的高度，然后将所述摄像机的安装高度减去所述摄像机距离水面的高度，即获得水位值。

[0011] 作为进一步优选的实施方式，所述摄像机固定于所述测量管上，并使该测量管的上端口封闭，以避免外部光线从上端口进入该测量管。

[0012] 为了使摄像机在拍摄时，更加容易区分水面影像的边缘，所述测量管内还包括白色的管内浮子，该管内浮子为具有垂向设置的中央通孔的柱状结构，所述摄像机构适于拍摄所述中央通孔中的水面影像，且该管内浮子适于随水面在所述测量管内上下浮动。

[0013] 进一步，为了实现对所述水环境监测装置的水位测量，所述测量管的外围设有适于使该测量管浮于水面的浮子;所述水环境监测装置还包括：柔性标尺，该柔性标尺的一端固定在水底，另一端与一适于收卷、拉紧该柔性标尺的收卷装置相连，该收卷装置固定于所述测量管上； 导向轮, 设于所述测量管的内壁上，在该测量管的内壁上邻近所述导向轮的上、下方分别设有与所述导向轮的轮轴平行的上、下导向杆，所述柔性标尺适于分别从所述上、下导向杆与测量管的内壁的间隙中穿过并贴合在所述导向轮的内侧轮面上，所述导向轮的顶部处于水面上方。采用柔性标尺、适于使测量管竖直浮于水面上的浮子、导向轮等部件，使所述水环境监测装置可以漂浮在水面上，所述摄像机获取邻近所述导向轮的顶部的柔性标尺的读数，经图像识别、误差校正后，获得实际水位值。所述误差校正的方法为：将通过图像识别获得的所述柔性标尺的读数，与预设的校正值相减，即得到实际水位值。所述预设的校正值通过实验获得。

[0014] 本发明还提供了一种适于水位和水质监测的测量方法，该方法要解决的技术问题是利用摄像机拍摄的水面影像进行相应处理以获得水面影像的灰度值和面积像素值以得到相应的水质和水位情况。

[0015] 上述水环境监测装置的工作方法，包括如下步骤：

[0016] （1）水面上固定有测量管，其下端口适于进入水面，上端口处设一摄像机，该摄像机拍摄所述测量管内的水面影像；

[0017] （2）所述水面影像通过数字图像采集单元转换为数字图像；

[0018] （3）与所述数字图像采集单元相连的计算机中存储有第一、第二样本数据，所述第一样本数据适于记录各种水质的灰度值，所述第二样本数据适于记录所述测量管内的水面影像的像素值与摄像机距离水面高度的对应表或计算式；

[0019] （4）所述计算机对所述数字图像进行灰度处理，以获得所述水面影像的灰度值，该灰度值与第一样本数据进行比对，得出水质情况；

[0020] （5）所述计算机计算出当前拍摄的所述测量管内的水面影像的像素值，并通过所述第二样本数据得出当前摄像机距离水面的高度，然后将所述摄像机的安装高度减去所述摄像机距离水面的高度，即获得水位值。

[0021] 进一步，为了更方便的提取出水面影像的面积像素值，所述步骤（5）包括：

[0022] a：所述数字图像经灰度处理后，采用MATLAB函数进行阈值分割处理以提取水面影像的边缘；

[0023] b：调用MATLAB库函数bwarea，以计算边缘提取后的水面影像的面积像素值。

[0024] 与现有技术相比，本发明具有如下优点： （1）本发明通过水面影像以获得水质的相应情况，装置简单，便于在野外或者无条件进行水质化验的情况下进行便捷的水质测量或预判，无需繁琐步骤；（2）在封闭的测量管内拍摄的水面影像不易收到外界光线的影响，测量更加准确；（3）本发明在获得水质信息的同时，获得图像中的水面影像的大小，并根据预先测量得到的水面影像大小与摄像机之间的距离关系，以得到水位，进而实现了水位、水质监测，使用方便。

附图说明

[0025] 为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

[0026] 图1 本发明的水环境监测装置的结构示意图。

[0027] 图2 本发明的转动机构、控制器、摄像机的连接示意图；

[0028] 图3本发明的转动机构的一种实施方式；

[0029] 图4本发明的转动机构的另一种实施方式；

[0030] 图5本发明的转动机构的另一种实施方式中各限位杆的结构俯视图；

[0031] 图6本发明的水位检测系统的用于水位检测部分的结构示意图。

具体实施方式

[0032] 实施方式一

[0033] 如图1，一种水环境监测装置，包括：测量管1，其下端口上设有照明装置并在使用时该下端口适于整体进入水面2，上端口处设一摄像机，该摄像机适于拍摄所述测量管1内的水面影像2-1；数字图像采集单元，与所述摄像机相连适于将采集图像变换为数字图像；与所述数字图像采集单元相连的计算机，该计算机存储有第一样本数据，所述第一样本数据适于记录各种水质的灰度值；所述第一样本数据是由所述水环境监测装置对已知的、不同水质的水进行逐一测量而获得；所述计算机适于对所述数字图像进行灰度处理，以获得所述水面影像2-1的灰度值，该灰度值与第一样本数据进行比对得出水质情况。

[0034] 水质检测原理是利用不同水质相应的灰度值样本与待检测的水面影像的灰度值进行比较，即计算机存储有不同水质的各灰度值样本，即第一样本数据。

[0035] 采用MATLAB库函数对所述水面影像2-1进行相应灰度值处理，步骤如下：

[0036] I=imread(‘image.jpg’);  %打开待处理图片（8位灰度）

[0037] imshow(I);              %显示该图片

[0038] C=mean2(I);             %计算图像像素矩阵的平均值

[0039] 通过mean2函数就可以计算出所述水面影像2-1的灰度值。

[0040] 表1是各种水质的平均灰度值，即第一样本数据：

[0041]水样类型 纯净水 河水 游泳池水 混有泥浆的水
平均灰度值 132 85 89 67
水样类型 被染料污染的水 墨汁水 工业废水 绿茶水
平均灰度值 37 21 23 90

[0042] 按照一般常识，这些水样本的水质优劣可以这样排列：纯净水>绿茶水>游泳池水>河水>混有泥浆的水>被染料污染的水>工业废水≈墨汁水，当水体采样图像灰度值（亮度值）越小时，可认为其水质越差，反之亦然。因而在水质检测时，可以通过对水体总体灰度的计算得出相应的水质结论，还可以通过样本提取、神经网络、模式识别等更高级的处理手段，做到检测浊度等更细化的水质指标。

[0043] 例如，若检测到的水面影像2-1的灰度为85，则得出该水质与河水的水质相当。

[0044] 为了避免外界光线对水面影像2-1的影响，所述摄像机与上端口密封连接，所述测量管1的内壁上设有适于吸收光线的黑色涂层。

[0045] 见图3，为了进一步避免水下光线对拍摄的影响，以提高拍摄的水面影像2-1的亮度、色度的准确性，所述测量管1在位于水面2下方的管壁上分布有多个通孔，且该测量管1的底端封闭；在水面2下方的管体上套设一分布有通孔的套管8-1；所述套管8-1与一适于驱动该套管8-1绕所述测量管1转动的转动机构传动连接，该转动机构由一与所述摄像机相连的控制器控制，在不拍摄水面影像2-1时，控制所述转动机构带动套管8-1旋转以使所述测量管1上的通孔和套管8-1上的通孔吻合以适于水流流通；在拍摄水面影像2-1时，控制所述转动机构带动套管8-1旋转以使所述测量管1上的通孔和套管8-1上的通孔彼此错开，以防止外部光线进入所述测量管1。

[0046] 所述转动机构控制套管绕所述测量管1转动的具体实施方式：

[0047] 见图3，所述测量管1的底部下端面与套管8-1的底部上端面之间形成密封腔8-2，该密封腔8-2以起到防水作用，在该密封腔8-2内设有一步进电机8-3，通过步进电机8-3可以设置转动角度，使所述测量1上的通孔和套管8-1上的通孔吻合或者彼此错开（通孔图中未画出），步进电机8-3的机座固定于所述测量管1的底部下端面，且该机座的中心位置与所述底部下端面的中心位置相对应，即同轴，所述步进电机8-3的转轴一端与所述套管8-1的底部上端面相连以带动套管8-1绕所述测量管1转动，该步进电机8-3由控制器控制。

[0048] 也可以把步进电机8-3的转轴一端固定于所述测量管1的底部下端面，机座同轴固定于所述套管8-1的底部上端面，当步进电机8-3转动时，由于转轴被固定，不会旋转，则机座就会旋转，即机座带动套管8-1绕所述测量管1转动。

[0049] 见图4，还可以在所述密封腔8-2内安装电动机8-4，电动机8-4的机座固定于所述测量管1的底部下端面，且该底部下端面的中心位置与该机座的中心位置相对应，即同轴，所述电动机8-4的转轴8-5一端与所述套管8-1的底部上端面相连，由于电动机8-4在旋转的时候很难控制转动的角度，所以在所述电动机8-4的转轴8-5上安装有一限位横杆8-6，在所述套管8-1的底部上端面安装有两对限位杆，所述限位横杆8-6嵌于所述两对限位杆（即第一、第二限位杆为一对，第三、第四限位杆为一对）之间，所述电动机8-4转动时，带动所述套管8-1绕所述测量管1旋转，两对限位杆限定了电动机8-4的旋转角度。

[0050] 见图5，具体工作过程，设所述限位横杆8-6两端处于第二限位杆8-7b、第三限位杆8-7c处时，所述测量管1上的通孔和套管8-1上的通孔吻合，所述限位横杆8-6两端处于第一限位杆8-7a、第四限位杆8-7d处时，所述测量管1上的通孔和套管8-1上的通孔彼此错开，以防止光线进入测量管1。

[0051] 当摄像机准备拍摄时，电动机8-4控制转轴8-5带动限位横杆8-6旋转至第一限位杆8-7a和第四限位杆8-7d处时，电动机8-4停止工作，这时所述测量管1上的通孔和套管8-1上的通孔彼此错开，以防止外部光线进入所述测量管1，摄像机进行拍摄，拍摄完毕，电动机8-4反转，所述限位横杆8-6旋转至第二限位杆8-7b和第三限位杆8-7c处时，使所述测量管1上的通孔和套管8-1上的通孔吻合，使水流流通。

[0052] 当然这种方案中限位杆也可以利用限位槽来替代，该限位槽的槽口宽度大于所述限位横杆8-6。

[0053] 实施例二

[0054] 在实施例一的基础上，进行水位的测量的技术方案如下：

[0055] 所述测量管1固定设置,所述摄像机固定安装于所述测量管1的上端口；所述计算机还存储有第二样本数据，该第二样本数据适于记录水面影像2-1的各面积像素值与摄像机距离水面的对应高度，即各面积像素值和摄像机与水面2的间距之间的对应关系；所述计算机还适于计算出所述水面影像2-1的面积像素值，该面积像素值与第二样本数据进行比对，得出摄像机距离水面2的高度，所述摄像机的安装高度减去所述摄像机距离水面2的高度以获得水位值。

[0056] 所述摄像机的安装高度可以预先知晓并预存于所述计算机中，也可以通过现有技术中的标尺等工具进行测量得出。

[0057] 还可以通过如下方案实现摄像机高度测量，该方案包括：柔性标尺，适于收卷、拉紧该柔性标尺的收卷装置，该收卷装置与摄像机水平设置，所述收卷装置由一微型步进电机驱动，该电机适于当标尺一端接触到水底时停止释放标尺（若电机电流瞬时变小，则判断标尺的一端接触到水底），同时通过一传感器记录下电机带动收卷装置旋转的圈数，并且该传感器把相应圈数输入至一控制模块，该控制模块通过相应圈数得到摄像机的实际高度。

[0058] 水位测量基本原理是根据物体在眼中的成像原理；即，目标越远，看着就越小，对于摄像机、照相机拍摄的视频、图片，同样是如此。那么，将摄像机固定在测量管1上端口垂直向下拍摄测量管1中的水面影像2-1。随着水位的上下变化，即水位与摄像机的相对距离发生了变化，这种变化在所拍的水面影像2-1中体现为水面影像2-1所占画面面积大小的变化。因此，通过计算图像中水面影像2-1的面积大小，可以判断出水面2与摄像机的相对距离，由于摄像机位置是固定的，因而可换算出水位。

[0059] 该发明与申请号200910232679.6，名称为“基于图像视觉的水位测量系统和方法”。的方案相比，具有以下优点（1）结构更加简单，无需通过浮子就可以进行水位测定；（2）误差小，因为浮子在浮于水面的，故在拍摄时，拍摄的浮子的投影的高度并不是实际水位的高度，要比实际水位略高，这就存在了误差，并且各种水质密度不一样，造成了浮子浮于水面的高度不同，需要进行误差修订，给水位测量带来了麻烦，但是本发明直接通过水面影像2-1来进行水位测量，克服了上述缺陷。

[0060] 所述测量管1内还包括管内浮子，该管内浮子为具有垂向设置的中央通孔的柱状结构，所述摄像机构适于拍摄所述中央通孔中的水面影像，且该管内浮子适于随水面在所述测量管1内上下浮动；通过拍摄管内浮子内的水面影像2-1使该水面影像2-1的边缘更加清晰，便于提取该水面影像2-1的面积。

[0061] 实施例三

[0062] 见图6，在实施例一的基础上，进行水位的测量，该技术方案如下：

[0063] 所述测量管1的上端口处固定安装有一摄像机，所述测量管1的外围设有适于使该测量管1竖直浮于水面2的浮子3，并且通过该浮子3能使测量管1浮于水面，无需另外固定。

[0064] 所述水环境监测装置还包括：

[0065] 柔性标尺4，一端固定在水底，另一端与一适于收卷、拉紧该柔性标尺4的收卷装置5相连，该收卷装置5固定于所述测量管1的上部；

[0066] 导向轮6,设于所述测量管1的内壁上，在该测量管1的内壁上邻近所述导向轮上、下方分别设有上导向杆7-1、下导向杆7-2，所述柔性标尺4适于从所述上导向杆7-1、下导向杆7-2穿过并贴合在所述导向轮6的内侧轮面上，所述导向轮6的顶部处于水面上方。

[0067] 该实施例六进行水位测量的原理是利用摄像机在拍摄水面影像2-1时，同时拍摄被导向轮6撑起的柔性标尺4，柔性标尺4的刻度被撑起后很容易被拍到，就得到了实际水位。

[0068] 由于导向轮6很小，在进行水质检测的时，拍摄的水面影像2-1进行灰度处理时导向轮、标尺等部件可以忽略不计，并不会影响到水面影像2-1的灰度值计算。

[0069] 并且所述柔性标尺4伸入水底并不影响所述测量管1的底端封闭。

[0070] 实施例四

[0071] 见图1，在实施例二的基础上的水环境监测装置的工作方法，包括如下步骤：

[0072] （1）水面2上方固定有测量管1，其下端口适于进入水面2，上端口处设一摄像机，该摄像机拍摄所述测量管1内的水面影像2-1；

[0073] （2）所述水面影像2-1通过数字图像采集单元转换为数字图像；

[0074] （3）与所述数字图像采集单元相连的计算机，该计算机存储有第一、第二样本数据，所述第一样本数据适于记录各种水质的灰度值，所述第二样本数据适于记录水面影像2-1的各面积像素值与摄像机距离水面的对应高度（即，各面积像素值和摄像机与水面2的间距之间的对应关系）；

[0075] （4）所述计算机对所述数字图像进行灰度处理，以获得所述水面影像2-1的灰度值，该灰度值与第一样本数据进行比对得出水质情况；

[0076] （5）所述计算机计算出所述水面影像2-1的面积像素值，该面积像素值与第二样本数据进行比对，得出摄像机距离水面2的高度，所述摄像机的安装高度减去所述摄像机距离水面2的高度以获得水位值。

[0077] 所述步骤（5）包括：

[0078] a：所述水面影像2-1进行灰度处理后，采用MATLAB函数进行阈值分割处理以提取水面影像2-1的边缘；

[0079] b：调用MATLAB库函数bwarea，以计算边缘提取后的水面影像2-1的面积像素值。

[0080] 水质检测的具体方法见实施例1中的水质监测步骤。

[0081] 水位计算的具体方法

[0082] 采用MATLAB函数对所述摄像机拍摄的水面影像2-1进行阈值分割处理，其步骤如下：

[0083] I=imread(‘image.jpg’);  %打开待处理图片

[0084] imshow(I);              %显示该图片

[0085] Inew=im2bw(I,x/255);    %根据阈值x进行图像二值化，划分目标与背景[0086] Figure;imshow(Inew);    %显示二值化后的结果

[0087] 通过上述步骤得到水面影像2-1的面积，例如，该水面影像2-1为白色，背景为黑色。当然也可以根据需要设置不同的颜色，例如水面影像2-1为黑色，背景为白色。

[0088] 这里以水面影像2-1为白色，背景为黑色为例，为了计算出白色部分的面积，可调用MATLAB库函数bwarea。Bwarea函数并非简单计算非0像素的数目，它还对不同像素赋予不同的权限，以补偿由于用离散数据表示连续图像所带来的误差。如一条50点长的对角线要比50点长的水平线长，因此，bwarea函数返回的50点长的水平线面积是50，而50点长的对角线面积返回的是62.5。

[0089] 采用bwarea进行面积计算的步骤如下：

[0090] Number=bwarea(Inew)；

[0091] Number

[0092] 计算出白色部分的像素点，即所述水面影像2-1的面积像素，并与存储在计算机中的第二样本数据，即记录水面影像2-1的各面积像素值（即像素点）与摄像机距离水面的对应高度的对应关系列表相比较，如表2所示：

[0093]距离(cm) 像素点 距离(cm) 像素点 距离(cm) 像素点
18 59998 25 31759 32 20668
19 54116 26 28131 33 19627
20 49458 27 25657 34 18809
21 45541 28 24082 35 17774
22 41099 29 23204 36 16963
23 38848 30 22223 37 16188
24 34584 31 21549 42 14800
        50 13966

[0094] 例如，若Number为54116，即54116个像素面积。则水面2与摄像机的间距为19cm，即摄像机距离水面2的高度为19cm，故54116个像素面积与19cm这个距离产生映射关系。

[0095] 所述摄像机距离水面的高度并不呈线性关系，而是一个由陡变缓的曲线，即水面距摄像机越近，相同的水位变化，水面影像变化越大。因而该水位测量方法的精度也是不恒定的，在测量范围较小时才能保证合适的精度，故适用于水位变化不大的水域（如流动性不大的湖泊，高度有限的蓄水池）。

[0096] 本发明还可以采用Canny检测算子对于灰度分量进行边缘提取，以获得水面影像2-1的各面积像素值，具体步骤参见发明专利，申请号200910232679.6，名称为“基于图像视觉的水位测量系统和方法”。

[0097] 期刊《计算机与现代化》2006年06期，黄蕾、刘文波的论文“基于CNN的灰度图像边缘提取算法中模板参数的研究”中对灰度边缘提取也有详细说明，本发明也同样可以采用该算法。

[0098] 期刊《南京航空航天大学》2006年，黄蕾的论文“基于细胞神经网络的图像边缘提取算法研究”中对描述了采用神经网络对图像进行边缘提取的方法，该方法也同样适用于本发明。

[0099] 从表2中得到摄像机距离水面2的高度后，所述摄像机的安装高度减去所述摄像机距离水面2的高度以获得水位值。