基于圖像識別技術的沿岸潮汐測量方法研究

摘 要:基于目前驗潮方法存在著間接測量轉換誤差難以消除，水準聯測困難，濕端設備為有源裝置，造價高等不足的現狀，首次采用光學原理，提出利用攝影及圖像識別技術來實現潮汐測量，實現了無源濕端直接自動化潮汐測量，開辟了潮汐測量技術的新途徑，為沿岸、島礁的潮汐測量及內陸水位監測提供一種建站成本低、靈活機動的測量方法。

關鍵詞:潮汐測量; 水尺; 圖像采集; 圖像識別

中圖分類號:TN919 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)13-0120-03

Research on Seacoast Tide Gauge Based on Image Recognition Technology

DENG Yu-fen，SHEN Ming，RUAN Rui，ZHANG Bo

(Navy Institute of Hydrographic Surveying and Charting， Tianjin 300061， China)

Abstract: A scheme of realizing the tide measurement with photography and image recognition technology based on the optical theory is proposed to overcome the difficulties in the face of the existing tide methods， such as elimination of indirect measurement conversion error， implementation of leveling joint measurement， alternation of green-end active device and reduction of fabrication cost. The automatic and direct tide measurement to the passive green end was achieved. A new way of tidal measurement for monitoring the water level of coast， reefs and inland was opened up， which provides a method for building some low-cost measurement stations and a flexible measurement method for the tide measurement. The basic principle and method of the hardware and software design are presented.

Keywords: tide measurement; water gauge; image acquisition; image recognition

目前國內外的潮汐測量技術種類很多，但這些測量方法也各自有一定的缺陷，如水尺驗潮自動化程度低，壓力式驗潮、超聲波驗潮和GPS驗潮等存在著間接測量轉換誤差難以消除，水準聯測困難，濕端設備為有源裝置，造價高等不足，為彌補這些不足，使得傳統驗潮技術有一突破，本文提出利用攝影及圖像識別技術來實現沿岸潮汐測量。

1 系統原理與結構

1.1 系統原理

利用攝影與圖像識別技術進行潮汐測量的基本原理是在水中豎立一個特制的水尺，水尺上端刻畫有一基準線，從基準線往下，按定長畫有圖形尺碼，每個尺碼表示一固定的長度。岸邊固定光學攝像儀，定時攝錄水尺及海面圖像，經過自動識別，判別出水尺基準線和海面在水尺上的位置，通過判別兩線之間含有多少尺碼即可得到水位線距基準線的距離，從而得到潮位值。

1.2 系統結構

系統由濕端和干端兩部分組成。濕端設備是立在水中的水尺，干端設備主要有光學成像鏡頭、CCD攝像頭、網絡視頻服務器及監控計算機組成。測量原理如圖1所示，設水尺頂部標定高度為Ha，水線位置Hb，則海浪潮位Hc=Ha-Hb。可見，只需要找到水位線，就可計算出潮位Hc。

圖1 系統結構原理示意圖

2 系統主要技術特征

2.1 系統硬件設計

2.1.1 水尺設計

水尺的作用是通過它能讀取水位的高度。根據該項目驗潮技術的原理，給出潮位必須對3種信息進行判讀，一是水尺上部的基準線，因為水位是以此基準線給出的;二是水位線;三是基準線與水位線間有多少個尺碼圖形。每個尺碼圖形高度為長度元，有多少個尺碼圖形，就有多少個長度元，從而得到基準線與水位線間的距離。因此對水尺尺碼圖形的大小、形狀、色(灰)度等都要進行研究與設計，設計出便于通過圖像處理的方法進行水位判讀的尺碼圖案。

這里先后對潮高標尺進行了五種圖案設計，設計過程如圖2所示。

圖2 潮高標尺圖案設計圖

經過多次野外實地試驗，得出結論:水尺圖案必須兼顧到水位線的判讀與水尺尺碼圖形的判讀，也就是說水尺圖案要同時具有橫條紋和斜條紋的共同特征，由此設計出了鋸齒形水尺方案。每個尺碼圖形如圖3所示。

圖3 鋸齒形方案每個尺碼圖形

圖3是由黑白兩個三角形構成，兩三角形相互倒置構成一個長方形，尺碼圖形的高度為10 cm。由于有傾斜的條紋，就能夠判讀水位線，又由于尺碼圖形簡單，很容易判讀出水位線到基準線間共有多少個完整的尺碼圖形，如有n個，對于不完整的尺碼圖形(如圖4所示)，則部分尺碼高度h對應的像素值與一個完整尺碼高度對應的像素值m進行比較，得到比值h/m，那么水位值H即可按下述公式計算:

H=10[n+(h/m)]

2.1.2 圖像采集單元設計

圖像采集單元的功能是將水尺及海面通過光學鏡頭成像在CCD攝像頭的光敏面上，攝像頭再將圖像信息通過網絡視頻服務器送入監控計算機，并在顯示器上進行顯示，以供數據處理單元進行水位的識別與處理。為了進行水尺圖形的判別，監控計算機屏幕上的水尺圖像應盡可能大，即水尺成的像應盡可能大，因此圖像采集單元首先要保證在監控計算機屏幕上的水尺圖像應足夠大，大到能分辨出水尺上1 cm的條紋。為了滿足驗潮需求，該項目對圖像采集單元做了兩種設計，一種是近程圖像采集單元;另一種是遠程圖像采集單元，進而達到增大可視距離的作用，滿足遠距離驗潮的需求。

圖4 不完整尺碼圖形

(1) 近程圖像采集單元

近程圖像采集單元由37倍光學變焦攝像儀、網絡視頻服務器和監控計算機組成。在該驗潮方法中，為了單獨使用攝像儀就能獲得驗潮需要的圖像，選用SDZ-375型37倍變焦攝像儀作為圖像采集單元，但經過試驗發現，37倍變焦攝像儀的成像距離也僅在130 m以內才能采集到清晰有效的圖像，超過130 m時所獲得的圖像質量則無法滿足驗潮要求。而在有些地方的驗潮距離要超過200 m，這樣，為了增大可視距離，又設計用長焦望遠鏡來代替一般的光學鏡頭，這樣可視距離可達200 m以上。

(2) 遠程圖像采集單元

遠程圖像采集單元由CCD攝像頭、長焦望遠鏡、網絡視頻服務器、監控計算機組成。對長焦望遠鏡的選型應首先確定其焦距，在本方法中，選用1/3 inch CCD攝像頭觀測，其垂直成像尺寸為36 mm，水平成像尺寸為48 mm，鏡頭焦點到水尺的常規距離為200 m，水尺高度位為2 m，則由公式可計算出長焦望遠鏡的焦距(單位:mm):

f=vDV=3.6×200 0002 000=360

該公式表明當CCD攝像頭為1/3 inch，長焦望遠鏡的焦距為360 mm，鏡頭焦點到物體的距離為200 m，水尺高度為2 m時，則恰好可獲得滿屏圖像，如果長焦望遠鏡的焦距小于360 mm時，其他條件不變的情況下，則獲得圖像會縮小，圖像分辨率降低。又考慮到鏡頭焦點到水尺的距離200 m是常規距離，由于不同海岸帶的潮間距不同，有些海岸線的驗潮距離可能要超過200 m，所以決定選用焦距為480 mm的TP2-80DSS型天地兩用長焦望遠鏡。

網絡視頻服務器是一種壓縮、處理視音頻數據的嵌入式設備，它由視音頻壓縮編碼器、輸入/輸出通道、網絡接口、視音頻接口、RS 485/RS 232串行接口、協議接口、軟件接口等構成。

2.2 系統軟件開發平臺及功能模塊

2.2.1 軟件開發平臺

由于數據采集單元中網絡視頻服務器提供的SDK是基于Windows系統下的C++文件包，因此選擇Windows XP操作系統作為用戶軟件運行平臺，選擇Visual C++6.0作為軟件開發平臺。

2.2.2 軟件功能模塊

初始化模塊 初始化模塊包含兩個部分，即視頻參數初始化和水尺判讀參數初始化。視頻參數初始化主要完成網絡視頻服務器的初始化。水尺判讀參數初始化包括設置水尺、設置初值和設置刻度。

視頻預覽模塊 視頻預覽模塊將網絡視頻服務器采集得到的視頻流顯示到預覽界面，供用戶實時觀察。

視頻回放模塊 視頻回放模塊主要用于回放本地存儲的視頻。該模塊可以根據時間查詢指定文件夾下的視頻文件，并將視頻進行回放。

水尺處理模塊 水尺處理模塊主要對采集得到的一幀圖像進行分析判斷，并計算得到水線位置。對圖像處理需要進行以下幾個步驟:灰度化，中值濾波，灰度均衡，閾值化，輪廓提取，細化，提取橫線。

3 技術創新點

(1) 潮汐測量光學化。首次采用光學原理實現無源濕端直接自動化潮汐測量，開辟了潮汐測量技術的新途徑，為沿岸、島礁的潮汐測量及內陸水位監測提供一種建站成本低、靈活機動的測量方法。

(2) 潮汐數據遙測化。該技術成果通過對圖像采集單元及自動判讀軟件的設計，實現了遠程水尺的實時視頻監控及自動化處理，使傳統的人工水尺觀測實現了實時自動化測量。

(3) 水尺圖案判讀化。通過對驗潮水尺尺碼圖形的研究，采用橫條紋與斜條紋尺碼圖形相結合的方法，研制出既適合水位識別又適合尺碼讀取的新型水尺。

(4) 水位識別自動化。通過灰度化、中值濾波、域值化、細化、輪廓提取等多種圖像處理方法及水尺判讀算法，首次實現水位高精度自動識別和水尺尺碼個數的自動讀取。

4 結 語

該方法采用攝影和圖像識別技術，通過獨特的鋸齒形水尺設計，實現了水位的自動識別，從而實現了潮汐的直接自動化測量。該方法設計合理可行，技術先進。與其他驗潮方法相比，該方法突出的優點是非接觸直接測量、沒有轉換誤差、建站機動靈活、價格低廉，并實現了對海水潮位的非接觸自動準確測量。

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