基於單目攝像機的河流水位監測方法
2023-04-27 08:32:01 2
專利名稱：基於單目攝像機的河流水位監測方法
技術領域：
本發明涉及一種基於單目攝像機的河流水位監測方法，具體是一種利用單目攝 像機採集的視頻圖像對河流水位進行實時監控的方法，屬於圖像信息處理技術領 域。
背景技術：
隨著視頻監控技術的快速發展和成熟，越來越多的智能監控系統應用於日常生 活中。但是，計算機視覺技術在河流水位監控方面仍然是一項空白。眾所周知，我 國是一個洪澇災害頻繁發生的國家，水情監控是水利部門關注的重點，為了預防水 災，及時為防汛決策提供大量可靠的數據和資料，需要實時準確的監測河流、水庫 等的水位。目前，國內的大多數水文站監測水位仍然採用人工方法，該方法不但存 在測量者的人身安全問題，而且容易受到天氣的影響，遇到雨天和霧天時，監測數 據的準確性也很難保證，另外監測的實時性也不強。因此，將視頻監控系統技術運 用到水位監測方面是一種非常好的方法。它能夠實時的獲取河流水位信息，並且對 水位進行分析、記錄，可以對警戒水位進行預警，工作人員無需親自去現場，在辦 公室即可及時了解水位信息，方便又可靠。
經對現有技術文獻的檢索發現，Udomsire等人於2006年在APCCS (亞太電路系 統會議)上發表論文"Water Level Detection for River Surveillance utilizing JP2K Wavelet Transform",利用小波變換來分析圖像的紋理特徵，進而對水面區域和河岸 進行判斷，然而，由於小波變換計算量大，不利於實時監控，並且在天氣變化時， 例如暴雨、霧天等，紋理信息會受到影響，降低算法可靠性。
Iwahashi等人於2007年在ICCCN (計算機通訊及網絡國際會議)發表了論文 "Water Level Detection from Video with FIR Filtering"， 利用線性濾波器檢測圖像中 水面區域於河岸的分界線，從而進行水位的監控。這種算法利於實時監控，算法復
3雜度低，但是沒有考慮水面信息的檢測。
發明內容
本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種基於單目攝像機的河流水位 監測方法，能對河流區域進行實時檢測、監控，具有較強的適應性和可靠性。
為實現上述目的，本發明利用河流平面與河岸平面的光反射特性區別，對視頻 採集的圖像進行水平像素投影算法(HPIP)來確定水位高度。首先利用仿射變換對 圖像進行幾何矯正，再對視頻圖像灰度進行直方圖均衡化處理，採用水平像素投影 算法確定水位高度，並且實時、魯棒跟蹤水位變化。
本發明的基於單目攝像機河流水位監測方法的具體步驟是
(1) 利用仿射變換對圖像進行幾何矯正採用單目攝像機採集河流水位的視 頻圖像，在視頻圖像中選取需要觀測的水位區域，然後根據選取區域的角點坐標求 得仿射變換矩陣，利用仿射變換矩陣對視頻圖像進行幾何矯正，得到矯正好的圖像， 便於對水位進行觀察。
(2) 對矯正後的視頻圖像進行灰度直方圖均衡化處理首先求得幾何矯正後的
視頻圖像中每種灰度的累計分布，然後根據累計分布對視頻圖像中的灰度進行直方
圖均衡化處理，以增強視頻圖像的局部對比度，突出水面和河岸的分界線；
(3) 水平像素投影算法確定水位高度對直方圖均衡化後的視頻圖像進行逐
行掃描，並且對每行像素灰度值進行累加計算，得到每行圖像的灰度均值分布；在 灰度均值分布曲線中搜索最大值，該最大值的坐標對應於水面和河岸的分界線，從 而獲得水位高度信息
(4) 實時、魯棒跟蹤水位變化採取閾值法去除噪聲信息，將後一幀視頻圖像
的水位高度信息與前一幀視頻圖像的水位高度信息做比較，如果超過一定閾值就舍
掉，如果在閾值內，就作為新的水位高度信息；如此反覆迭代，獲得準確河流水位 高度信息。
本發明與現有技術相比的顯著效果在於利用水平像素投影算法來確定水面與 河岸的分界線，並估計水位高度，比現有的基於小波紋理和直線檢測的方法提取水
4位高度信息簡單，耗時低，魯棒性高，並且可以做到實時跟蹤水位變化，有很強的 抗噪性，尤其在雷雨天氣和夜間光照不足時也能很好的保證水位高度的準確性。同 時也為進一步分析水文信息提供了強有力的依據。
圖1為本發明方法步驟示意框圖。
圖2仿射變換幾何矯正
圖3水平像素投影算法估計水位高度。
圖4實驗結果圖。
具體實施例方式
為了更好地理解本發明的技術方案，以下結合附圖和實施例作進一步的詳細描 述。以下實施例以本發明的技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和過 程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
本發明的基於單目攝像機河流水位監測方法的流程如圖1所示，具體步驟如下
1、利用仿射變換對圖像進行幾何矯正。
採用單目攝像機採集河流水位的視頻圖像，從視頻圖像中選取需要觀測的水位 區域。本實施例在圖2所示的視頻圖像中選取一塊包含水面與河岸的長方形區域作 為需要觀測的水位區域。其中，所選擇的水位區域的4個角點為a， b， c， d，水面 與河岸的分界線為e， f。
由於攝像頭拍攝視角不同，不利於進行水位的監測，因此需要對其進行幾何矯正。
首先記錄選擇區域的4個角點(a,6,c,c/)在圖像中的坐標，然後重新建立一個正 視圖的坐標空間(",6',c , cO ，根據二維仿射變換公式
formula see original document page 5或其分塊矩陣形式:
formula see original document page 6
求出兩個不同坐標空間的仿射變換矩陣Hr
二維仿射變換公式中，A為非奇異的變換矩陣，x為矯正後的坐標，x為原圖 像坐標。
最後利用仿射變換矩陣HA對整幅圖像進行仿射變換幾何矯正，參見圖2。矯
正後的圖像為正視圖，便於對水位高度進行估計。
2、對矯正後的視頻圖像灰度進行直方圖均衡化處理。
為了增加圖像的對比度，突出水面和河岸區域的分界線，利用直方圖均衡化算 法進行圖像增強。首先，計算矯正前圖像^(x，力的灰度累計分布HA(r)，如果調 整後的圖像S(x,力的灰度累計分布為HB(力，設定直方圖均衡化公式為s^/(r)， 根據
因此
其中/
因此/(7)為:
h w二h氣h氣Ha(廣(力)其中^ 是比例因子。在離散形式下，/0)為
,"
其中A表示圖像中某種灰度出現的次數，w是圖像中所有的像素數，首先統
計經過幾何矯正後視頻圖像中每種灰度的累計分布，然後根據累計分布對視頻圖像 中的灰度進行直方圖均衡化處理，即根據上面所述公式，將不同的灰度映射到新的 灰度值上。如此增強了視頻圖像的局部對比度，突出了水面和河岸的分界線。
3、 水平像素投影算法(HPIP)確定水位高度。
對直方圖均衡化後的圖像進行逐行掃描，並且對每行像素灰度值進行累加計 算，然後得到每行圖像的灰度均值分布。在灰度分布曲線中搜索最大值，該最大值 的坐標對應於水面和河岸的分界線，從而獲得水位高度信息，參見圖3，圖中右面 的灰度分布曲線的最大值對應於左邊圖像中水面與河岸分界線。
4、 實時、魯棒跟蹤水位變化。由於視頻圖像容易受到環境影響，比如光照、 天氣變化等，每幀圖像求得的水位高度有誤差，因此，採取閾值法去除噪聲信息， 將後一幀視頻圖像的水位高度信息與前一幀視頻圖像的水位高度信息做比較，如果 超過一定閾值就舍掉，如果在閾值內，就作為新的水位高度信息，如此反覆迭代跟 蹤水位變換。在本實施例中，閾值在5到10效果較好，在其他情況下，閾值可以 根據特定情況進行設定，但需要注意閾值不能過小，這樣會導致水位波動較大，幹 擾信號佔主導地位，同時閾值過大則對水位變化不敏感，導致滯後效應，當遇到暴 雨或水面短時間突然上漲的情況時，求得的水位值不準確。
本實施例的實驗結果如圖4，圖中曲線代表測量到的水位信息。 以上部分均通過Visual C++ 2005編程實現。
權利要求
1、一種基於單目攝像機的河流水位監測方法，其特徵在於包括以下步驟1)採用單目攝像機採集河流水位的視頻圖像，從視頻圖像中選取需要觀測的水位區域，然後根據選取區域角點的坐標求得仿射變換矩陣，利用仿射變換矩陣對視頻圖像進行幾何矯正；2)求得幾何矯正後的視頻圖像中每種灰度的累計分布，然後根據累計分布對視頻圖像中的灰度進行直方圖均衡化處理，以增強視頻圖像的局部對比度，突出水面和河岸的分界線；3)對直方圖均衡化後的視頻圖像進行逐行掃描，並且對每行像素灰度值進行累加計算，得到每行圖像的灰度均值分布；在灰度均值分布曲線中搜索最大值，該最大值的坐標對應於水面和河岸的分界線，從而獲得水位高度信息；4)採取閾值法去除噪聲信息，將後一幀視頻圖像的水位高度信息與前一幀視頻圖像的水位高度信息做比較，如果超過一定閾值就舍掉，如果在閾值內，就作為新的水位高度信息；如此反覆迭代，獲得準確河流水位高度信息。
全文摘要
本發明公開了一種基於單目攝像機的河流水位監測方法，是一種視頻監控領域中信息處理的方法，利用河流平面與河岸平面的光反射特性區別，對視頻採集的圖像進行水平像素投影算法(HPIP)來確定水位高度。包括(1)利用仿射變換對圖像進行幾何矯正；(2)對視頻圖像灰度進行直方圖均衡化處理；(3)水平像素投影算法確定水位高度；(4)實時、魯棒跟蹤水位變化。本發明具有易於實現、魯棒性強、可靠性高、實時性強等優點，可以為水文監控提供實時可靠的信息。
文檔編號G01C13/00GK101586956SQ20091005332
公開日2009年11月25日 申請日期2009年6月18日 優先權日2009年6月18日
發明者嚴駿馳, 仝明磊, 劍 劉, 劉允才 申請人:上海交通大學