使用影像在時間上的像素的濃度分布變化的液體邊界面識別方法和使用該方法的液體高...的製作方法
2023-10-06 03:27:09 1
專利名稱：使用影像在時間上的像素的濃度分布變化的液體邊界面識別方法和使用該方法的液體高 ...的製作方法
技術領域：
本發明涉及使用影像在時間上的像素的濃度分布變化的液體邊界面識別方法和液體邊界面識別裝置，具體而言，涉及根據連續拍攝液體邊界部分而得到的影像，利用液體邊界部分的影像在時間上變化的現象，確認影像的Y方向各像素濃度的時間性變化來識別液體的邊界面，由此使如河川的水位、液體貯存箱(tank)的水位等的液體高度的測量中的誤差產生最小化，從而提高液體高度測量的準確度的液體邊界面識別方法和使用該方法來識別液體高度的液體高度識別裝置。
背景技術：
對於如測量河川的水位或測量水壩(DAM)的水位的情況、或測量貯存著液體的液體貯水箱的水位的情況那樣測量液體的高度的情況，現有技術中公開了設置水位標並在液體邊界面附近拍攝水位標的影像，並對所拍攝到的影像進行分析而可自動測量液體的高度的技術。具體而言，在韓國的專利註冊第10-778014號中公開了利用影像拍攝來自動測量液體的高度的技術的一例。這裡公開的「利用影像的液體高度測量裝置」包括水位標、影像取得裝置和高度測量裝置，構成為由影像接收部接收拍攝影像，生成基於顏色濃度的數值化後的影像，並識別液體表面即液體邊界面，從拍攝影像測量水位標的數字並決定最小值， 測量從識別出的液體邊界面到與上述最小值相應的數字為止的垂直方向上的像素數，從而決定液體的高度。但是，在現有技術中，拍攝的影像中僅使用垂直方向、即Y方向的顏色濃度變化來測量液體邊界面。即，將在拍攝影像的Y方向上顏色濃度從上到下或從下到上急劇變化的位置識別為液體邊界面。因此，在如下這種情況下會發生液體邊界面的識別錯誤。(1)用於測量液體高度的水位標的表面被汙染的情況(2)液體非常清，因此浸在液體中的水位標被透視而拍攝的情況(3)水位標上纏掛著漂浮物等的情況(4)水位標以多級設置的情況g卩，在⑴或⑶的情況下，儘管不是液體邊界面，但在拍攝影像中，在水位標的表面上存在的汙染物所存在的位置的上下，顏色濃度急劇變化，所以有時會發生將這種汙染物的存在位置誤識別為液體邊界面的情況。在O)的情況下，若液體太清澈，則在液體邊界面上顏色濃度不會發生大的變化， 由此在僅單純根據上下間的顏色濃度變化來識別液體邊界面的現有技術中，不能測量準確的液體邊界面。例如，(4)的情況相當於在橋墩的基底部設置水位標、且水位標連續位於直徑比基底部小的橋墩上的情況。這種情況下，從拍攝的影像看時，基底部和橋墩的邊界位置上，上下側間的顏色濃度的差會表現為很大，由此會發生將該基底部和橋墩的邊界位置誤識別為液體邊界面的情況。
發明內容
發明的概要發明要解決的問題因此，本發明的目的是使現有技術的局限、即包括上述的(1) 的情況中例示的狀況在內的難以準確測量液體邊界面的狀況下發生的液體高度的測量中的誤差最小化。具體而言，本發明的目的是在發生了上述的(1) (4)的情況中例示的狀況等時也準確識別液體的邊界面，從而使如河川的水位、液體貯存箱中的水位那樣的液體高度測量中的誤差的發生最小化，提高液體的高度測量的準確度。用於解決問題的手段為了實現如上所述的問題，根據本發明的一個方式，提供一種根據連續拍攝的對液體邊界面的影像，利用針對Y方向像素的直方圖數據的時間上的變化，來識別液體邊界面的方法和裝置。具體而言，本發明中提供一種液體邊界面識別方法，根據以包含液體邊界面的方式連續拍攝水位標101而取得的影像，識別液體邊界面，其特徵在於，包括如下步驟 (step)對以包含液體邊界面的方式拍攝而得到的影像進行灰度(gray)圖像處理，並將沿 X方向和Y方向分布的各像素按照濃度進行數值化(Si)；從將各像素數值化後的影像中，僅提取對應於從水位標(101)向X方向顯示了主刻度和副刻度的刻度區域的影像(S》；根據所提取的對應於刻度區域的影像，將在Y方向上位於同一位置的X方向的所有像素的數值進行合計，求出所合計的Y方向上的各像素的數值，從而形成針對像素的Y方向的直方圖數據(histogram data) (S3)；對連續的拍攝影像中的各個拍攝影像反覆且連續執行針對像素的Y方向的直方圖數據的形成步驟，並對時間上具有前後關係的拍攝影像相互比較直方圖數據，判斷所述時間上具有前後關係的拍攝影像間的直方圖數據中是否產生了規定的增加值以上的差(S4)；以及將開始產生規定的增加值以上的差的像素作為位於液體的邊界面的像素，並將該像素的Y方向位置即高度識別為液體邊界面(S5)。此外，在本發明中，提供一種液體高度識別裝置，根據通過影像取得裝置以包含液體邊界面的方式連續拍攝水位標而取得的影像，識別液體邊界面，並決定液體的高度，其特徵在於，包括影像接收部，從影像取得裝置接收以包含液體邊界面的方式連續拍攝水位標而得到的影像；主控制部，根據所拍攝的影像，決定液體的高度；以及攝影信號控制模塊， 通過所述主控制部的控制，使影像取得裝置動作；主控制部通過上述的本發明的液體邊界面識別方法來決定液體的高度。在本發明的方法和裝置中，在所拍攝到的影像的亮度為事先設定的亮度以下的情況下，在將拍攝影像的像素進行數值化時，還通過影像的二值化處理執行對影像進行邊緣 (edge)處理的操作，以消除像素的變化，並且明確表示水位標的顯示內容。發明效果本發明在難以準確識別液體邊界面的各種狀況下也可準確且穩定地進行液體邊界面的識別，由此，能夠準確測量液體的邊界面高度。因此，本發明能夠有效地利用於水位測量。
圖1是表示可具有使用本發明的一實施方式的液體邊界面識別方法的液體邊界面測量裝置的液體高度識別裝置的一例的概要圖。圖2是表示可具有使用本發明的一實施方式的液體邊界面測量方法的液體邊界面測量裝置的液體高度識別裝置的一例的模塊結構圖。圖3是表示本發明的液體邊界面識別方法的各方法步驟的流程圖。圖4是表示在水位標上以包含液體的邊界面的方式取得的影像的一例的圖。圖5是用圖表示邊緣(edge)處理前的拍攝影像的圖。圖6是用圖表示邊緣處理後的拍攝影像的圖。
具體實施例方式本發明的液體邊界面識別方法，根據以包含液體邊界面的方式連續拍攝水位標 101而取得的影像，識別液體邊界面，其特徵在於，包括對以包含液體邊界面的方式拍攝而得到的影像進行灰度圖像處理，並將沿X方向和Y方向分布的各像素按照濃度進行數值化的步驟(Si)；從將各像素數值化後的影像中，僅提取對應於從水位標向X方向顯示了主刻度和副刻度的刻度區域的影像的步驟(S》；根據所提取的對應於刻度區域的影像，將在 Y方向上位於同一位置的X方向的所有像素的數值進行合計，求出所合計的Y方向上的各像素的數值，從而形成針對像素的Y方向的直方圖數據的步驟(s;3)；對連續的拍攝影像中的各個拍攝影像，反覆且連續執行針對像素的Y方向的直方圖數據的形成步驟，並對時間上具有前後關係的拍攝影像相互比較直方圖數據，判斷所述時間上具有前後關係的拍攝影像間的直方圖數據中是否產生了規定的增加值以上的差的步驟(S4)；以及將開始產生規定的增加值以上的差的像素作為位於液體的邊界面的像素，並將該像素的Y方向位置(高度)識別為液體邊界面的步驟(S5)。本發明的液體高度識別裝置，根據通過影像取得裝置以包含液體邊界面的方式連續拍攝水位標而取得的影像，識別液體邊界面，並決定液體的高度，其特徵在於包括影像接收部，從影像取得裝置接收以包含液體邊界面的方式連續拍攝水位標而得到的影像； 主控制部，根據所拍攝的影像，決定液體的高度；以及攝影信號控制模塊，通過主控制部的控制，使影像取得裝置動作；主控制部通過上述的本發明的液體邊界面識別方法來決定液體的高度。下面，參考附圖詳細說明本發明的優選的實施方式。圖1和圖2分別作為可具有使用了分別是本發明的一實施方式的液體邊界面的識別方法的液體高度識別裝置的液體高度測量裝置的一例，是表示韓國的專利註冊第 10-778014號中公開的液體高度測量裝置的結構的概要圖和模塊結構圖。使用本發明的液體邊界面識別方法、可具有本發明的液體高度識別裝置的液體高度測量裝置如圖1及圖2、以及韓國的專利註冊第10-888014號所公開那樣，構成為包括 水位標101，顯示有由數字構成以使視覺上識別液體的高度的主刻度、以及由代碼構成以進行條形(bar)顯示的副刻度，以垂直浸入到液體中的方式設置；影像取得裝置10，2拍攝水位標101的表面；以及液體高度識別裝置103，接收由該影像取得裝置102拍攝的影像並識別液體105的邊界面，從而決定液體105的高度。上述的液體高度識別裝置103可以構成為包括影像接收部203，接收由影像取得裝置102拍攝的影像；主控制部201，根據拍攝到的影像，來決定液體的高度；以及攝影信號控制模塊(module) 202，通過主控制部201的控制，使影像取得裝置102動作。圖1和圖2 中，附圖標記101是水位標，附圖標記102是影像取得部，附圖標記103是高度識別部，附圖標記104是中央管理裝置，附圖標記105是液體，附圖標記107是支撐臺。此外，附圖標記 201是主控制部，附圖標記202是攝影信號控制模塊202，附圖標記203是影像接收部，附圖標記204是傳輸單元。附圖標記205是照相機(camera)，附圖標記206是雲臺(pan-tilt)， 附圖標記207和208分別是照明裝置和透鏡控制模塊。上述的各構成要素已經全部公開在韓國的專利註冊第10-778014號中，所以通過援引該專利的內容而省略對此的反覆說明。本發明的液體邊界面識別方法由上述的主控制部201執行。即，本發明的液體高度識別裝置103的主控制部201通過本發明的液體邊界面識別方法來識別液體邊界面並測量液體高度。如後所述，本發明的液體高度識別裝置103的主控制部201通過與上述專利註冊第10-778014號所公開的主控制部201不同的液體邊界面識別方法來識別液體的邊界接著，說明本發明的液體邊界面識別方法。圖3表示用於說明本發明的液體邊界面識別方法的各方法步驟的流程圖。圖4表示在水位標101上以包含液體501的邊界面的方式取得的影像的一例。圖4中，附圖標記502是副刻度。本發明的液體邊界面識別方法以在水位標101上取得了包含液體邊界面的影像的狀態為前提。S卩，通過影像取得裝置102，連續取得如圖4所示的以包含液體邊界面的方式拍攝水位標101的影像，在所取得的影像傳輸到高度識別裝置103的狀態下，通過本發明的液體邊界面識別方法來測量液體邊界面。通過影像取得裝置102連續取得以包含液體邊界面的方式拍攝水位標101的影像、將所取得的影像傳輸到包含本發明的液體邊界面識別裝置的高度識別裝置103的方法步驟及結構的一例公開在韓國的專利註冊第10-778014號中，這裡，通過援引其內容而省略對此的反覆說明。在本申請中，例示了本發明的液體邊界面識別裝置和液體邊界面識別方法中使用的水位標101的連續拍攝影像、即以包含液體邊界面的方式連續拍攝水位標 101而得到的影像是通過專利註冊第10-778014號所公開的方法來取得的情況，但是本發明並不限於此。因此，在本發明的液體邊界面識別方法及液體邊界面測量裝置中能夠利用通過其他方法以包含液體邊界面的方式連續拍攝水位標101而取得的影像。本發明中，根據在不同時間以包含液體邊界面的方式拍攝水位標101而得到的影像，基於隨時間經過而發生的顏色濃度的變化來測量液體邊界面。即，對於以一定的時間間隔拍攝水位標101而得到的各個影像，比較之前時間拍攝的影像的基於顏色濃度的直方圖數據和之後時間拍攝的影像的基於顏色濃度的直方圖數據，並感知是否發生了顏色濃度的變化(直方圖數據間的變化)，從而識別液體邊界面。更具體地說明本發明的液體邊界面識別方法和液體邊界面識別裝置。在連續拍攝並取得以包含液體邊界面的方式拍攝水位標101的影像的狀態下，本發明的液體邊界面識別裝置執行如下步驟(Si)對以包含液體邊界面的方式拍攝而得到的影像進行灰度圖像處理(將拍攝影像做成黑白影像的操作)，並將沿X方向和Y方向分布的各像素按照濃度進行數值化。這裡，X方向表示水位標的水平方向，Y方向表示水位標的高度方向、即垂直方向 (液體的水位上升/下降的方向)。這樣，作為本發明的液體邊界面識別方法的第1步驟， 執行像素濃度的數值化步驟(Si)，將以包含液體邊界面的方式拍攝而得到的影像做成黑白影像(灰度圖像處理)，並將由此產生的黑白影像中存在的各像素的濃度(黒白影像的濃淡)數值化。一般而言，黑白影像的各像素的濃度具有約O 255的值。這種拍攝影像的灰度圖像處理和將各像素按照濃度進行數值化的方法在影像處理領域中為公知的，所以省略其詳細說明。在如夜間那樣照射水位標的光量不足因而拍攝到的影像的亮度為事先設定的亮度以下的情況下，在本發明的液體邊界面識別裝置中通過影像的二值化處理來執行影像的邊緣處理。圖5是用圖表示邊緣處理前的拍攝影像的圖，圖6是用圖表示邊緣處理後的拍攝影像的圖。從圖5和圖6可知，如果對拍攝影像進行邊緣處理，則水位標上顯示的數字和字符的邊緣被表現得更粗且更鮮明，所以即使因如夜間那樣光量不足而獲得了較暗的影像，也能夠更容易地識別出刻度上顯示的數字等。一般，如果對在光量不足的夜間拍攝的影像僅進行灰度圖像處理，則各影像的像素的濃度變化會持續變化。例如，隨時間經過，發生像素變亮等的現象。像這樣，如果像素濃度隨時間經過持續變化，則難以檢索準確的液體邊界面，但是在如上所述執行邊緣處理的情況下，隨時間經過引起的影像中的像素濃度變化被消除。由於對拍攝影像進行邊緣處理的具體方法是影像處理領域中已知的影像處理方法，所以省略有關其具體內容的說明。在本發明的液體邊界面識別裝置中，執行如下的步驟(S》從將各像素數值化後的影像中，在水位標101起始的點上以X方向的座標為基準，利用已知的主刻度的X方向的寬度和副刻度的X方向的寬度，僅提取在X方向上顯示了主刻度和副刻度的區域的影像。若提取與顯示了主刻度和副刻度的區域(「刻度區域」)對應的影像，則執行如下步驟(S； )根據所提取的刻度區域的影像，將沿Y方向位於同一位置的X方向的所有像素的數值進行合計，並使用沿X方向由所有像素的數值的合計構成的Y方向上的各像素的數值，來形成針對像素的Y方向的直方圖數據。例如，若假設在X方向上排列有m個像素，在 Y方向上排列有η個像素，則對像素Pxy求出像素Pll到像素Riil的各像素的數值合計，並求出像素Ρ21到像素Riil的各像素的數值合計。通過反覆進行這種求出各像素的數值合計的操作來求出像素Pln到像素Pmn的各像素的數值合計，從而獲得「沿X方向由所有像素的數值合計構成的Y方向上的各像素的數值」。作為針對像素的Y方向的直方圖數據，使用這樣獲得的「沿X方向由所有像素的數值合計構成的Y方向上的各像素的數值」。對於連續的拍攝影像中的各個拍攝影像，反覆且連續執行這種針對像素的Y方向的直方圖數據形成步驟(S3)，並對前後的影像執行相互比較直方圖數據的步驟(S4)。例如，對於在時間tl拍攝到的影像形成針對像素的Y方向的直方圖數據，對於在時間tl之後的時間t2拍攝到的影像形成針對像素的Y方向的直方圖數據，並比較時間tl的直方圖數據和時間t2的直方圖數據。通過這種與時間的前後影像有關的直方圖數據的比較步驟，判斷是否發生了規定的增加值以上的差。該情況下，本發明的液體邊界面識別裝置將直方圖數據間的差開始成為規定的增加值以上的像素作為位於液體的邊界面的像素，而將該像素的Y方向的位置(高度)識別為液體邊界面(S5)。像這樣，若識別為液體的邊界面，則接著計算液體邊界面的高度。計算液體邊界面的高度的具體方法的一例，在韓國的專利註冊第10-778014號中詳細公開。S卩，在識別液體邊界面的影像中，識別水位標上顯示的主刻度的數字，並在識別出的數字中決定最小值和每像素的高度值，對從液體邊界面到與最小值相應的數字為止的在垂直方向上的像素數進行計數，並乘以每像素的高度值，從而算出最小值到液體邊界面的距離，並從該最小值減去算出的距離而算出實際的液體高度。對於液體邊界面的高度運算過程的一例的其他事項， 由於援引了上述專利註冊第10-778014號的內容，所以省略其反覆說明。如上所述，本發明的液體邊界面識別方法和液體邊界面識別裝置中，從連續拍攝的對於液體邊界面的影像中，利用在時間上具有前後關係的拍攝影像間發生的針對Y方向像素的直方圖數據的變化，來識別液體邊界面。如前面的「背景技術」中所談到的那樣，在現有技術中，在指定時間拍攝到的影像中，僅檢查Y方向上的顏色濃度，並將顏色濃度在Y方向上從上到下或從下到上急劇變化的位置識別為液體邊界面。因此，發生了上述提及的包含(1) 的情況在內的各種難以正確識別液體邊界面的狀況。 相對於此，在本發明中，不僅如現有技術那樣根據靜止狀態的顏色濃度的變化，還根據時間上的顏色濃度的變化來識別液體邊界面。即，比較在時間tl拍攝到的影像的針對像素的Y方向的直方圖數據、與在時間tl之後的時間t2拍攝到的影像的對像素的Y方向的直方圖數據，並將直方圖數據間的差開始成為規定的增加值以上的位置識別為液體邊界面。因此，不會發生在上述那樣難以識別液體邊界面的狀況下誤識別液體邊界面的錯誤，而能夠識別出正確的液體邊界面。例如，在用於測量液體高度的水位標的表面被汙染，水位標上纏掛著漂浮物等的情況下或多級設置了水位標的情況下，靜止狀態下的拍攝影像中，開始汙染的位置或纏掛著漂浮物的位置、或多級連結水位標的位置相當於顏色濃度的急劇變化的位置，現有技術中存在發生將其識別為液體邊界面的錯誤的問題。但是，由於這種汙染開始位置等在短時間內位置不會變化，所以若按照本發明比較不同時間的前後影像間的顏色濃度差、即直方圖數據，則在汙染開始位置上直方圖數據隨時間的變化不足以將其看作液體邊界面。因此， 根據本發明，不會發生將這種汙染開始位置識別為液體邊界面的錯誤。另一方面，由於液體邊界面除了具有顏色濃度急劇變化的特徵之外，一般還具有持續運動的特徵，所以在液體邊界面上不同時間的前後影像間的直方圖數據會出現很大差異。本發明根據這種前後影像間的直方圖數據的差來識別液體邊界面，所以能夠識別出準確的液體邊界面，由此能夠準確測量出液體邊界面的高度。以上，在本發明的詳細說明中說明了具體的實施方式，但是對於具有本技術領域的通常知識的人員而言，在不脫離由權利要求的記載及其等效物決定的本發明的範圍和精神的範圍內能夠進行各種形式和細節的各種改變是顯而易見的。工業實用性本發明可以在液體的高度測量中使用。
權利要求
1.一種液體邊界面識別方法，根據以包含液體邊界面的方式連續拍攝水位標(101)而取得的影像，識別液體邊界面，其特徵在於，包括如下步驟對以包含液體邊界面的方式拍攝而得到的影像進行灰度圖像處理，並將沿X方向和Y 方向分布的各像素按照濃度進行數值化(Si)；從將各像素數值化後的影像中，僅提取對應於從水位標(101)向X方向顯示了主刻度和副刻度的刻度區域的影像(S2)；根據所提取的對應於刻度區域的影像，將在Y方向上位於同一位置的X方向的所有像素的數值進行合計，求出所合計的Y方向上的各像素的數值，從而形成針對像素的Y方向的直方圖數據(S3)；對連續的拍攝影像中的各個拍攝影像反覆且連續執行針對像素的Y方向的直方圖數據的形成步驟，並對時間上具有前後關係的拍攝影像相互比較直方圖數據，判斷所述時間上具有前後關係的拍攝影像間的直方圖數據中是否產生了規定的增加值以上的差(S4)； 以及將開始產生規定的增加值以上的差的像素作為位於液體的邊界面的像素，並將該像素的Y方向位置即高度識別為液體邊界面(S5)。
2.根據權利要求1所述的液體邊界面識別方法，其特徵在於，進一步包括如下步驟 在所拍攝的影像的亮度為事先設定的亮度以下的情況下，在所述拍攝影像的像素數值化步驟(Si)中，通過影像的二值化處理對影像進行邊緣處理，以消除像素的變化，並且明確表示水位標的顯示內容。
3.一種液體高度識別裝置(103)，根據通過影像取得裝置(102)以包含液體邊界面的方式連續拍攝水位標(101)而取得的影像，識別液體邊界面，並決定液體(105)的高度，其特徵在於，包括影像接收部003)，從影像取得裝置(10 接收以包含液體邊界面的方式連續拍攝水位標(101)而得到的影像；主控制部001)，根據所拍攝的影像，決定液體的高度；以及攝影信號控制模塊002)，通過所述主控制部O01)的控制，使影像取得裝置(102)動作；所述主控制部(201)通過以下步驟決定液體的高度，即對以包含液體邊界面的方式拍攝而得到的影像進行灰度圖像處理，並將沿X方向和Y 方向分布的各像素按照濃度進行數值化(Si)；從將各像素數值化後的影像中，僅提取對應於從水位標(101)向X方向顯示了主刻度和副刻度的刻度區域的影像(S2)；根據所提取的對應於刻度區域的影像，將在Y方向上位於同一位置的X方向的所有像素的數值進行合計，求出所合計的Y方向上的各像素的數值，從而形成針對像素的Y方向的直方圖數據(S3)；對連續的拍攝影像中的各個拍攝影像反覆且連續執行針對像素的Y方向的直方圖數據的形成步驟，並對時間上具有前後關係的拍攝影像相互比較直方圖數據，判斷所述時間上具有前後關係的拍攝影像間的直方圖數據中是否產生了規定的增加值以上的差(S4)； 以及將開始產生規定的增加值以上的差的像素作為位於液體的邊界面的像素，並將該像素的Y方向位置即高度識別為液體邊界面(S5)。
全文摘要
本發明提供一種液體邊界面識別方法和使用該方法的液體高度測量裝置，對以包含液體邊界面的方式拍攝而得到的影像進行灰度圖像處理，並將沿X方向和Y方向分布的各像素按照濃度進行數值化，僅提取水位標上在X方向上對應於刻度區域的影像，根據所提取的影像求出將Y方向上的各像素進行合計後的數值而形成對像素的Y方向的直方圖數據，對於時間上具有前後關係的拍攝影像相互比較直方圖數據，並判斷直方圖數據上是否產生了規定的增加值以上的差，將開始產生規定的增加值以上的差的像素在Y方向上的位置(高度)作為液體邊界面來識別並測量。
文檔編號G06T7/00GK102165288SQ201080002701
公開日2011年8月24日 申請日期2010年8月2日 優先權日2009年11月19日
發明者權誠一, 李惠恩, 李瓚柱, 柳民旭, 金東求, 金源 申請人:韓國建設技術研究院