[發明專利]一種基于邊緣識別與最大序列密度估計的河道流速測量方法

有效

• 申請號: 202010588422.0
• 申請日: 2020-06-24
• 公開（公告）號: CN111798386B
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發明（設計）人: 黃凱霖;陳華;劉炳義;劉維高
• 申請（專利權）人: 武漢大學;武漢大水云科技有限公司
• 主分類號: G06T5/00
• 分類號: G06T5/00;G06T5/40;G06T7/13;G06T7/40;G06T7/80;G06T7/90;G06F17/16;G06F17/18
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 楊宏偉

1.一種基于邊緣識別與最大序列密度估計的河道流速測量方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、攝像頭架設及現場標定點設置：在待測河岸兩側設置攝像機和標定點；

步驟2、標定點坐標實地測量及河道斷面尺寸測量：使用全站儀對步驟1中架設的標定點進行標定，獲取標定點世界坐標，使用輔助測量儀器測量攝像機姿態參數，獲得標定點的像素坐標，同時利用全站儀對河道斷面進行尺寸的測量；

步驟3、攝像機標定：在通過步驟2之后獲得標定點的像素坐標和空間坐標，通過DLT線性變換建立起二維像素點與三維坐標點之間關系，根據現場標定點世界坐標和對應的世界坐標解析DLT線性方程，找到最優解得到攝像機標定的內外參數；

(x_i^p,y_i^p)＝f(x_i^3D,y_i^3D,z_i^3D)

上式中，為二維像素點坐標，為三維坐標；

步驟4、拍攝河流視頻并生成時空圖像：通過架設的攝像機對河流進行拍攝，在拍攝完成之后的視頻中繪制測速線，通過測速線生成對應的時空圖像；

步驟5、時空圖像預處理：生成時空圖像的紋理效果不明顯，通過直方圖均衡化來增強時空圖像紋理特征，之后通過Canny算子對均衡化之后的時空圖像進行邊緣識別，識別出閉合的多邊形輪廓，識別得到的樣本為p＝{p_i}，其中p_i為每個多邊形端點坐標集合

步驟6、局部封閉區間斜率：為了求出時空圖像的測速線的斜率，通過對于構成封閉多邊形的邊緣點列進行嶺回歸分析，求得回歸的直線斜率序列W＝{w₁,w₂...w_n}；

步驟7、時空圖紋理傾角：在步驟6的基礎上，對于求得的序列W進行最優子區間的估計，以最優子區間內的序列平均值作為流速的估計值；

步驟8、河流表面流速：據前述步驟所計算出的斜率估計值，結合河面波紋紋理像素點在固定時間內的運動距離以及攝像機的幀率，可以計算出測速線的平均速度，對多根測速線進行加權平均即可得到河流的表面流速；

所述步驟4中，時空圖像生成的具體方法為：

通過傾斜拍攝的視頻中順著流動方向繪制的流速線，將流速線上像素點的亮度隨時間的變化繪制在一張圖像上，橫軸代表著流速線的長度，縱軸表示時間軸，由此生成的圖像稱為時空圖像。

2.如權利要求1所述的河道流速測量方法，其特征在于：所述步驟2中，在河道的合適位置安裝好攝像機，準備至少6個地面標定牌作為標定點，在河道的兩側布置好標吊牌，保證標定牌在標定期間位置不發生變動的情況下使用全站儀對標定牌的空間坐標進行測量。

3.如權利要求2所述的河道流速測量方法，其特征在于：所述步驟3中，為了確定像素點的坐標與三維坐標的對應關系，確定攝像機模型內部與外部的參數，引入DLT線性變換方法，記攝像機所拍攝圖像中的像素點的坐標為(u,v)，三維空間中對應點的坐標為(x,y,z)，攝像機標定的待定參數記為l_i，變換公式如下：

通過預設的標定點求解上述方程即可完成圖像序列三維坐標點到圖像像素點坐標的變換。

4.如權利要求2所述的河道流速測量方法，其特征在于：所述步驟5中，具體步驟如下：

步驟5.1、攝像機采集到的圖像為三通道RGB，為方便處理，將其轉化為灰度處理，計算的方式為：

步驟5.2、直方圖均衡化，記灰度為i的像素點有n_i個，其概率為n為像素點總數，設s與r為變換前后的圖像的灰度級，進行歸一化處理，引入變換函數T如下

經過均衡化的像素值可由未變換前的直方圖算出；

步驟5.3、Canny邊緣識別，首先進行圖像的濾波，采用高斯濾波進行處理；其次進行梯度方向和幅度的求解，采用索貝爾算子進行求解，具體的做法為將圖片的像素矩陣與算子矩陣做卷積：

其中F為圖像的像素矩陣，識別出的閉合多邊形作為后續最大序列密度估計的基礎。