[發明專利]一種基于計算機視覺的流速測定方法

有效

• 申請號: 202110161966.3
• 申請日: 2021-02-05
• 公開（公告）號: CN112862898B
• 公開（公告）日: 2022-03-08
• 發明（設計）人: 甘小皓;鐘璞星
• 申請（專利權）人: 慧目（重慶）科技有限公司
• 主分類號: G06T7/80
• 分類號: G06T7/80;G06F17/16;G01P5/26
• 代理公司: 重慶企進專利代理事務所(普通合伙) 50251
• 代理人: 周輝

1.一種基于計算機視覺的流速測定方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1、在待測速河道上選取測流斷面，并固定架設攝像機進行視頻圖像獲取，調節攝像機角度，使選取的測速斷面完全進入攝像機視野范圍內；

S2、在攝像機視野范圍內的水面上設置標定板，對攝像機的像素坐標與水流平面的物理坐標進行標定，并固定攝像機的攝像角度和焦距；

S3、通過攝像機獲取測流斷面的圖像，根據連續2幀圖像上的關鍵點變化，計算關鍵點基于像素坐標的位移向量，通過所述步驟S2中像素坐標與物理坐標的標定關系轉換得到該關鍵點基于物理坐標的位移向量，結合攝像機的幀率，計算該關鍵點的流速；

所述步驟S2中，攝像機的像素坐標與水流平面的物理坐標的標定關系如下：

q₂∝Hq₁

其中，q₁為攝像機的像素坐標，q₂為q₁所對應點在水流平面的物理坐標，H為q₁和q₂的對應關系矩陣；

所述步驟S3中，對于任一關鍵點I(x,y,t)，在間隔時間dt后的下一幀中移動距離為(dx,dy)，且像素相同，可得到：

I(x,y,t)＝I(x+dx,y+dy,t+dt)

對上式右側做泰勒級數近似，除以dt，可得到：

f_xu+f_yv+f_t＝0

其中，

在關鍵點的周圍選取相鄰像素點，獲得至少3x3的窗口數據，且各像素點均滿足f_xu+f_yv+f_t＝0，使用最小二乘法求取最優解得到：

其中，(u,v)為該關鍵點基于像素坐標的位移向量，下標i代表各像素點；

將關鍵點基于像素坐標的位移向量轉換為水流平面的物理坐標的位移向量：關鍵點在上一幀的像素坐標為(x1,y1)，下一幀的像素坐標(x2,y2)，根據標定關系q₂∝Hq₁，該關鍵點在物理坐標分別為(x1′,y1′)和(x2′,y2′)時計算得到該關鍵點基于物理坐標的位移向量為：

S＝(u′,v′)

其中，u′＝x2′-x1′，v′＝y2′-y1′；

獲取圖像中所有關鍵點基于物理坐標的位移向量，擬合水流的流速方向向量L，將各關鍵點基于物理坐標的位移向量投影到流速方向向量L上，得到該關鍵點在流速方向上的位移D：

D＝S·L/|L|

其中，S·L為向量點乘，|L|為向量模長；

將位移D乘以攝像機的幀率即可得到該關鍵點的流速。

2.如權利要求1所述的基于計算機視覺的流速測定方法，其特征在于，采用如下步驟確定對應關系矩陣H：

將標定關系采用齊次坐標展開表示為：

其中，u₁、v₁和u₂、v₂分別表示像素坐標和物理坐標；

進行歸一化處理，令H₃₃＝1，得到：

對于標定板上的任一匹配點的坐標可得如下方程：

選取標定板上至少四個匹配點的坐標組成方程組，采用RANSAC算法或者最小二乘法得到關系矩陣H的最優解。

3.如權利要求1所述的基于計算機視覺的流速測定方法，其特征在于，所述步驟S3中，在攝像機獲取的測流斷面圖像中，沿河道的寬度方向劃分出呈長條狀的測流區，并在所述測流區內獲取關鍵點。

4.如權利要求3所述的基于計算機視覺的流速測定方法，其特征在于，在所述測流區內，沿河道的寬度方向上，相鄰的兩個所述關鍵點之間的間距小于間距設定值。

5.如權利要求4所述的基于計算機視覺的流速測定方法，其特征在于，將所述測流區沿長度方向等距分割成多個測流子區，所述測流子區的寬度小于所述間距設定值，并在每個所述測流子區獲取至少一個關鍵點。