韓 雷，夏麗娟，鄭 鈞

（1.黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150080；2.北京尚水信息技術(shù)股份有限公司，北京 100085）

0 引 言

近幾年，冬季渤海及黃海北部遭受了比較嚴(yán)重的海冰災(zāi)害，直接對(duì)沿海地區(qū)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，造成巨大損失。渤海和黃海海域的海冰在凍結(jié)和融化過(guò)程中，會(huì)引起海況的變化，隨著風(fēng)、海流而漂移形成浮冰，浮冰的運(yùn)動(dòng)給通航和海洋工程結(jié)構(gòu)的正常作業(yè)產(chǎn)生了巨大影響。因此，對(duì)于浮冰運(yùn)動(dòng)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究是十分有意義的。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于浮冰破壞方式和作用現(xiàn)象處于模擬實(shí)驗(yàn)的研究階段，實(shí)驗(yàn)研究的關(guān)鍵點(diǎn)是測(cè)量浮冰的運(yùn)動(dòng)速度、面積等物理參數(shù)。程一軒[1]使用模型冰進(jìn)行浮冰模擬實(shí)驗(yàn)，利用CCD攝像機(jī)抓取運(yùn)動(dòng)圖像，分析計(jì)算得到模型冰的運(yùn)動(dòng)速度和面積，但在計(jì)算浮冰速度與面積的算法上還可以優(yōu)化。浮冰的運(yùn)動(dòng)可以看作是大范圍流場(chǎng)中的顆粒運(yùn)動(dòng)，王興奎[2]、禹明忠[3]等在河工模型測(cè)量流場(chǎng)試驗(yàn)中，基于圖像處理和PTV技術(shù)，采用攝像方式記錄顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，經(jīng)過(guò)圖像處理計(jì)算得出大范圍表面流場(chǎng)。

本文采用多彩色CCD攝像技術(shù)，并結(jié)合圖像處理和PTV技術(shù)建立模型試驗(yàn)的浮冰運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)浮冰的物理形狀、運(yùn)動(dòng)速度等信息進(jìn)行提取，為浮冰運(yùn)動(dòng)的進(jìn)一步研究提供可行的測(cè)試方法及可靠的數(shù)據(jù)支持。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

本系統(tǒng)主要由硬件、軟件兩部分組成。如圖1所示，即通過(guò)多彩色CCD攝像設(shè)備拍攝視頻數(shù)據(jù)，通過(guò)視頻采集卡，將視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)，并由主機(jī)軟件系統(tǒng)對(duì)該圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像處理與PTV計(jì)算，從而獲得浮冰運(yùn)動(dòng)的物理參數(shù)及跟蹤軌跡。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of system

為測(cè)量一定水域的浮冰運(yùn)動(dòng)情況，架設(shè)多個(gè)CCD同步采集。在模型試驗(yàn)中，根據(jù)模型大小及CCD設(shè)備固定在一定高度下的拍攝范圍，確定采用攝像機(jī)的個(gè)數(shù)，從而保證攝像范圍覆蓋到所有研究區(qū)域。本系統(tǒng)中采用的多路視頻采集卡，實(shí)現(xiàn)多路同步采集。為實(shí)現(xiàn)浮冰運(yùn)動(dòng)的精確跟蹤，對(duì)浮冰表面進(jìn)行著色，以提供檢測(cè)的特征值。軟件系統(tǒng)主要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像處理與PTV計(jì)算，獲得浮冰形狀及運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

2 浮冰運(yùn)動(dòng)測(cè)量原理

2.1 浮冰形狀提取及參數(shù)計(jì)算

2.1.1 浮冰形狀提取

采用圖像處理方式獲得圖像中浮冰的邊緣坐標(biāo)，并按一定的次序保存。通常將浮冰的坐標(biāo)按逆時(shí)針?lè)较虮４?，用于精確的計(jì)算浮冰的面積。具體處理流程見(jiàn)圖2。

圖2 浮冰輪廓提取流程圖Fig.2 Flowchart of the floating ice contour extraction

根據(jù)攝像機(jī)的不同，原始采集的圖像數(shù)據(jù)需要進(jìn)行不同程度的轉(zhuǎn)換。如果采用彩色攝像機(jī)，則需要對(duì)圖像進(jìn)行灰度的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為8位的bmp格式灰度圖。通過(guò)閾值化處理，將圖像分成目標(biāo)和背景兩個(gè)領(lǐng)域，根據(jù)指定的一個(gè)閾值，如果圖像中某像素的灰度值小于該閾值，則設(shè)置為0，否則設(shè)置為255。閾值設(shè)置的合適程度，直接影響后續(xù)輪廓提取的難易。通過(guò)腐蝕和膨脹，可以消除一些無(wú)意義的物體，提高圖像的處理速度，多次的腐蝕與膨脹，可以去除偽浮冰。

物體的邊緣是由灰度不連續(xù)性所反映的，經(jīng)典的邊緣提取利用邊緣鄰近一階或二階方向?qū)?shù)變化規(guī)律獲取。本系統(tǒng)采用Sobel算子進(jìn)行圖像的邊緣檢測(cè)[4]，即圖像中的每一個(gè)點(diǎn)都是圖3中的兩個(gè)模版的卷積，兩個(gè)模版中一個(gè)對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)橫向的梯度Gx，一個(gè)對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)縱向的梯度Gy，根據(jù)式（1）可以求得像素點(diǎn)的梯度，從而判斷圖像中是否有邊緣以及邊緣的位置。

圖3 Sobel算子Fig.3 Sobel operators

二值圖像輪廓跟蹤用于提取二值圖像中的目標(biāo)區(qū)域，獲得圖像的外部輪廓特征。系統(tǒng)中采用鏈碼方式獲得圖像輪廓。選擇8－鏈碼編碼方法，首先按照從左至右，從上至下的順序查找輪廓起點(diǎn)；再按照右、右下、下、左下的順序查找第二個(gè)輪廓點(diǎn)；然后按照右、右下、下、左下、左、左上、上、右上的順序查找其它輪廓點(diǎn)，直到找到輪廓起點(diǎn)為止。

對(duì)于圖像中多塊浮冰情況，逐一確定各個(gè)浮冰邊緣中的一點(diǎn)，作為圖像輪廓跟蹤起始點(diǎn)。循環(huán)查詢起點(diǎn)位置，逐個(gè)對(duì)圖像輪廓進(jìn)行跟蹤并保存其像素坐標(biāo)。

2.1.2 浮冰物理參數(shù)計(jì)算

浮冰物理參數(shù)計(jì)算主要計(jì)算浮冰中心坐標(biāo)、長(zhǎng)軸、短軸和浮冰面積。

中心點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算采用已保存的各個(gè)浮冰的輪廓坐標(biāo)，分別對(duì)x和y方向坐標(biāo)累加再求平均的方式獲得各個(gè)浮冰的中心點(diǎn)坐標(biāo)。通過(guò)計(jì)算浮冰的任意兩點(diǎn)的輪廓坐標(biāo)之間的距離，選擇最大距離作為該浮冰的長(zhǎng)軸，與長(zhǎng)軸垂直且兩點(diǎn)距離最短的作為該浮冰的短軸。

浮冰面積利用矢量積推導(dǎo)的任意多邊形面積公式獲得。將浮冰視作任意多邊形，浮冰的輪廓坐標(biāo)作為多邊形頂點(diǎn)坐標(biāo)，利用式（2）即可獲得浮冰面積：

其中S代表m多邊形的面積；x，y分別為多邊形頂點(diǎn)坐標(biāo)。

2.2 浮冰運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量

粒子跟蹤測(cè)速PTV是一種瞬態(tài)全場(chǎng)速度測(cè)量的方法，直接跟蹤流場(chǎng)中的示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)，避免了粒子圖像測(cè)速PIV方法的平均效應(yīng)，具有準(zhǔn)確、直觀的特點(diǎn)[3]。

PTV基本算法是，首先獲取連續(xù)兩幀粒子圖像，時(shí)間間隔Δt一定且足夠短，且被測(cè)速流體的運(yùn)動(dòng)速度在時(shí)間和空間上都沒(méi)有劇烈突變，通過(guò)識(shí)別第一幀圖像（t時(shí)刻）上每個(gè)粒子在第二幀圖像（Δt＋t時(shí)刻）上的位置，計(jì)算兩幀圖像中各粒子與其配對(duì)粒子的形心坐標(biāo)，計(jì)算粒子的運(yùn)動(dòng)位移ΔL，假設(shè)圖像放大率為M，則粒子的速度可以通過(guò)式（3）求得：

因此PTV算法的關(guān)鍵問(wèn)題是如何對(duì)兩幀圖像中的粒子進(jìn)行正確的匹配。系統(tǒng)中采用基于粒徑配對(duì)度和形變配對(duì)度的PTV算法。根據(jù)粒子在兩幀圖像中的最大位移作搜索半徑，以第一幀圖像中粒子的坐標(biāo)為圓心，在第二幀圖像中作圓，通過(guò)粒徑配對(duì)度（Dp）計(jì)算篩選候選粒子，即：

式中dA為待配對(duì)粒子粒徑；dB為配對(duì)候選粒子粒徑。若設(shè)定粒徑配對(duì)閾值為T，而搜索區(qū)域中配對(duì)候選粒子與待配對(duì)粒子的Dp≥T，則該配對(duì)候選粒子保留候選身份[6]。

3 浮冰運(yùn)動(dòng)模擬驗(yàn)證

浮冰初步試驗(yàn)在長(zhǎng)為1.1m，寬0.4m的黑色背景的自動(dòng)傳送帶上完成，攝像機(jī)安裝在距離傳送帶面0.33m的高度上，見(jiàn)圖4。

圖4 試驗(yàn)環(huán)境Fig.4 Experiment environments

采用多塊大小形狀顏色不一的紙片模擬浮冰，手動(dòng)控制傳送帶的運(yùn)動(dòng)方向，從而使浮冰按照擬定的方向運(yùn)行。在浮冰運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，獲取攝像范圍內(nèi)浮冰的輪廓線，并根據(jù)其輪廓線的位置坐標(biāo)，計(jì)算各浮冰的長(zhǎng)軸、短軸和中心點(diǎn)坐標(biāo)等物理參數(shù)。浮冰的中心點(diǎn)視作粒子，計(jì)算浮冰運(yùn)動(dòng)的速度大小及方向。

圖5為浮冰運(yùn)動(dòng)圖像處理過(guò)程。

圖5 浮冰運(yùn)動(dòng)圖像處理過(guò)程Fig.5 Image processing of floating ice motion

4 結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)上述介紹的實(shí)驗(yàn)方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)之前需進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定步驟，即對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行畸變校正與原型坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)采集圖像通過(guò)圖像處理獲得浮冰參數(shù)均為像素坐標(biāo)，通過(guò)系統(tǒng)標(biāo)定系數(shù)轉(zhuǎn)換，將像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為實(shí)際的原型坐標(biāo)及浮冰實(shí)際物理參數(shù)。采用精度為0.02mm的標(biāo)表卡尺對(duì)浮冰進(jìn)行測(cè)量，獲取其準(zhǔn)確的物理參數(shù)，用于與本系統(tǒng)計(jì)算的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。表1列出圖5中著色為紅色的浮冰的物理參數(shù)的對(duì)比情況。由于面積算法的優(yōu)化，與之前采用最大外接矩形獲得面積方式[5]所計(jì)算的面積誤差率明顯降低。

表1 浮冰物理參數(shù)對(duì)比Table1 Comparison of the physical parameter of floating ice

5 結(jié) 論

本文開(kāi)發(fā)了一種基于多彩色CCD圖像處理的浮冰測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)浮冰運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)量的模擬檢測(cè)。通過(guò)對(duì)采集的浮冰圖像進(jìn)行數(shù)字圖像處理，可以獲得浮冰輪廓精確的像素位置；通過(guò)提取的浮冰輪廓可計(jì)算浮冰的中心點(diǎn)坐標(biāo)、長(zhǎng)軸、短軸、面積等物理參數(shù)；利用PTV技術(shù)，將浮冰中心點(diǎn)看作待測(cè)粒子，可以計(jì)算出浮冰的運(yùn)動(dòng)流速。

本系統(tǒng)在浮冰的跟蹤中仍存在不足，比如采用顏色作為特征值導(dǎo)致試驗(yàn)浮冰個(gè)數(shù)受到限制；如果浮冰形狀相似度很大時(shí)，系統(tǒng)將很難保證對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確分辨等，這些尚需在今后的工作中逐漸完善。

[1]程一軒，賈 青，王國(guó)玉，等.浮冰對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)撞擊作用力的物理模擬方法 [J].水利測(cè)量技術(shù)，2008，（6）：9.

[2]王興奎，龐東明，王桂仙，等.圖像處理技術(shù)在河工模型試驗(yàn)流場(chǎng)量測(cè)中的應(yīng)用 [J].泥沙研究，1996，（4）：21-26.

[3]禹明忠.PTV技術(shù)和顆粒三維運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究 [D].北京：清華大學(xué)，2002.

[4]何 斌，馬天予，王運(yùn)堅(jiān).Visual C＋＋ 數(shù)字圖像處理 [M].北京：人民郵電出版社，2002.

[5]夏麗娟，任明軒，鄭 鈞.基于圖像處理和PTV技術(shù)的浮冰運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng) [A].水利測(cè)量技術(shù)論文選集：第七集 [C].鄭州：黃河水利出版社，2010.

[6]胡永亭，邵建斌，陳 剛.幾種PTV算法的比較研究[A].第二十一屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)暨第八屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議暨兩岸船舶與海洋工程水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)文集 [C].北京：海洋出版社，2008.