賈偉廣, 吉建華, 馬志剛, 司建文, 李希玲, 劉曉峰
(1.國家海洋標(biāo)準(zhǔn)計量中心,天津 300112; 2.天津大學(xué)仁愛學(xué)院信息工程系,天津 301636)
基于數(shù)字圖像處理的高精度海洋潮位計量檢測技術(shù)
賈偉廣1, 吉建華2, 馬志剛1, 司建文1, 李希玲1, 劉曉峰1
(1.國家海洋標(biāo)準(zhǔn)計量中心,天津 300112; 2.天津大學(xué)仁愛學(xué)院信息工程系,天津 301636)
將數(shù)字圖像處理和數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)用于海洋潮位測量領(lǐng)域。采用DM642作為核心處理器,設(shè)計視頻獲取、編解碼、外部存儲器模塊等硬件電路,通過JTAG仿真接口進行硬仿真;選擇二階識別算子,設(shè)計系統(tǒng)軟件,確保DM642可實時處理CCD獲取得到的潮位視頻。該系統(tǒng)可滿足潮位檢測的高精度、實時性和自動化要求,可檢測的潮位變化量程為0~8 m、最大示值誤差為1.2 mm、測量最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.42 mm。
計量學(xué);潮位檢測;數(shù)字圖像處理;數(shù)字信號處理
海洋潮位屬于海洋近岸和近海觀測的基本要素之一,觀測數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確可靠,對于能否順利開展海洋預(yù)報、涉海工程建設(shè)、海洋科學(xué)研究等業(yè)務(wù)具有極其重要的意義。筆者采用圖像處理方式,在海洋潮位計量標(biāo)準(zhǔn)裝置基礎(chǔ)上,用TI公司的TMS320DM642(以下簡稱DM642)數(shù)字信號處理器(DSP,Digital Signal Processor)作為核心處理器[1,2],設(shè)計電源模塊、視頻獲取、編解碼、視頻顯示等硬件電路,通過JTAG仿真接口進行硬仿真,設(shè)計系統(tǒng)軟件,對來自CCD的海洋潮位進行實時檢測,研發(fā)試驗樣機進行驗證試驗。
在實驗室條件下,基于海洋潮位計量檢測系統(tǒng)(可模擬海洋潮位準(zhǔn)實海況變化),采用DSP實現(xiàn)海洋潮位高精度自動跟蹤和識別功能。海洋潮位計量檢測系統(tǒng)主要由9.5 m水塔、貯水池、中控系統(tǒng)、CCD和潮位識別模塊(DSP)等部分組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗時,中控系統(tǒng)控制水泵和閥門工作狀態(tài)在水塔中模擬海洋潮位變化;與此同時,中控系統(tǒng)驅(qū)動伺服電機實現(xiàn)CCD的升降,實時跟蹤水位變化;CCD通過透明連通軟管獲取潮位視頻信息(包含水位和因瓦標(biāo)準(zhǔn)尺信息),圖像處理系統(tǒng)自動處理潮位視頻信息,并給出實時潮位值。
圖1 系統(tǒng)總體框圖
3.1基于圖像處理的潮位識別技術(shù)
獲取液位直線在CCD中的行像素值ν0,見圖2,同時得到CCD圖像中的因瓦標(biāo)準(zhǔn)尺上2條刻線的行像素值ν1和ν2,利用數(shù)字模式匹配識別方法得到刻線上的兩條刻度值n1和n2,此時液位高度hc為:
圖2 圖像測量系統(tǒng)工作原理圖
3.2潮位圖像處理識別技術(shù)
一階算子在圖像含噪聲時效果較差,難以滿足使用需求;采用先平滑后求導(dǎo)數(shù)的二階算子,具有信噪比大和檢測精度高的優(yōu)點[3,4]。其步驟如下:
①用2D高斯濾波模板平滑圖像
設(shè)f(x,y)是原始圖像,h(x,y,σ)為高斯平滑濾波模板函數(shù),則平滑后的圖像g(x,y)可由h(x,y,σ)和f(x,y)卷積運算得到:
g(x,y)=h(x,y,σ)*f(x,y)(3)
②計算濾波后圖像梯度的方向和幅值
濾波后圖像梯度是g(x,y)關(guān)于x和y的偏導(dǎo)數(shù)f′x(x,y)和f′y(x,y),使用2×2一階有限差分式分別計算:
式中Gx、Gy是在2×2正方形求解有限差分均值時的系數(shù)。將計算結(jié)果從直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到極坐標(biāo)系,可以得到濾波后圖像梯度的幅值M[x,y]和方向θ[x,y]:
幅值M[x,y]反映圖像的邊緣強度,取得局部極大值點的方向就是邊緣方向。
③對梯度幅值應(yīng)用非極大值抑制(NMS,Non Maxima Suppression)
由已知的局部極大值點還不能完整地確定邊緣,需要保留局部極大值點,同時將非局部極大值點置0得到細(xì)化邊緣[5]。在每一點上,此點像素幅值M[x0,y0]與梯度線兩側(cè)兩個像素幅值M[x1,y1]和M[x2,y2]相比,若M[x0,y0]不大于兩個像素幅值,則令M[x0,y0]=0。
④用雙閾值法檢測和連接邊緣
選取高閾值GthH和低閾值GthL,令GthH=0.4 GthL[6]。將梯度值小于GthH和GthL的像素灰度值都設(shè)為0,可分別得到圖像I1和I2;以圖像I2(去除大部分噪聲但損失部分有用的邊緣信息)為基礎(chǔ),以圖像I1(保留較多的邊緣信息)為補充來連接圖像的邊緣。
圖像處理包括DM642核心模塊(編解碼、存儲芯片)、CCD、顯示屏模塊[7,8],這是本研究的核心部分,將日益成熟的視頻圖像識別技術(shù)引入到潮位計量檢測工作中,實現(xiàn)了海洋潮位高精度、自動化識別技術(shù),體現(xiàn)了一定的交叉創(chuàng)新能力。連接方式見圖3。
圖3 硬件連接框圖
DM642核心模塊工作流程如下:系統(tǒng)上電后從Flash加載應(yīng)用程序,完成系統(tǒng)初始化;CCD攝像頭采集海洋潮位視頻圖像信息,解碼芯片TVP5150將PAL格式的視頻信號通過VP0口傳輸給DM642;DM642一邊從SDRAM中讀取視頻信號進行刻度匹配和潮位識別處理,同時將處理后的圖像信息通過VP2口傳給編碼芯片SAA7121H,輸出到外部液晶顯示器。
4.1硬件系統(tǒng)設(shè)計
采用SAA7121H芯片將DM642處理以后的視頻信號進行編碼,然后發(fā)送給PAL制式顯示器[9]。首先將視頻數(shù)據(jù)流通過DM642的VPO[9∶21]接口送至SAA7121H的MP[7∶0]接口,經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換為模擬的視頻信號實時顯示,DM642處理器通過I2C接口配置SAA7121芯片內(nèi)部各個寄存器。
先配置TVP5150內(nèi)部寄存器,通過I2C接口實現(xiàn)寄存器的讀寫功能。PAL制式模擬攝像頭采集到的潮位視頻圖像形成25幀/s的標(biāo)準(zhǔn)視頻流,圖像分辨率為720像素×576像素,每幀圖像分奇偶兩場[10];TVP5150會將模擬視頻信號被轉(zhuǎn)換為YUV 4∶2∶2模式的數(shù)字色差視頻信號,輸出格式為BT.656,通過VP1接口輸入DM642內(nèi)核[11]。
4.2程序運行效果
潮位視頻信息經(jīng)過DM642運算以后結(jié)果如圖4所示,圖中可清晰得到實時識別出來的潮位線(水平橫線)和因瓦標(biāo)準(zhǔn)尺(框選數(shù)字8),其中左側(cè)是與水塔相連的透明軟管、右側(cè)是用于判讀潮位值的因瓦標(biāo)準(zhǔn)尺。
圖4 潮位視頻信息
5.1試驗數(shù)據(jù)分析
①測量準(zhǔn)確度分析
為評價DSP圖像處理技術(shù)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo),進行潮位測量數(shù)據(jù)的示值誤差(E)試驗,示值誤差越小,表示樣機準(zhǔn)確性越高。若計量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備獲取的潮位值(即標(biāo)準(zhǔn)值)為xT,樣機示值為xt,則示值誤差可由式(7)求得。
根據(jù)《JJG 587—1997浮子式驗潮儀》檢定規(guī)程要求,試驗過程中選取9個試驗點位:0、1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m和8 m;試驗過程嚴(yán)格依照試驗操作規(guī)程的相關(guān)要求進行,包括潮位上升和潮位下降兩個過程,潮高示值誤差如表1所示。
表1 海洋潮位值示值誤差試驗結(jié)果mm
②測量重復(fù)性分析
通過測量重復(fù)性試驗得到標(biāo)準(zhǔn)偏差σ,σ越小表示樣機重復(fù)性越高。若樣機示值的樣本值為xi,均值為μ,每個試驗點位進行重復(fù)測試的次數(shù)為N,則標(biāo)準(zhǔn)偏差為:
為提高試驗可信度,選取3個試驗點位:2 m、4 m和7 m;包括潮位上升和下降2個過程,試驗數(shù)據(jù)見表2所示,可以得出,最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.42 mm。
表2 潮位檢測重復(fù)性試驗結(jié)果mm
5.2主要技術(shù)性能評價
主要包括測量準(zhǔn)確度和重復(fù)性兩方面:在測量準(zhǔn)確度方面,對試驗數(shù)據(jù)進行數(shù)值修約和分析處理后,可以得到最大示值誤差的絕對值為1.2 mm,優(yōu)于目前海洋潮位計量檢測裝置的指標(biāo)(2 mm),這表明采用DSP進行潮位圖像處理和潮位值識別是完全可行的,并且具有潮位識別準(zhǔn)確度較高、可靠性較好和測量速度較快的優(yōu)點;在測量重復(fù)性方面,可以得出最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.42 mm,根據(jù)測量數(shù)據(jù)分析結(jié)果,可以確定測量重復(fù)性也得到較大程度提高。
利用DM642適合高速數(shù)字圖像處理的特點,實現(xiàn)海洋潮位高精度實時識別處理,較好地解決了海洋潮位實時、高精度和自動化測量技術(shù)問題,本研究實現(xiàn)的潮位檢測技術(shù)具有測量范圍大、精度高的優(yōu)點,測量范圍0~8 m,測量準(zhǔn)確度優(yōu)于1.2 mm??梢越M成一套完善的海濱潮位計量檢測平臺。
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Hardware Technology of High Accuracy Measurement System for Ocean Tide Based on Image Processing
JIA Wei-guang1, JI Jian-hua2, MA Zhi-gang1, SI Jian-wen1, LI Xi-ling1, LIU Xiao-feng1
(1.National Center of Oceanographic Standards and Metrology,Tianjin 300112,China;2.Department of Information Engineering,Tianjin University Ren’ai College,Tianjin 301636,China)
In order to further enhance the measurement and evaluation level of the ocean tide,an introduction of digital image processing and digital signal processor technology in the field is usel.Using DM642 as the core processor,this can have a design of video capture circuit,encoding and decoding circuit,external memory module circuit,hard simulation through JTAG simulation interface,to realize analog/digital conversion,and data transmission functions.At the same time,system software design can ensure that DM642 can achieve the purpose of real-time processing tide video by CCD,and the realization of real time display of tidal level video and high accuracy data.The system can meet the requirements of high precision,real-time tide detection and automation.The tide variation range of detection is 0~8 m,and the maximum error of indication is 1.2 mm,and the measurement maximum standard deviation can less than 0.42 mm.
metrology;tide measurement;digital image processing;digital signal processing
TB938.4
A
1000-1158(2015)05-0513-04
10.3969/j.issn.1000-1158.2015.05.14
2014-02-07;
2014-05-22
國家海洋局青年海洋科學(xué)基金(2012441);國家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項(201005027-2)
賈偉廣(1981-),男,河北邢臺人,國家海洋標(biāo)準(zhǔn)計量中心工程師,碩士,主要從事海洋潮位計量檢測研究。weiguang_2001@163.com