西秀秀，孫久運(yùn)，汪云甲，張新耐，劉克強(qiáng)

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

閘門是水工建筑的重要組成部分，通常設(shè)置在取水輸水建筑物的進(jìn)、出水口等咽喉要道，通過(guò)靈活可靠地啟閉來(lái)發(fā)揮它們的功能與效益，并維護(hù)建筑物的安全。隨著國(guó)家水利水電事業(yè)信息化建設(shè)的大力推廣，越來(lái)越多的水利工程運(yùn)用各種高新技術(shù)成果建立自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)[1]，同時(shí)對(duì)閘門控制精度及控制效果的要求也越來(lái)越高。閘門開(kāi)度是指閘門底水封到底檻的垂直距離，對(duì)閘門開(kāi)度的監(jiān)測(cè)是閘門監(jiān)控最基本的指標(biāo)之一。傳統(tǒng)的閘門開(kāi)度測(cè)量速度慢、精度低、自動(dòng)化弱[2]，不利于實(shí)時(shí)控制閘門的閉合。近年來(lái)有學(xué)者提出利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)進(jìn)行閘門開(kāi)度檢測(cè)并制作基于圖像識(shí)別的閘門開(kāi)度儀[3]，盡管其監(jiān)控位移難度小，但仍存在測(cè)量精度低、魯棒性不強(qiáng)等缺陷。

針對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)閘門開(kāi)度的困難，本文結(jié)合條碼尺測(cè)量精度高及計(jì)算機(jī)視覺(jué)監(jiān)測(cè)難度小的優(yōu)點(diǎn)，探索基于條碼尺圖像分析的閘門開(kāi)度測(cè)量方法；并針對(duì)目前條碼尺編碼解碼的缺陷，提出一種新的編碼解碼方式進(jìn)行改進(jìn)，最終完成一套實(shí)時(shí)閘門開(kāi)度測(cè)量系統(tǒng)。目前，基于改進(jìn)條碼尺編碼與解碼方案的閘門開(kāi)度測(cè)量方法在國(guó)內(nèi)外水利水電工程應(yīng)用中具有一定的先進(jìn)性，可望產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)效益。

1 閘門開(kāi)度測(cè)量中條碼尺圖像分析

在基于條碼尺的閘門開(kāi)度測(cè)量中，主要通過(guò)對(duì)攝像機(jī)采集圖像幀進(jìn)行處理，識(shí)別數(shù)字條碼尺的碼元信息及檢定基線，提取條碼尺特征值，解碼操作繼而得到閘門開(kāi)度的位移信息。由于采用圖像輸入設(shè)備對(duì)條碼尺圖像進(jìn)行采集，因此與傳統(tǒng)的光電傳感器的識(shí)別方法有所不同，對(duì)條碼尺圖像采集和圖像識(shí)別是其核心內(nèi)容，也是對(duì)條碼尺進(jìn)行解碼的前提。條碼尺圖像采集和圖像識(shí)別主要包括畸變校正、圖像預(yù)處理、條碼尺精確定位和誤差處理4個(gè)步驟。條碼尺圖像分析流程如圖1所示。

1.1 畸變校正

監(jiān)控?cái)z像頭是圖像采集的主要元件，其具有性能穩(wěn)定、全天候拍攝、耗電量小等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中鏡頭或多或少都會(huì)發(fā)生畸變現(xiàn)象，而畸變?cè)谝欢ǔ潭壬峡梢詭?lái)更寬泛的視場(chǎng)角，因而在廣角端畸變會(huì)變得更加明顯。畸變會(huì)使物體失去原有的形狀，對(duì)條形碼的解碼存在較大的干擾，影響其測(cè)量精度，因此需要建立監(jiān)控?cái)z像頭的校正系統(tǒng)，降低畸變對(duì)圖像的影響[4]。具體過(guò)程就是利用監(jiān)控?cái)z像頭標(biāo)定獲得的內(nèi)方位矩陣[5]，建立一個(gè)幾何糾正模型，根據(jù)該數(shù)學(xué)模型結(jié)合重采樣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)圖像的畸變糾正(如圖2所示)，為實(shí)現(xiàn)精度解碼奠定基礎(chǔ)。

圖2 畸變糾正流程

1.2 圖像處理

數(shù)字圖像處理即利用計(jì)算機(jī)處理數(shù)字圖像[6]，其主要內(nèi)容包括對(duì)圖像進(jìn)行噪聲去除、增強(qiáng)、復(fù)原、分割、特征提取等。在本文中，需要對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的條碼圖像進(jìn)行處理以識(shí)別和定位條碼尺，基本思路是首先對(duì)條碼圖像進(jìn)行色彩轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)化為灰度圖，以減少內(nèi)存的開(kāi)支，再將條碼圖像進(jìn)一步處理以提取條碼范圍進(jìn)行解碼操作。因此主要的處理內(nèi)容有：圖像灰度化、圖像濾波、邊緣檢測(cè)、內(nèi)輪廓填充及漫水補(bǔ)充，得到復(fù)雜環(huán)境下的完整條碼尺。在進(jìn)行圖像濾波時(shí)采用中值濾波與雙邊濾波結(jié)合的二級(jí)級(jí)聯(lián)濾波方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)方式下的高斯濾波[7]；根據(jù)條碼尺的邊緣信息將閉合的邊界內(nèi)部進(jìn)行漫水填充，目的是使條碼尺識(shí)別度更高，后期實(shí)現(xiàn)條碼解碼更加準(zhǔn)確。

1.3 條碼定位

在復(fù)雜的環(huán)境背景下，根據(jù)條碼尺固有的特征能夠快速準(zhǔn)確地識(shí)別出條碼尺是計(jì)算閘門開(kāi)度的關(guān)鍵問(wèn)題。條碼定位技術(shù)[8]不僅限于條碼識(shí)別技術(shù)，在編解碼要求上具有更高的難度和復(fù)雜性，且到目前為止，相關(guān)研究文獻(xiàn)較少。通過(guò)圖像處理得到的二值圖進(jìn)行形態(tài)學(xué)膨脹處理，將區(qū)域內(nèi)所含目標(biāo)分別處理成完整的連通域，其中最大的連通域?yàn)闂l碼區(qū)域。當(dāng)含有條碼信息的圖像進(jìn)入監(jiān)測(cè)視場(chǎng)，即可自動(dòng)定位當(dāng)前條碼的位置，進(jìn)行條碼的分析和解碼。

1.4 誤差處理

由于條碼尺在安裝過(guò)程中可能存在人為測(cè)量誤差或由觀測(cè)視角差異導(dǎo)致的條碼尺傾斜，因此需要將條碼尺存在傾斜情況考慮到解碼過(guò)程中，使解碼出的條碼尺位移信息更加精確。在圖像處理中邊緣檢測(cè)已計(jì)算出圖像的邊緣梯度及方向，結(jié)合條碼定位區(qū)域，對(duì)區(qū)域內(nèi)邊緣角度統(tǒng)計(jì)并計(jì)算平均值，得到條碼尺的傾斜角度，進(jìn)而對(duì)條碼尺進(jìn)行傾斜校正。

2 改進(jìn)三周期條碼尺編碼和解碼

由于條碼技術(shù)具有準(zhǔn)確、快速、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)[9-10]，相對(duì)于旋轉(zhuǎn)編碼器具有極高的測(cè)量精度，因此利用條碼尺進(jìn)行閘門開(kāi)度測(cè)量具有優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的條碼尺[11-12]在解碼時(shí)采用碼元所占像素個(gè)數(shù)計(jì)算寬度，識(shí)別碼元所在周期，過(guò)程中像素個(gè)數(shù)識(shí)別差異導(dǎo)致碼區(qū)判斷誤差，在精測(cè)值計(jì)算時(shí)引入垂直放大率[13]均會(huì)導(dǎo)致閘門開(kāi)度測(cè)量精度較低?？紤]到條碼尺的優(yōu)缺點(diǎn)，本文在原有編碼方案基礎(chǔ)上提出一種定量與定性相結(jié)合的方法改進(jìn)條碼尺，主要內(nèi)容包括兩點(diǎn)：一是定義起始碼元長(zhǎng)度為其余碼元的2倍，以起始碼元作為特征碼識(shí)別周期；二是碼元的特征值以碼元中縫隙個(gè)數(shù)表示，代替以碼元寬度表示的特征值，在進(jìn)行解碼時(shí)只要定性識(shí)別間隙的個(gè)數(shù)即可，充分利用間隙來(lái)存儲(chǔ)信息。

2.1 改進(jìn)條碼尺的編碼原理

條碼尺設(shè)計(jì)基本原則是所有碼區(qū)的編碼唯一，為滿足該條件，此處設(shè)立3個(gè)條碼序列且每個(gè)序列內(nèi)部所有元素各不相同，3個(gè)序列為

(1)

式中，A序列的所有元素作為起始碼元，其長(zhǎng)度2L是B、C序列中碼元長(zhǎng)度L的2倍。A、B、C3個(gè)序列均以碼元中間隔出現(xiàn)個(gè)數(shù)作為特征值，其中縫隙長(zhǎng)度和個(gè)數(shù)根據(jù)碼元特征值進(jìn)行設(shè)計(jì)：縫隙長(zhǎng)度定義為黑色塊元的一半，縫隙最大個(gè)數(shù)為碼元特征值的最大值max，則此處間隔的長(zhǎng)度大小Lgap為

Lgap=L/max+2max+2

(2)

Lb=2Lgap

(3)

從3個(gè)條碼序列中各取一個(gè)碼元順序組成碼區(qū)，共有K=x·y·z種不同的碼區(qū)，再將不同的碼區(qū)作置亂加密，將置亂加密后的編碼序列存至條碼尺高度信息—條碼特征數(shù)據(jù)庫(kù)，作為解碼的參照基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，按照此編碼方式的編碼如圖3所示。此編碼中空白間隔大小必須滿足光學(xué)分辨能力。

圖3 改進(jìn)編碼方法示意圖

2.2 改進(jìn)條碼尺的解碼原理

由于條碼尺的特征量是由碼元上間隔數(shù)量所決定的，因此最重要的就是識(shí)別間隔個(gè)數(shù)，相比傳統(tǒng)方式的計(jì)算碼元寬度，采用定性的方式可以更加準(zhǔn)確地求解特征量。因此本文采用定性與定量結(jié)合的方式求解。

粗測(cè)值是根據(jù)圖像處理技術(shù)求解觀測(cè)點(diǎn)所在碼區(qū)內(nèi)所有碼元的間隙個(gè)數(shù)，進(jìn)而得到該周期的碼字，檢索條碼尺高度信息—條碼特征數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的位移信息得出粗測(cè)值。根據(jù)圖4所示，碼元中黑色塊元至空白間隙的變化次數(shù)就是特征值，但是由于起始碼元的長(zhǎng)度是其余碼元的2倍，觀察可知非起始碼元的變化次數(shù)比起始碼元多1，因此在計(jì)算特征值時(shí)必須減去該值，這樣即得到該周期的碼字。與條碼尺高度信息—條碼特征數(shù)據(jù)庫(kù)檢索分析找出對(duì)應(yīng)的碼字，計(jì)算實(shí)際粗測(cè)位移。

精測(cè)值通過(guò)觀測(cè)點(diǎn)所在位置距離當(dāng)前起始條碼與下一周期起始條碼的像素比，由式(4)可知精測(cè)值與實(shí)際長(zhǎng)度的比例與像素比相同。

(4)

式中，a為標(biāo)識(shí)點(diǎn)距離當(dāng)前碼區(qū)起始條碼的像元個(gè)數(shù)；b為標(biāo)識(shí)點(diǎn)距離下一碼區(qū)起始條碼的像元個(gè)數(shù)；Sk為條碼尺高度信息—條碼特征數(shù)據(jù)庫(kù)中每個(gè)周期對(duì)應(yīng)的實(shí)際長(zhǎng)度。則精測(cè)值為

(5)

根據(jù)所求的粗測(cè)值和精測(cè)值，由式(6)即可計(jì)算出觀測(cè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)的實(shí)際位移S的值。此時(shí)解碼結(jié)束。

S=S粗+S精

(6)

圖4 改進(jìn)條碼的解碼示意圖

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為完成閘門開(kāi)度自動(dòng)測(cè)量，本文設(shè)計(jì)了基于條碼尺圖像分析的閘門開(kāi)度測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)組成與計(jì)算流程如圖5所示，其主要分為3部分：視頻采集模塊、條碼尺制作模塊及開(kāi)度測(cè)量系統(tǒng)模塊。視頻采集模塊采集大壩閘門開(kāi)度變化視頻數(shù)據(jù)，同時(shí)將此數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)介_(kāi)度測(cè)量程序進(jìn)行閘門開(kāi)度的位移測(cè)量；條碼尺制作模塊將提出的編碼規(guī)則用于制作周期各異的條碼尺，并將對(duì)應(yīng)的實(shí)際位移信息存儲(chǔ)為“條碼尺高度信息—條碼特征”特征數(shù)據(jù)庫(kù)；開(kāi)度測(cè)量系統(tǒng)模塊主要運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)解譯回傳視頻，識(shí)別與定位視頻數(shù)據(jù)中的條碼尺，提取監(jiān)控點(diǎn)的空間位置特征，通過(guò)查詢特征數(shù)據(jù)庫(kù)檢索監(jiān)控點(diǎn)真實(shí)位置，最終完成閘門開(kāi)度計(jì)算。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)模擬閘門啟閉過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)閘門開(kāi)度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，并結(jié)合其試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

(1) 重復(fù)性檢定。對(duì)本文設(shè)計(jì)的閘門開(kāi)度測(cè)量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其重復(fù)性就是模擬閘門固定在某一位置處的情況下以相同的測(cè)量條件為前提，重復(fù)測(cè)量同一位置的條碼位移，閘門開(kāi)度測(cè)量系統(tǒng)能夠測(cè)到相近讀數(shù)的能力，即對(duì)固定位置處多次檢定，本次試驗(yàn)設(shè)置至少三處固定位置，檢測(cè)其測(cè)量值及誤差。因此，整個(gè)測(cè)量過(guò)程必須在盡量短的時(shí)間內(nèi)完成，以保證在相同的條件下進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1、圖6。

圖5 閘門開(kāi)度測(cè)量系統(tǒng)流程

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(2) 穩(wěn)定性檢定。在模擬閘門模型上設(shè)定4個(gè)固定位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在不同時(shí)間段內(nèi)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量其閘門開(kāi)度量數(shù)據(jù)見(jiàn)表2和圖7，比較測(cè)量結(jié)果的極差(最大值與最小值之差，其代表在不同時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定程度)。

圖6 重復(fù)性檢定結(jié)果分析

3.3 試驗(yàn)分析

根據(jù)表1，對(duì)本文提出的閘門開(kāi)度測(cè)量方法測(cè)量的閘門開(kāi)度位移量與實(shí)際的閘門開(kāi)度位移量進(jìn)行誤差分析，誤差平均值為0.048 mm，方差為0.061 mm，表明其測(cè)量精度高，觀察圖6，表明系統(tǒng)測(cè)量精度不會(huì)隨著位移的增加而變化；表2顯示不同時(shí)間段內(nèi)觀測(cè)值最大極差為0.2 mm，結(jié)合圖7表明系統(tǒng)在不同時(shí)間段內(nèi)穩(wěn)定性良好。由于各采樣點(diǎn)之間的閘門開(kāi)度的檢測(cè)都是獨(dú)立進(jìn)行的，并且每次換算成實(shí)際相對(duì)位移量都是重新進(jìn)行查表，因此不會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差。

表2 穩(wěn)定性測(cè)試數(shù)據(jù)

圖7 穩(wěn)定性檢定結(jié)果分析

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出的改進(jìn)條碼尺編碼與解碼方法能夠改善三周期等間距編碼的缺陷，采用基于改進(jìn)條碼尺圖像處理的方式構(gòu)建閘門開(kāi)度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行閘門開(kāi)度的計(jì)算，由計(jì)算機(jī)直接處理顯示開(kāi)度信息代替人工度數(shù)，實(shí)現(xiàn)了非接觸遠(yuǎn)距離高精度觀測(cè)，大大提高了閘門開(kāi)度自動(dòng)監(jiān)控程度，減少了測(cè)量過(guò)程中的誤差。試驗(yàn)表明，運(yùn)用本研究方法的閘門開(kāi)度測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好。因此，本文方法可為以后閘門的運(yùn)行、測(cè)量提供一種思路和解決途徑。

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