屠佳佳，李 莎，張永超

（1.浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310053；2.杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020；3.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310017）

0 引 言

水位作為水雨情最關(guān)鍵的數(shù)據(jù)之一，是水利工程管理的重要依據(jù)[1-2]。目前，在水位監(jiān)測(cè)領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)基于圖像處理、機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的水位識(shí)別技術(shù)并開(kāi)始試點(diǎn)應(yīng)用，但大多數(shù)是對(duì)常規(guī)水位尺刻度進(jìn)行識(shí)別，從而得到水位[3-5]。這種方式獲取的水位尺圖像處理算法復(fù)雜、運(yùn)算量大，導(dǎo)致水位識(shí)別存在耗時(shí)長(zhǎng)、硬件配置要求高、成本高等問(wèn)題，并且受天氣、光線等環(huán)境因素干擾大，很難實(shí)現(xiàn)大面積推廣應(yīng)用。針對(duì)以上情況，有研究人員提出二維碼水位尺和由圓組成的水位尺等[6-7]，但仍然存在計(jì)算識(shí)別復(fù)雜的問(wèn)題。

另一方面，圖像識(shí)別水位技術(shù)的推廣應(yīng)用雖然存在一些問(wèn)題，但毋庸置疑是未來(lái)的發(fā)展方向。近年來(lái)，浙江省水文管理中心通過(guò)大量研究論證，結(jié)合浙江省實(shí)際情況在國(guó)內(nèi)率先提出適用范圍廣、可操作性強(qiáng)的《圖像識(shí)別水位觀測(cè)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》地方標(biāo)準(zhǔn)[8]，可見(jiàn)水利部門已經(jīng)意識(shí)到圖像識(shí)別水位的重要性，而且預(yù)期市場(chǎng)規(guī)模龐大。因此，本文結(jié)合圖像識(shí)別水位的背景和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，提出一種新型水位尺并對(duì)其圖像識(shí)別方法進(jìn)行研究，為更好地推廣圖像識(shí)別水位技術(shù)提供新的思路和方法。

1 新型水位尺設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型水位尺的設(shè)計(jì)包括形狀、顏色、背景、外觀等的合理設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)水位尺相比，新型水位尺設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)要求如下：第一，根據(jù)圖像處理的原理，選擇視覺(jué)終端能輕易識(shí)別的圖形進(jìn)行設(shè)計(jì)，例如圓形、三角形、正方形等，通過(guò)圖形的形狀和個(gè)數(shù)能巧妙識(shí)別并轉(zhuǎn)換成水位；第二，選擇能夠大大降低環(huán)境因素影響的背景顏色，保證水位測(cè)量的準(zhǔn)確性與可靠性；第三，降低或不增加圖像識(shí)別水位尺的總體成本。

根據(jù)水位測(cè)量、圖像處理的原理及原則，設(shè)計(jì)新型水位尺來(lái)代替原有的傳統(tǒng)型水位尺，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。新型水位尺由20個(gè)完全相同、正立、首尾相連、縱向排列的全黑正三角形組成，每個(gè)三角形的高度為5.0 cm，組成的水尺高度正好為1.0 m。為方便管理人員現(xiàn)場(chǎng)查看數(shù)據(jù)，左側(cè)設(shè)置0～9的水位刻度數(shù)值，圖像處理時(shí)可不進(jìn)行識(shí)別。全黑正三角形設(shè)計(jì)采用表面光滑但不反光的材料，不易沾染油污和吸附灰塵，安裝方式與傳統(tǒng)水位尺類似，簡(jiǎn)單方便。

圖1 水位尺結(jié)構(gòu)示意圖

在圖像處理中，黑色是比較容易識(shí)別的顏色，正三角形是比較容易識(shí)別的形狀，而且水位測(cè)量時(shí)，液面以上部分仍然是三角形。因此，采用全黑正三角形的方式設(shè)計(jì)新型水位尺，拍攝圖像的特征信息明顯，有助于減少視覺(jué)終端的計(jì)算量，可降低設(shè)備配置要求，從而降低成本，提高性價(jià)比，而且安裝方便、使用靈活，相比現(xiàn)有水位尺的識(shí)別，更易實(shí)現(xiàn)大面積推廣應(yīng)用。

1.2 工作原理

1.2.1 理論推導(dǎo)

新型水位尺水位識(shí)別的理論推導(dǎo)如下：

假設(shè)水位尺總高度為L(zhǎng)，全黑正三角形的高為h，當(dāng)液面在處于圖2位置時(shí)，即EF所在平面為液面與正三角形的接觸面，AB、AC、BC為正三角形的3條邊，D為正三角形BC邊的中點(diǎn)，G為接觸面EF的中點(diǎn)。

圖2 液面位置處的正三角形圖

假設(shè)此時(shí)圖像識(shí)別的液面以上完整的全黑正三角形個(gè)數(shù)為m，那么可知當(dāng)前水位：

而根據(jù)三角形相似定理可得：

再根據(jù)勾股定理計(jì)算可得：

將式（5）代入式（3）得：

1.2.2 實(shí)際算法

由于水位監(jiān)測(cè)站現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，工業(yè)相機(jī)與水位尺之間多為俯視狀態(tài)，測(cè)試時(shí)采用10個(gè)高為5.0 cm的正三角形組成高度為0.5 m的水位尺，并進(jìn)行圖像采集，得到的實(shí)際水位尺圖像見(jiàn)圖3。由圖3可知，在實(shí)際采集到的水位尺圖像中，由上到下的正三角形周長(zhǎng)逐漸減小，圖像識(shí)別時(shí)如果采用理論推導(dǎo)算法將產(chǎn)生誤差。

圖3 實(shí)際水位尺圖像圖

實(shí)際處理算法采用三角形識(shí)別和周長(zhǎng)法進(jìn)行計(jì)算：先利用圖像處理技術(shù)識(shí)別得到水面以上的正三角形個(gè)數(shù)n（0＜n≤10），再識(shí)別第n+1個(gè)正三角形的邊與水面組成的新三角形周長(zhǎng)，即可計(jì)算出水位刻度。假設(shè)第n+1個(gè)識(shí)別正三角形的周長(zhǎng)為3x，那么水位刻度值H’的計(jì)算公式為：

對(duì)比公式（7）和（8）可知：理論計(jì)算與實(shí)際識(shí)別時(shí)出現(xiàn)的差值是由與液面接觸的三角形產(chǎn)生的。理論計(jì)算時(shí)，1～10個(gè)正三角形與液面接觸時(shí)的高度相同，而實(shí)際識(shí)別時(shí)則由上到下逐漸減小。

2 圖像識(shí)別測(cè)試

2.1 識(shí)別流程及算法

水位采集過(guò)程主要包括水位尺圖像采集、圖像處理、圖像識(shí)別、水位輸出等步驟，其核心內(nèi)容是水位尺刻度的識(shí)別。根據(jù)水位識(shí)別過(guò)程設(shè)計(jì)的流程見(jiàn)圖4。

圖4 圖像識(shí)別水位流程圖

圖像識(shí)別得到與液面接觸的三角形的周長(zhǎng)之后，除以3可得到與液面的接觸線長(zhǎng)度。全黑三角形個(gè)數(shù)和與液面接觸線長(zhǎng)度都識(shí)別后，計(jì)算得到水位值。

水位識(shí)別過(guò)程中主要用到的圖像處理算法為圖像灰度化、二值化、腐蝕與膨脹、取反、輪廓檢測(cè)、三角形個(gè)數(shù)識(shí)別與三角形周長(zhǎng)識(shí)別等。

2.2 水位尺識(shí)別測(cè)試

水位尺識(shí)別測(cè)試分為理論圖像測(cè)試和實(shí)際圖像測(cè)試。

2.2.1 理論圖像測(cè)試

理論圖像測(cè)試采用Visio軟件設(shè)計(jì)水位尺圖像，利用Matlab軟件進(jìn)行圖像處理實(shí)驗(yàn)，圖像處理情況見(jiàn)圖5。由圖5可知，圖像處理后成功完成水尺識(shí)別，并清晰繪制各三角形的輪廓。

圖5 模擬圖像處理結(jié)果圖

2.2.2 實(shí)際圖像測(cè)試

實(shí)際圖像測(cè)試時(shí)，將Visio軟件設(shè)計(jì)的水位尺進(jìn)行打印、安裝，然后采集實(shí)際圖像，再利用Matlab軟件進(jìn)行圖像處理實(shí)驗(yàn)，圖像處理情況見(jiàn)圖6。由圖6可知，圖像處理后成功完成水尺識(shí)別，并清晰繪制各三角形的輪廓。

圖6 實(shí)際圖像處理結(jié)果圖

2.3 水位識(shí)別測(cè)試

進(jìn)行水位識(shí)別測(cè)試時(shí)，將設(shè)計(jì)的水尺安裝在水桶中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，圖像處理效果見(jiàn)圖7。圖7中，分圖b）為被分割后有效的水位尺圖像；分圖c）為形狀識(shí)別圖像，通過(guò)形狀識(shí)別可計(jì)算圖形的總周長(zhǎng)；分圖d）中，將三角形圖像進(jìn)行分離，識(shí)別出6個(gè)部分并標(biāo)記，可得到完整三角形個(gè)數(shù)為5個(gè)，即占用高度為25.0 cm。

圖7 水位識(shí)別處理結(jié)果圖

然后分離出第6個(gè)三角形，根據(jù)長(zhǎng)度標(biāo)定以及分圖c）和分圖d），識(shí)別正三角形的邊與水面組成新的三角形周長(zhǎng)，在Matlab的命令行窗口打印出來(lái)的結(jié)果為10.7 cm，計(jì)算出該三角形的高度為3.1 cm左右，由于10個(gè)三角形總高度為50.0 cm，最終得到水位值為21.9 cm。利用卷尺實(shí)際測(cè)得水位值為22.0 cm，誤差0.1 cm，符合水位監(jiān)測(cè)要求。同時(shí)在測(cè)試時(shí)有意增加干擾，水尺第5個(gè)正三角形存在浸泡痕跡，而圖像處理后均可有效避免干擾，由此說(shuō)明該算法的穩(wěn)定性和可靠性。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了由全黑正三角形組成的新型水位尺，液面接觸線以上部分仍然是正三角形，且受天氣環(huán)境等干擾因素影響小。設(shè)計(jì)原理上比其他形狀更加容易識(shí)別，具有更簡(jiǎn)便、更易實(shí)現(xiàn)和易推廣的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)灰度化、二值化、輪廓檢測(cè)、形狀識(shí)別和周長(zhǎng)識(shí)別等簡(jiǎn)單圖像處理過(guò)程即可實(shí)現(xiàn)水位數(shù)據(jù)的快速識(shí)別，而且識(shí)別誤差小，符合水位監(jiān)測(cè)要求，同時(shí)大大降低了處理器的要求，可利用嵌入式終端直接實(shí)現(xiàn)水位識(shí)別，對(duì)推動(dòng)圖像識(shí)別水位技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。