1、图象处理技术在视频液位检测中的应用第 1 章 绪论1.1研究背景1.2液位检测方法的探讨1.3图像处理技术应用于工业检测的现状及发展趋势1.4本文的研究工作概述及难点分析1.4.1 本文的研究工作概述1.4.2 视频液位检测技术的难点分析1.4.3 本文的主要研究内容1.5本文的内容安排第 2 章 系统简介及检测方案设计与处理流程2.1 系统结构2.1.1 系统简介2.1.2 系统结构图2.1.3 液位检测在系统中的地位2.2 液位检测方案的设计2.3 液位检测的流程2.4 小结第 3 章 液位图像的预处理3.1 灰度处理3.2 灰度变换3.2.1 灰度直方图3.2.2 灰度拉伸3.3 边缘检
2、测3.3.1 几种常见的边缘提取算子3.3.2 边缘检测结果分析3.4 图像滤波3.4.1 常用的滤波方法3.4.2 初次滤波3.4.3 第二次滤波 3.5 液位的粗定位3.5.1 积分投影3.5.2 积分投影的改进3.6 小结第 4 章 液位线精确定位4.1 霍夫变换（Hough）检测液位线4.1.1 Hough 变换的原理4.1.2 Hough 变换检测抛物线4.1.3 图像的几何旋转4.1.4 用 Hough 变换精确定位液位4.2 链码跟踪最小二乘拟合4.2.1 链码跟踪检测液位线4.2.2 曲线拟合4.3 几种两种方法的比较4.4 仿真实验结果4.5 总结第 5 章 总结及展望5.1
3、 研究总结5.2 存在的不足5.3 展望第 1 章 绪论1.1 研究背景液位检测是许多部门工作和生产过程中经常遇到的一个重要问题 1。石化、食品加工等行业和部门有许多油罐和盛油的反应锅、需要进行液位测量。从测量时限来说，有的测量时间没有限制，有的却是要求适时的；从测量范围来看，大的可到几十米，小的只有几十厘米；从测量条件来讲，有的简单，有的复杂。有的高温高毒，有的高压高腐，有的液体挥发性很强，有的必须严防带电等等。检测系统是否能检测出液位及检测的精度，将会影响到各个行业的生产、人民的生活是否能安全有序的进行。如：在铸造工业中，浇注过程中，在往浇口杯内装入熔融金属液时，如何实时测出浇口杯内液位，
4、进而控制浇包底部阀门开度，将直接影响到铸件质量；锅炉在运行过程中，汽包水位是其安全运行的指标之一，其测量与监视对于锅炉的安全运行极为重要。水位过高，会影响汽水分离装置的汽水分离效果，使锅炉出口饱和蒸汽的湿度增大，含盐量增多，造成过热器和汽轮机通流部分结垢，天长日久容易引起过热器管壁超温甚至爆管，以及使汽轮机效率降低，轴向推力增大；当水位严重过高时，还将使汽轮机产生水冲击，引起破坏性事故。水位过低，会影响锅炉的水循环，造成局部水冷壁管过热，超温爆管，严重缺水时造成锅炉爆炸。尤其在机炉启停过程中，炉内参数变化很大，水位变动也大 14；水安全和水资源问题也是国家和人民一直关注的问题，每年我国都会因为
5、洪涝灾害损失巨大，建立兼顾防灾和水资源优化管理的保障系统，是现代水利和水利工程管理的需要。安全问题特别是因洪水等自然灾害所引发的突发事故，其危害巨大，因此研建水情安全监控、预测系统，通过对水情及堤坝安全的动态监测、预报，及时发现事故尤其是突发事故先兆，迅速做出反应，实时给予决策支持并实施自动控制，为工程和相关地区提供安全保障；为管理部门提供多层次信息管理和决策支持手段，在兼顾防灾和水资源优化调度基础上实现水资源可持续利用，充分发挥水利工程的效益。1.2 液位检测方法的探讨目前的液位检测方法国际上普遍使用的是自记式水位计，就其感应水位的方式而言可以划分为：一种是接触式的，主要包括浮子式、压力式；
6、一种是非接触式的，主要包括超声波式 2、雷达式等。浮子式是现在水文遥测监控系统中使用最为普遍的一类方法。浮子式，利用重锤带动浮子原理，以感应水位升降;适用于静水井、分水渠道或需精密监控容量之储水池。由于水流中所含推移质和悬移质的原因，特别是洪水季节水流含泥沙较重，经过一段时间的运行，便会出现淤塞进水管，淤积测井的现象，易形成假水位，即进水管部分淤塞经过进水管的水流反应缓慢，造成严重的测井滞后;其二、形成死水位，即进水管完全堵塞或测井淤积超过进水管高度，从而使测井中的水不能与渠道中油水对流；其三、进水管淤塞不便疏通，只有等停水或断流方能实证，而在此期间，可能造成记录水位的断测和测井报废。压力式，
7、通过压力探头，在不同的水深感应不同压力产生相应的电流而测出相应水位的高低，其感应方式容易受外界环境温度变化影响，反映水位的精度往往还受到液体含沙量制约，成本较高，不易推广，电流输出不宜长距离传输。压力式水位计输出为模拟量，尚须经过 A/D 转换。才能与水文遥测监控系统组网使用。超声波式利用超声波在空气介质中传播，遇到物体或液体，在介面处将产生反射并有部分声能被反射至声源，通过测量声波往返传播的飞行时间，利用声波传播速度，可计算得到声源至被测物体或液面的距离。由于受自身感应方式的限制，反映水位的精度也受到体含沙量以及温度变化的制约，因而使用和量程范围狭小，该类仪器受环境影响比较大，误差大，价格昂
8、贵，不宜推广。雷达式 1是利用雷达传感器的天线发射雷达信号，反射回来的回波信号仍由天线接受。当发射的电磁波碰到介质液面就反射回来雷达通过测量发射波与反射波延时时间来确定天线与介质液面之间的距离。这种方法测量油水界面较困难，高精度测量系统较贵。鉴于以上方法的局限性，另外一种技术即数字图像处理技术，则越来越多的应用于液位检测，该技术不需要考虑液体对仪器的腐蚀，不会因为腐蚀而降低测量的准确性，而且随着大规模集成电路、计算机网络技术和多媒体通信技术的发展及硬件价格的降低，使得运用这种方法的成本和维护的费用比传统的方法更低廉，维护起来也更容易。1.3 图像处理技术应用于工业检测的现状及发展趋势 3数字图
9、像处理技术是 20 世纪 60 年代开始发展起来的一门新兴学科。近 40 年来，由于大规模集成电路和计算机技术的迅速发展，离散数学的创立及理论上的不断突破，以及军事、医学和工业等方面应用需求的不断增长，数字图像处理的理论和方法发展迅速，图像处理技术不断完善，不仅在理论研究上取得了很大的进展，而且在许多应用领域受到广泛重视并取得了重大的开拓性成就。属于这些领域的有航空航天、生物医学工程、工业检测、机器人视觉、公安司法、军事制导、文化艺术等。工业检测中在包括汽车制造、制药、电子、包装、印刷、烟草、日化、建材、制币、制卡等在内的几乎所有的现代工业自动化生产中，涉及到各种各样的检验生产监视和零件识别应
10、用，数字图像处理技术可用于电子产品零部件安装质量的检验，如电路板组件中器件的肠缺或错装、元件方向错误、元件移位的检侧，以及 IC 封装(标识字符和引脚的)质量检验，焊缝及内部缺陷检查，产品封装质量(包括标签文字说明正误)的检验，还有机械零件尺寸、圆孔或粒子直径和面积的测量和计算，弹性力学照片的应力分析，流体力学图片的阻力和升力分析，邮政信件的自动分拣，金相分析，交通管制、机场监控，支票、签名、文件识别及辨伪，在一些有毒、放射性环境内识别工件及物体的形状和排列状态，先进的设计和制造技术中采用工业视觉等等。还可以应用于药品、纺织品、印刷品和陶瓷产品等领域的产品质量检验。通常这种带有高度重复性和智能
11、性的工作只能用人的肉眼来完成，但有些时候，如微小的尺寸要做到精确快速测量，形状匹配，颜色识别等，人们根本无法用肉眼连续稳定地进行，其他物理传感器也难以有用武之地。由于人的生理原因，无法避免疲劳、疾病等原因引起的误差和错误，导致效率低下，不利于生产。数字图像处理技术可完成靠人的视觉检测难以胜任的大规模的测试工作，提高生产效率，最大化厂家的生产利润，同时还具有检测速度快、精度高、可靠性强、无接触无损、性价比高和功能扩展容易等优点，数字图像处理技术对工业的发展起到了重要的促进作用。其中值得一提的是研制具备视觉、听觉和触觉功能的智能机器人，将会给工农业生产带来新的激励，目前已在工业生产中的喷漆、焊接、
12、装配中得到有效的利用。数字图像处理技术在各个领域得到了广泛的应用，创造了巨额社会价值；同时还远远不能满足社会需求，自身也在不断完善和发展，有很多新的方面需要探索。它必将向更深入、更完善的方向发展：处理算法更优化，处理速度更快，实现图形的智能生成、处理、识别和理解。图像处理技术未来发展大致可归纳为如下四点:1) 将向着高速、高分辨率、立体化、多媒体化、智能化和标准化方向发展；2) 图像、图形相结合，朝着三维成像或多维成像的方向发展；3) 硬件芯片的研究.4) 新理论与新算法的研究.图像处理特别是数字图像处理经初创期、发展期、普及期及广泛应用几个阶段，如今己是各个学科竞相研究并在各个领域广泛应用的
13、一门学科。1.4 本文的研究工作概述即难点分析1.4.1 本文的研究工作概述视频液位检测通过预先架设好的摄像头采集液位图像，将采集到的图像传输到计算机中，通过数字图像处理技术检测出液位高度。视频液位检测技术中核心技术是从液位图像中准确的识别出液位，液位识别的准确与否，关系着整个液位检测系统的成败。通过对大量的液位图像的研究发现，现实生活中许多液体存放在罐形容器中，如油罐中的油位、铸造工业中的浇口杯内的熔融金属液位、电厂锅炉的气泡水位，圆柱形液位标尺的液位，圆形蓄水池中的液位等，这些容器中的液位由于受到摄像头架设角度和容器的影响，在图像中并不是一条直线，而是一条近似抛物线的曲线，这给液位的检测带
14、来了一定的难度。本文的研究工作主要针对罐形容器中液位的识别。1.4.2 视频液位检测技术的难点分析视频液位检测与传统的液位检测方法比较它具有广泛的适用性，而且精度高，成本低, 安装简单，维护方便等优点。这种方法越来越受到人们的重视，已广泛应用于工业检测中。但视频液位检测系统在对液位实时检测时，由于受到摄像头、光强、阴影、背景等的影响，存在许多问题，主要表现在：（1）噪声问题视频液位检测系统是对液位进行实时检测，检测的环境参数（光强、阴影等）在不断的发生改变，这样就会对检测产生不同的噪声，对于不同的噪声，必须寻找一个有效的方法，来尽可能的去除这些噪声。（2）实时性问题由于视频液位检测的核心算法是
15、在嵌入式系统中运行的，嵌入式系统要求有很高的实时性，这就要求液位检测算法的计算量小，计算速度高。故而需要找到一个快速高效、具有良好自适应性的液位检测算法进行研究。（3）形变的问题视频液位检测时，由于受到摄像头架设角度和容器的影响，采集到的液位线有可能不是一条标准的直线，在图像中是一条近似抛物线的曲线。这给液位的检测带来了一定的难度。（4）自适应问题视频液位检测的工作环境在不停的发生变化，而其所应用的对象也有可能不同。在某个环境或应用对象下所设计的算法，在其它环境或应用对象下，算法的性能会严重下降，甚至检测不出液位。1.4.3 本文的主要研究内容从液位图像中识别出液位是视频液位检测技术中的核心组
16、成部分。罐形容器中液体的液位线，由于摄像头架设角度和容器的影响，在图像中并不是一条直线，而是呈近似于抛物线的曲线。针对这种情况，本文提出了检测罐形容器中液位的方法，在论文中论述了液位图像处理的各个部分包括灰度变换、滤除噪声、兴趣区域提取、形状校正、霍夫变换（Hough） 、链码跟踪、曲线拟合等多种技术。同时针对视频液位检测技术中利用图像处理技术获取实际液位中存在的一些问题，提出了一系列的解决办法，最终实现了罐形容器中液位的检测。这些办法包括：先用传统的滤波方法对图像进行初次滤波，再根据液位是一条不封闭曲线的特点设计出两种滤波方法（根据递归原理、链码原理）滤除封闭区域或点数小于阈值的小线段；为了
17、减少图像处理的计算量和计算时间，本文采取利用改进的积分投影方法从处理图像中提取出液位区域，以后的图像处理都在这样一个小的范围中进行，大大的减少了计算量，同时也提高了检测的精度；由于摄像头架设角度或容器的缘故，液位线在图像中不是一条直线而是一条曲线，本文采用两种方法来检测液位，一种是利于霍夫变换（Hough） ，另一种是利用链码原理和曲线拟合的方法；在上面提到利用霍夫变换（Hough）来检测液位线，这种方法虽然受噪声的影响小，但其最大的缺点是计算量大，本文利用图像的几何变换将图像中的曲线进行旋转成一个标准的抛物线，这样可以有效的减少计算量。1.5 本文内容安排本文共分 5 章，各章具体的研究内容
18、如下：第 1 章：对液位检测常用的方法进行了探讨，介绍了图像处理技术应用于工业检测中的现状及发展趋势，并指出了视频液位检测技术的优缺点以及本文研究的主要内容。第 2 章：对视频液位系统及其结构进行了介绍，给出了识别液位的三种检测方案，分析了这三种检测方案存在的缺点及解决的办法，最后给出了图像处理算法的主流程。第 3 章：对图像进行了灰度变换、灰度拉伸变换、边缘检测、并根据液位线的特点对图像进行了二次滤波，利用改进的积分投影算法对液位图像进行第一次分割，提取出了液位区域。第 4 章：利用空间几何变换对液位线实现了旋转，并利用两种方法：霍夫变换（Hough）和链码跟踪及曲线拟合，对液位实现了精确定
19、位，对两种方法进了比较。最后用本文所提出的算法对不同罐形容器的液位进行检测，得到了较好的结果。第 5 章：对液位检测算法的进行了总结，指出了该算法存在的不足，并对基于图像处理的液位检测技术的发展进行了展望。第 2 章 系统简介及检测方案设计与处理流程2.1 系统结构2.1.1 系统简介1.系统方案选择视频液位检测系统使用一定精度的红外摄像头，采用非接触方法对液位进行昼夜实时自动监测，然后对摄像头获得的实时图像中的液位高度进行提取，通过与前期液面图像和参照标准物进行对比，就可得出液面的实际准确高度。 25而通用的图像处理和识别系统主要通过图像采集卡将图像传送到 PC 上，然后在 PC 上通过软件
20、运行各种图像识别程序，这种方案存在一定的局限性:1)识别程序缺乏并行性，限制了很多识别效果不错但时间复杂度较大的算法的实际应用。2)PC 机体积庞大，维护不便，并且成本高。3)PC 机软件的防盗版能力差。为了解决这些问题，很有必要用硬件来实现一部分 PC 的功能。把软件算法移植到嵌入式系统中实现，充分利用嵌入式系统(如 DSP、ARM)的高速度和并行性，不仅加快了图像识别的速度，而且还降低了系统成本，减小了设备体积和功耗，同时也增强了系统的安全性(硬件加密和软件加密)。 29嵌入式系统是一种具有特定功能的计算机系统，它与通信技术和网络技术的结合，极大的增强了设备的网络和通信的灵活性和智能性。随
21、着信息技术的不断发展和用户需求的不断增长，嵌入式系统逐渐走进国民生产的方方面面，其应用也日益广泛。在此基础上，利用嵌入式系统进行图像处理，无疑将会极大的增强图像处理系统的通信、交互、数据处理等能力扩展图像处理技术的应用范围及其对不同环境和要求的适应能力。嵌入式视频液位检测系统的优点有：一是嵌入性，也就是体积、可以满足重量与功耗的要求高的场合；二是复杂性，可以处理大容量的像素帧；三是可靠性，可以适应恶劣的工作环境，寿命长；四是实时性，一般可以达到秒级的计算时间。基于以上原因本文采用嵌入式视频液位检测系统。嵌入式视频液位检测系统的处理器我们选择了 ARM 处理器，ARM 是 Advanced RI
22、SC Machine 的缩写，由英国 Advanced RISC Machines(ARM)Limited 公司设计。ARM 公司是设计公司，本身不生产芯片，只提供知识产权。ARM 公司是 32 位嵌入式 RISC 微处理器领域的领先供应商，在世界范围内有超过 100 个合作伙伴，其中包括半导体工业的著名公司，从而出现了大量的开发工具和丰富的资源，它们共同保证了基于 ARM 处理器核的设计可以很快投入市场。 ARM 处理器的三大特点： 1)小体积、低功耗、成本低、性能高； 2)16 位32 位双指令集； 3)全球众多合作伙伴。 ARM 32 位体系结构目前被公认为是业界领先的 32 位嵌入式
23、RISC 微处理器结构，所有 ARM 处理器共享这一体系结构。这可确保当开发者转向更高性能的 ARM 处理器时，在软件开发上可获得最大的回报。 2.通信网络选择 ARM 模块对图像处理完之后，会得出具体的水位高度数据，需要把这一数据通过网络传输给后方的管理中心。基于需要传输数据的距离在 100 米以内，信息传输量不大，成本低等多种因素考虑，本文选择了 ZigBee 无线传输网络。 ZigBee 是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术。ZigBee 技术的主要特点包括以下几个部分： （1）数据传输速率低，ZigBee 工作在 20250 kbps 的较低速率,分别提供 250 kbps(2.4G
24、Hz)、40kbps (915 MHz)和 20kbps(868 MHz) 的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。 （2）功耗低，在低耗电待机模式下，2 节 5 号干电池可支持 1 个节点工作624 个月,甚至更长。这是 Zigbee 的突出优势。 （3）成本低，通过大幅简化协议,降低了对通信控制器的要求,而且 ZigBee 免协议专利费。每块芯片的价格大约为 2 美元。2.1.2 系统结构图 通过对视频液位检测系统的研究，形成如下系统方案，见图 2.1，从系统结构图可以看出硬件主要包括一个摄像头、视频采集卡、ARM 模块、ZigBee 无线传输组成。其思想是摄像头负责对特定区域的液
25、位情况进行实时图像采集，并将图像信号传输给视频采集卡，通过视频采集卡的处理，将模拟视频信号转换为数字视频信号，ARM 模块根据图像处理算法，对图像进行处理，得到及时的液位信息，再通过 ZigBee 无线传输模块把液位信息传输到管理中心，为整个液位控制提供依据。摄像头 视频采集卡 ARM 模块 ZigBee 模块 管理中心图 2.1 嵌入式视频液位检测系统结构图2.1.3 液位检测在系统中的地位液位数据是系统中数据的核心，通过液位数据检测出液位的实际高度，再通过液位的高度做出相应的预报、预警，及时发现事故尤其是突发事故先兆，迅速做出反应，实时给予决策支持并实施自动控制，为工程和相关地区提供安全保
26、障。要求能够准确快速的获取液位高度在一些石油化工企业表现得尤为突出。而液位高度的获取首先是要通过图像处理算法从图像中准确的获取液位线，因此液位线的获取是整个图像处理算法的关键，关系到整个视频液位系统的成败。本文将着重讨论如何从液位图像中获取液位线。2.2 液位检测方案的设计基于视频的液位检测方法有很多，其中刘治锋等在 10文中提出通过链码跟踪、数学形态学等技术进行检测的算法，这种算法要求在液位处设立液位标杆；刘晓伟等在26文中提出通过边缘检测、数学形态学对金属量器中的液位进行检测，这种方法局限于液体装在特定形状的容器中；潘且鲁在 12文中提出通过面积计算的方法来进行液位检测，这种算法对盛放液体
27、的容器的形状也有严格的要求。通过已有算法研究发现，这些算法要求设立液位标杆或要求液位装在特定形状的容器中。然而对于一些特定的容器，比如：油罐，或是一些腐蚀性液体的检测，要用上面的方法检测是比较困难的。这给液位的检测带来了一定的难度。因此，本文针对罐形容器中的液位，提出了三种检测方案：1. 基于霍夫变换(Hough)的方法 2，该种方法利用霍夫变换(Hough)对于噪声不敏感的特点，它所实现的是一种从图像空间到参数空间的映射关系，将图像中点映射到参数空间，通过统计参数空间点的个数，参数个数最大的即为所要检测的曲线。但这种方法最大的缺点就是计算量大，计算时间很长，这样对于运行该算法的硬件系统要求有很强的计算能力和一定存储空间。为此，本文对该算法进行了改进，比如：先粗定液位区域，将检测的范围缩小在一个较小的范围；同时，对图像进行几何变换，减少了参数空间的参数的个数，减少了计算量。2. 基于随机霍夫变换(Randomized Hough Transform ,RHT)，该种方法是针对Hough 变换存在计算量大、占用内存大的缺点由 Xu27等而提出的。RHT 变换采用多到一的映射，避免了传统 Hough 变换一到多映射的庞大计算量，相对
