非接觸式液位測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及傳感器和測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種非接觸式液位測(cè)量系統(tǒng)，包括設(shè)置在儲(chǔ)液罐上邊的探頭，探頭將采集到的模擬視頻信息輸出至處理模塊，處理模塊包括圖像采集卡、工控機(jī)或計(jì)算機(jī)，所述的圖像采集卡將模擬視頻信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信息，工控機(jī)或計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字圖像信息進(jìn)行處理提取出液位邊界函數(shù)并根據(jù)該函數(shù)得出液位高度。整個(gè)液位中，液位邊界的變化最小，通過(guò)采集液位的圖像信息，將邊界液位分布通過(guò)方程進(jìn)行模擬，當(dāng)探頭的位置固定后，直接就能通過(guò)液位邊界函數(shù)得出液位高度，即使液位存在落差，也能準(zhǔn)確測(cè)得結(jié)果；該系統(tǒng)適用范圍廣，能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行測(cè)量，不受周?chē)h(huán)境、溫度等因素影響。
【專(zhuān)利說(shuō)明】非接觸式液位測(cè)量系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及傳感器和測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種非接觸式液位測(cè)量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等行業(yè)的儲(chǔ)罐液位自動(dòng)化測(cè)量應(yīng)用相當(dāng)廣泛，其測(cè)量原理和方法眾多，按照與液體接觸與否，分為接觸式液位測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)深?lèi)。接觸式的有浮子式液位計(jì)、壓力式液位計(jì)等，接觸式的液位計(jì)常因液體本身、環(huán)境等因素影響，其精度會(huì)逐漸降低，使用壽命也較短，從而使得維護(hù)成本較高。非接觸式的有超聲波式、雷達(dá)波式，它們通過(guò)測(cè)量發(fā)射脈沖波與接收反射波之間的時(shí)間差來(lái)計(jì)算液位深度，它們的缺點(diǎn)是不適合液面變化晃動(dòng)較大的場(chǎng)合，否則反射回波將有可能接收不到，且安裝精度一定要準(zhǔn)確，否則所帶來(lái)的測(cè)量偏差很大難以消除。此外，如果被測(cè)量液體是帶腐蝕性或易爆的，其測(cè)量過(guò)程傳感裝置必須是防腐防爆的，這也導(dǎo)致了整個(gè)測(cè)量裝置成本增加，制約了眾多自動(dòng)化領(lǐng)域的進(jìn)程。
[0003]為解決這些問(wèn)題，中國(guó)專(zhuān)利《一種液位測(cè)量邊法及其裝置》(申請(qǐng)?zhí)?200110023135.6 ;
【公開(kāi)日】期:2005年01月26日)公開(kāi)了如下的技術(shù)邊案:圖像傳感器攝得一個(gè)選定測(cè)量區(qū)域Hl的圖片，并將圖片輸出至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理得到液位高度。這個(gè)方案存在如下不足:1、無(wú)法完成不穩(wěn)定液面的測(cè)量；2、需額外設(shè)置測(cè)量標(biāo)桿、有色浮標(biāo)等物體與液體接觸，沒(méi)有達(dá)到真正意義上的非接觸式測(cè)量；3、由于圖像傳感器布置方式所限，使得測(cè)量的落差較小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種非接觸式液位測(cè)量系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確測(cè)量液位信息，且適用于各種極端環(huán)境。
[0005]為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)邊案為:一種非接觸式液位測(cè)量系統(tǒng)，包括設(shè)置在儲(chǔ)液罐上邊的探頭，探頭將采集到的模擬視頻信息輸出至處理模塊，處理模塊包括圖像采集卡、工控機(jī)或計(jì)算機(jī)，所述的圖像采集卡將模擬視頻信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信息，工控機(jī)或計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字圖像信息進(jìn)行處理提取出液位邊界函數(shù)并根據(jù)該函數(shù)得出液位高度。
[0006]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明存在以下技術(shù)效果:整個(gè)液位中，液位邊界的變化最小，通過(guò)采集液位的圖像信息，將邊界液位分布通過(guò)方程進(jìn)行模擬，當(dāng)探頭的位置固定后，直接就能通過(guò)液位邊界函數(shù)得出液位高度，即使液位存在落差，也能準(zhǔn)確測(cè)得結(jié)果；整個(gè)系統(tǒng)中，僅探頭布置在儲(chǔ)液罐中，只需選用不同的探頭，或者在探頭外部做耐高溫、耐腐蝕處理，就能滿足各種環(huán)境下的液位監(jiān)測(cè)，適用范圍廣；另外，通過(guò)該測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行測(cè)量，不受周?chē)h(huán)境、溫度等因素影響。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0007]圖1是本發(fā)明的原理框圖；[0008]圖2是本發(fā)明處理過(guò)程的圖像，其中圖2a是原始圖像，原圖為彩色，圖2b、2c、2d、2e、2f為步驟A、B、C、D、E處理后的圖像，圖2f中的對(duì)角線是為了說(shuō)明步驟F1，實(shí)際的圖像上沒(méi)有該虛線；
[0009]圖3是本發(fā)明查找最長(zhǎng)邊界線的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]下面結(jié)合圖1至圖3，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)敘述。
[0011]參閱圖1，一種非接觸式液位測(cè)量系統(tǒng)，包括設(shè)置在儲(chǔ)液罐上邊的探頭10，探頭10將采集到的模擬視頻信息輸出至處理模塊20，處理模塊20包括圖像采集卡21、工控機(jī)或計(jì)算機(jī)22，所述的圖像采集卡21將模擬視頻信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信息，工控機(jī)或計(jì)算機(jī)22對(duì)數(shù)字圖像信息進(jìn)行處理提取出液位邊界函數(shù)并根據(jù)該函數(shù)得出液位高度。如果檢測(cè)環(huán)境具有高溫高腐蝕性，可采用具有耐高溫和耐腐蝕特性的材料保護(hù)攝像機(jī)，利用水冷或者氣冷控制攝像機(jī)環(huán)境溫度；如果檢測(cè)的環(huán)境要求不高，則使用一般的攝像機(jī)即可。另外，為了保證圖像的質(zhì)量，可在儲(chǔ)液罐內(nèi)部加裝高冷光照明燈，燈光的安裝位置也很重要，其目的是讓光源均勻的照射在被測(cè)目標(biāo)上，減少后續(xù)圖像處理的復(fù)雜度；對(duì)于某些不便使用光源的場(chǎng)合，可使用紅外攝像機(jī)作為探頭10。光源的選擇和布置位置、探頭的選擇都需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況來(lái)實(shí)際進(jìn)行選擇，這里就不再詳細(xì)敘述。對(duì)于數(shù)字圖像信息的處理，可使用工控機(jī)，也可以用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)主要通過(guò)其上運(yùn)行的軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理；工控機(jī)是工業(yè)用計(jì)算機(jī)，它更適合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境不佳的場(chǎng)所。
[0012]本發(fā)明是通過(guò)提取液位邊緣函數(shù)來(lái)判定液位的高低的，當(dāng)探頭10位置固定時(shí)，如果探頭10位于儲(chǔ)液罐的正上方，其獲得的液位邊緣函數(shù)應(yīng)該是正圓形，且圓的直徑跟液位的高低有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系；若探頭10位于儲(chǔ)液罐的斜上方，其獲得的液位邊緣函數(shù)為橢圓形，橢圓形的長(zhǎng)軸、短軸、中心點(diǎn)與液位的高低有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。我們通過(guò)對(duì)液位邊緣函數(shù)進(jìn)行處理，獲得重要參數(shù)，就能根據(jù)探頭10布置的位置計(jì)算出液位的高低。
[0013]參閱圖2，液位邊緣函數(shù)的獲得有多種方式，這里提供一種較為優(yōu)選的實(shí)施方式:所述的數(shù)字圖像信息為BMP格式的圖像，所述的工控機(jī)或計(jì)算機(jī)22每隔一段時(shí)間提取一張BMP圖像作為原始圖像按如下步驟進(jìn)行處理:(A)原始圖像進(jìn)行灰度化處理得到灰度圖像，其中原始圖像如圖2a所不,灰度圖像如圖2b所不；(B)灰度圖像進(jìn)行直方圖變換提聞灰度圖像的對(duì)比度，直方圖變換后的圖像如圖2c所示；(C)步驟B處理后的圖像按照一定的閾值進(jìn)行二值化處理，得到黑白圖像，黑白圖像如圖2d所示；(D)黑白圖像使用高通濾波器進(jìn)行濾波，去除噪點(diǎn)，如圖2e所示；(E)找出連續(xù)邊界，記錄最長(zhǎng)邊界線的各點(diǎn)坐標(biāo)，其中最長(zhǎng)的邊界線如圖2f中所示；(F)取最長(zhǎng)邊界線的各點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行方程擬合找出最接近的橢圓方程，或者取最長(zhǎng)邊界線的部分點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行方程擬合找出最接近的拋物線方程；(G)根據(jù)橢圓方程參數(shù)或拋物線方程參數(shù)確定液位高度。
[0014]灰度化處理方式多樣，作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述的步驟A中，任何一個(gè)像素點(diǎn)原始的三基色值R、G、B與灰度化處理后的灰度值f滿足如下的關(guān)系式，灰度值f =
0.299R + 0.587G + 0.114B。這里，根據(jù)生物學(xué)中所描述的人眼對(duì)不同顏色的敏感度不同，分別給紅R、綠G、藍(lán)B賦上不同的系數(shù)，然后算出他們的加權(quán)平均數(shù)得出灰度值f，這樣得到的圖像更便于后續(xù)的處理。[0015]更進(jìn)一步地，所述的步驟B中，按如下變換關(guān)系對(duì)圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值f進(jìn)行變換得到新的灰度值g:若O≤f < a,則g = a f ;若a≤f < b,則g = Mf — a) +ga ;若 b < f < 255，則 g = Y (f — b)十 gb ;式中 a、b、α、β、Y、ga、gb 均為常數(shù)，它們有各自的作用。式中的a、b作用是確定三個(gè)不同灰度級(jí)的范圍，局部集中修改原圖像的灰度值；α、β、Y的作用是確定不同灰度級(jí)調(diào)整時(shí)映射的函數(shù)的斜率大小，反映了灰度線性分段變化的范圍與程度?；叶染€性分段原理簡(jiǎn)單，使用靈活，針對(duì)不同質(zhì)量的圖像可以自由確定函數(shù)映射關(guān)系、變換范圍，通過(guò)調(diào)整斜率的值大于I或者小于I可以不同程度的拉伸或者壓縮灰度的分布區(qū)間。
[0016]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，為了后續(xù)的液位邊界更容易識(shí)別，這里取一個(gè)合適的閾值gx對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，所述的步驟C中，將O < g < gx的像素點(diǎn)填充為黑色并標(biāo)記為l，gx < g < 255的像素點(diǎn)填充為白色并標(biāo)記為O,所述的gx為二值化處理的閾值。處理后的圖像中，每個(gè)像素點(diǎn)要么是黑色，要么是白色，數(shù)據(jù)處理量小了很多。
[0017]為了能夠識(shí)別出液位的邊緣信息，這里提供一種較為優(yōu)選的實(shí)施方式，通過(guò)該步驟進(jìn)行液位邊緣提取，計(jì)算量小很多，進(jìn)一步提高本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。所述的步驟E中，包括如下步驟:
[0018](El)建立廢棄點(diǎn)集合，首先將圖像中顏色為黑色的點(diǎn)坐標(biāo)存儲(chǔ)至廢棄點(diǎn)集合中；若某個(gè)點(diǎn)周?chē)噜彽?個(gè)點(diǎn)中有6個(gè)或7個(gè)黑色點(diǎn)，那么將該點(diǎn)存儲(chǔ)至廢棄點(diǎn)集合中；建立路徑點(diǎn)集合用于存儲(chǔ)閉合邊界線中各點(diǎn)坐標(biāo)，路徑點(diǎn)集合開(kāi)始為空；
[0019](E2)按從下到上、從左到右的順序依次判斷每個(gè)像素點(diǎn)，若該點(diǎn)坐標(biāo)不屬于廢棄點(diǎn)集合，也不屬于路徑點(diǎn)集合，則新建一條邊界線L,將該點(diǎn)作為邊界線L的起始點(diǎn)，同時(shí)將該點(diǎn)坐標(biāo)存儲(chǔ)到邊界線 L集合中，同時(shí)記邊界線L的長(zhǎng)度Xn = I ;所有點(diǎn)判斷完畢后，進(jìn)入步驟ElO ；
[0020](E3)依次判斷步驟E2中的起始點(diǎn)的右下邊、右邊、右上邊、上邊、左上邊、左邊、左下邊的點(diǎn)，若七個(gè)點(diǎn)均屬于廢棄點(diǎn)集合或路徑點(diǎn)集合，則將起始點(diǎn)存儲(chǔ)至廢棄點(diǎn)集合中，同時(shí)邊界線L集合清空，重復(fù)步驟E2從起始點(diǎn)的下一個(gè)點(diǎn)繼續(xù)判斷；否則將新的點(diǎn)作為邊界線L的第二點(diǎn)坐標(biāo)存儲(chǔ)至邊界線L集合中，并記錄第二點(diǎn)位于起始點(diǎn)的方向，以第二點(diǎn)為搜尋點(diǎn)，進(jìn)入步驟E4;
[0021](E4)依次判定搜尋點(diǎn)周?chē)噜忺c(diǎn)，
[0022]若搜尋點(diǎn)的前一點(diǎn)位于搜尋點(diǎn)的左邊，則按左下邊、下邊、右下邊、右邊、右上邊、上邊、左上邊的順序依次進(jìn)行搜尋；
[0023]若搜尋點(diǎn)的前一點(diǎn)位于搜尋點(diǎn)的左下邊，則按下邊、右下邊、右邊、右上邊、上邊、左上邊、左邊的順序依次進(jìn)行搜尋；
[0024]若搜尋點(diǎn)的前一點(diǎn)位于搜尋點(diǎn)的下邊，則按右下邊、右邊、右上邊、上邊、左上邊、左邊、左下邊的順序依次進(jìn)行搜尋；
[0025]若搜尋點(diǎn)的前一點(diǎn)位于搜尋點(diǎn)的右下邊，則按右邊、右上邊、上邊、左上邊、左邊、左下邊、下邊的順序依次進(jìn)行搜尋；
[0026]若搜尋點(diǎn)的前一點(diǎn)位于搜尋點(diǎn)的右邊，則按右上邊、上邊、左上邊、左邊、左下邊、下邊、右下邊的順序依次進(jìn)行搜尋；
[0027]若搜尋點(diǎn)的前一點(diǎn)位于搜尋點(diǎn)的右上邊，則按上邊、左上邊、左邊、左下邊、下邊、右下邊、右邊的順序依次進(jìn)行搜尋；
[0028]若搜尋點(diǎn)的前一點(diǎn)位于搜尋點(diǎn)的上邊，則按左上邊、左邊、左下邊、下邊、右下邊、右邊、右上邊的順序依次進(jìn)行搜尋；
[0029]若搜尋點(diǎn)的前一點(diǎn)位于搜尋點(diǎn)的左上邊，則按左邊、左下邊、下邊、右下邊、右邊、右上邊、上邊的順序依次進(jìn)行搜尋；
[0030](E5)若七個(gè)點(diǎn)均屬于廢棄點(diǎn)集合或路徑點(diǎn)集合，則將該搜尋點(diǎn)視為邊界線L的斷點(diǎn)，將該搜尋點(diǎn)坐標(biāo)從邊界線L集合中移除，并將該搜尋點(diǎn)坐標(biāo)存儲(chǔ)至廢棄點(diǎn)集合中，進(jìn)入步驟E6 ;否則，進(jìn)入步驟E7 ；
[0031](E6)若搜尋點(diǎn)的前一個(gè)點(diǎn)是邊界線L的起始點(diǎn)，那么舍棄邊界線L，重復(fù)步驟E2從起始點(diǎn)的下一個(gè)點(diǎn)繼續(xù)判斷；否則，對(duì)搜尋點(diǎn)的前一個(gè)點(diǎn)周?chē)磁卸ǖ狞c(diǎn)按步驟E4繼續(xù)判定；
[0032](E7)判斷新的點(diǎn)是否屬于邊界線L集合中，若是，則進(jìn)入步驟ES ;若不是，將新的點(diǎn)作存儲(chǔ)到邊界線L集合中，邊界線L的長(zhǎng)度XN加1，記錄新的點(diǎn)與搜尋點(diǎn)的位置關(guān)系，將新的點(diǎn)作為搜尋點(diǎn)重復(fù)步驟E4、步驟E5 ；
[0033](ES)判定新的點(diǎn)是否是邊界線L的起始點(diǎn)，若是，則邊界線L搜尋結(jié)束，得到一條新的邊界線；若不是，此時(shí)邊界線L的點(diǎn)集合為{匕，P1,…，Psh, Pm, Pm+1, Pm+2,…，PM+N}，新的點(diǎn)為Pm，則將{PM，p?+1,…，P?+N}作為一條新的邊界線，同時(shí)將點(diǎn)Pm，P?+1,…，P?+N的坐標(biāo)從邊界線L中移除，將邊界線L的長(zhǎng)度Xn減去移除的坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)，然后對(duì)點(diǎn)Psh周?chē)磁卸ǖ狞c(diǎn)按步驟E4繼續(xù)判定；
[0034](E9)每得到一條新的邊界線，將位于該邊界線之內(nèi)的所有點(diǎn)存儲(chǔ)至廢棄點(diǎn)集合中；同時(shí)將該新的邊界線長(zhǎng)度X與常數(shù)檢測(cè)判定值\相比較，若X < \，將新的邊界線舍棄，新的邊界線中所有點(diǎn)存儲(chǔ)至廢棄點(diǎn)集合中，若X ^ Xy將新的邊界線保存；
[0035](ElO)比較存儲(chǔ)的所有邊界線的長(zhǎng)度，輸出最長(zhǎng)邊界線中各點(diǎn)坐標(biāo)。
[0036]為了便于 說(shuō)明該步驟，這里通過(guò)圖3來(lái)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，圖3中一個(gè)小矩形代表一個(gè)像素點(diǎn)，空白的像素點(diǎn)表示白色，填充斜線的像素點(diǎn)位黑色。為了便于敘述，下面對(duì)于任何點(diǎn)，都稱呼為點(diǎn)Xy，其中，X為該點(diǎn)所在的列數(shù)，y為該點(diǎn)所在的行數(shù)。
[0037]首先按照步驟El，將符合條件的點(diǎn)存儲(chǔ)至廢棄點(diǎn)集合中，其中點(diǎn)Cd、點(diǎn)Dd、點(diǎn)Dh、點(diǎn)Eh也存儲(chǔ)至廢棄點(diǎn)集合中，從圖中我們也可以明顯的肯出，這些點(diǎn)屬于噪點(diǎn)，所有的廢棄點(diǎn)判定完畢后進(jìn)入步驟E2。點(diǎn)Ei是第一個(gè)既不屬于廢棄點(diǎn)集合、也不屬于路徑點(diǎn)集合中的點(diǎn)，它作為起始點(diǎn)存到邊界線L的集合中，然后，進(jìn)入步驟E3。
[0038]首先判斷點(diǎn)Ei右下邊的點(diǎn)Fh,點(diǎn)Fh是廢棄點(diǎn)，繼續(xù)判斷點(diǎn)Ei右邊的點(diǎn)Fi,點(diǎn)Fi也是廢棄點(diǎn)，繼續(xù)判斷點(diǎn)Fj,點(diǎn)Fj滿足要求,作為第二點(diǎn)存儲(chǔ)到邊界線L的集合中,此時(shí),不再繼續(xù)判斷點(diǎn)Ei上方的點(diǎn)Ej,而是將以點(diǎn)Fj為搜尋點(diǎn),搜尋下一個(gè)點(diǎn)；
[0039]由于從點(diǎn)Ei位于第二點(diǎn)Fj的左下方，所以以點(diǎn)Fj進(jìn)行搜尋時(shí)，先判斷點(diǎn)Fj下方的點(diǎn)Fi，點(diǎn)Fi是廢棄點(diǎn)，繼續(xù)判斷點(diǎn)Gi，點(diǎn)Gi也是廢棄點(diǎn)，繼續(xù)判斷點(diǎn)Gj，點(diǎn)Gj滿足要求，作為第三點(diǎn)存儲(chǔ)到邊界線L的集合中，重復(fù)這個(gè)步驟；
[0040]按照這個(gè)步驟搜尋點(diǎn)的集合為:{點(diǎn)Ei,點(diǎn)Fj,點(diǎn)Gj,點(diǎn)Hi,點(diǎn)Ij,點(diǎn)Ik,點(diǎn)Jl,點(diǎn)Kl,點(diǎn)LI，點(diǎn)Ml,點(diǎn)NI，點(diǎn)Ok,點(diǎn)Oj,點(diǎn)Oi,點(diǎn)Oh,點(diǎn)Og,點(diǎn)Of,點(diǎn)Ne，點(diǎn)Od,點(diǎn)Pd，點(diǎn)Qc,點(diǎn)Re，點(diǎn)Sd,點(diǎn)Te,點(diǎn)Tf,點(diǎn)Sg，點(diǎn)Sh,點(diǎn)Ri,點(diǎn)Rj,點(diǎn)Qj,點(diǎn)Pjj，當(dāng)繼續(xù)搜索時(shí)，下一個(gè)點(diǎn)是點(diǎn)Ok，已經(jīng)存在在上述集合中，此時(shí)就要按照步驟ES中的方式進(jìn)行處理，將集合{點(diǎn)Ok，點(diǎn)Oj,點(diǎn)Oi，點(diǎn)0h，點(diǎn)0g，點(diǎn)Of，點(diǎn)Ne，點(diǎn)0d，點(diǎn)Pd，點(diǎn)Qc，點(diǎn)Re，點(diǎn)Sd，點(diǎn)Te，點(diǎn)Tf，點(diǎn)Sg，點(diǎn)Sh,點(diǎn)Ri，點(diǎn)Rj，點(diǎn)Qj，點(diǎn)Pj}作為一條新的邊界線存儲(chǔ)起來(lái)，這里記做第一邊界線LI，其長(zhǎng)度為XI，其中各點(diǎn)都存儲(chǔ)至路徑點(diǎn)集合中，同時(shí)，第一邊界線LI包圍住的所有點(diǎn)都被存儲(chǔ)至廢棄點(diǎn)中。
[0041]邊界線L的搜尋未結(jié)束，返回到點(diǎn)NI處繼續(xù)搜尋，點(diǎn)NI在第一次搜尋時(shí)，從點(diǎn)Ok處跳出搜尋，但現(xiàn)在點(diǎn)Ok屬于路徑點(diǎn)集合中，因此將繼續(xù)判斷點(diǎn)01，點(diǎn)01是廢棄點(diǎn)，繼續(xù)判斷點(diǎn)Om,點(diǎn)Om符合要求,繼續(xù)以點(diǎn)Om進(jìn)行搜尋,依此類(lèi)推,可得到集合{點(diǎn)Ei,點(diǎn)Fj,點(diǎn)Gj，點(diǎn)Hi，點(diǎn)I j，點(diǎn)Ik，點(diǎn)Jl，點(diǎn)Kl，點(diǎn)LI，點(diǎn)Ml，點(diǎn)NI，點(diǎn)Om,點(diǎn)Pm，……，點(diǎn)Fl，點(diǎn)Fkj，當(dāng)繼續(xù)搜索時(shí)，下一個(gè)點(diǎn)是點(diǎn)Fj，存在于邊界線L的集合中，按照步驟ES做同樣處理。得到第二邊界線L2，其集合為{點(diǎn)Fj，點(diǎn)Gj，點(diǎn)Hi，點(diǎn)I j，點(diǎn)Ik，點(diǎn)Jl，點(diǎn)Kl，點(diǎn)LI，點(diǎn)Ml，點(diǎn)NI，點(diǎn)Om,點(diǎn)Pm，……，點(diǎn)Fl，點(diǎn)Fk}，其長(zhǎng)度為X2，其中各點(diǎn)都存儲(chǔ)至路徑點(diǎn)集合中，同時(shí)，第二邊界線L2包圍住的所有點(diǎn)都被存儲(chǔ)至廢棄點(diǎn)中。
[0042]邊界線L的搜尋為結(jié)束，返回到點(diǎn)Ei處繼續(xù)搜尋，由于Ei周?chē)噜彽狞c(diǎn)要么屬于廢棄點(diǎn)集合，要么屬于路徑點(diǎn)集合，將按照步驟E5，點(diǎn)Ei被視為斷點(diǎn)，點(diǎn)Ei被存儲(chǔ)至廢棄點(diǎn)集合中，同時(shí)進(jìn)入步驟E6，由于點(diǎn)Ei就是起始點(diǎn)，所以邊界線L放棄，重復(fù)步驟E2，繼續(xù)判斷點(diǎn)Ej。從圖3中可知，后續(xù)的點(diǎn)要么存儲(chǔ)在廢棄點(diǎn)集合中，要么存儲(chǔ)在路徑點(diǎn)集合中，直到判定完最后個(gè)點(diǎn)Vv,邊界搜尋結(jié)束。
[0043]需要指出的是，上面對(duì)新的邊界線長(zhǎng)度的判斷沒(méi)有寫(xiě)進(jìn)去，是因?yàn)檫@里只有第一邊界線、第二邊界線，假設(shè)他們的長(zhǎng)度都大于檢測(cè)判定值\。此時(shí)，進(jìn)入步驟E10，比較第一、二邊界線的長(zhǎng)度，明顯第一邊界線長(zhǎng)度小于第二邊界線長(zhǎng)度，存儲(chǔ)第二邊界線各點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)入步驟F。這里之所以設(shè)置檢測(cè)判定值\，是因?yàn)橛行┬碌倪吔缇€長(zhǎng)度較小，明顯不是本發(fā)明所要找的邊界，可按照步驟E9進(jìn)行舍棄。
[0044]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述的探頭10位于儲(chǔ)液罐斜上邊布置，所述的步驟F中，包括如下步驟=(Fl)圖像的兩條對(duì)角線將圖像分為四個(gè)區(qū)域；(F2)取離探頭最遠(yuǎn)的區(qū)域中最長(zhǎng)邊界線的各點(diǎn)坐標(biāo)，并根據(jù)這些坐標(biāo)找出最接近這個(gè)區(qū)域中最長(zhǎng)邊界線的拋物線方程。離探頭10最遠(yuǎn)的區(qū)域即圖2f中右邊的三角形區(qū)域，這樣做的好處一方面是減小計(jì)算量，另一方面，將探頭10斜向布置，其獲得的圖像中，離探頭10最遠(yuǎn)區(qū)域的圖像非常清晰，提高判定結(jié)果的準(zhǔn)確性，可以從圖2f中看出，其左邊的邊界線明顯不規(guī)則。由于整個(gè)邊界線類(lèi)似一個(gè)橢圓狀，因此，其離探頭10最遠(yuǎn)區(qū)域中的曲線段可以擬合成一個(gè)拋物線方程。
[0045]這里需要說(shuō)明的是，將探頭布置在儲(chǔ)液罐上部中間位置處，將液位邊界函數(shù)使用圓的方程來(lái)模擬也是可以的，但是其精確度和計(jì)算量均會(huì)受到影響，本實(shí)施例中優(yōu)選使用拋物線方程，使用圓或者橢圓來(lái)模擬液位邊界函數(shù)也是可行的。
[0046]更進(jìn)一步地,所述的拋物線的一般方程為:((x_h)sin Θ + (y-k) cos Θ )2=2p((x_h)cos Θ + (y-k) sin Θ )，其中，Θ是拋物線按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度，(h, k)是拋物線的頂點(diǎn)坐標(biāo)，P是拋物線的焦距；所述步驟G中拋物線方程的參數(shù)即(h，k，ρ，Θ)。通過(guò)最長(zhǎng)邊界線的各點(diǎn)坐標(biāo)求解參數(shù)(h，k，p，Θ )可以通過(guò)霍夫變換來(lái)進(jìn)行計(jì)算。其詳細(xì)步驟如下:
[0047]在參數(shù)空間中創(chuàng)建一個(gè)4-D累加數(shù)組:hough_space (h, k, ρ, θ )，當(dāng)h, k, θ在圖像上按一定順序移動(dòng)時(shí)，我們就能計(jì)算出每一個(gè)拋物線對(duì)應(yīng)焦距P，并對(duì)hough_space (h, k, ρ, θ )累加如下式所示:
[0048]ough_space (h, k, ρ, θ ) = ough_space (h, k, ρ, θ ) +1 ；
[0049]完成遍歷計(jì)算以后，根據(jù)累加后霍夫空間值的結(jié)果，選擇累加器h0Ugh_spaCe中最大值便確定拋物線的頂點(diǎn)坐標(biāo)(Iv K)、旋轉(zhuǎn)角度Θ ^和焦距P(l。[0050]更進(jìn)一步地，由于有些現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較為惡劣，這里采用光纖33進(jìn)行信息的傳輸:所述的探頭10與圖像采集卡21間設(shè)置有光端機(jī)30，光端機(jī)30包括光發(fā)射機(jī)31、光接收機(jī)32，光發(fā)射機(jī)31的輸入端與探頭10的輸出端相連，光接收機(jī)32的輸出端與圖像采集卡21的輸入端相連，光發(fā)射機(jī)31與光接收機(jī)32間通過(guò)光纖33進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
【權(quán)利要求】
1.一種非接觸式液位測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:包括設(shè)置在儲(chǔ)液罐上邊的探頭(10)，探頭(10)將采集到的模擬視頻信息輸出至處理模塊(20)，處理模塊(20)包括圖像采集卡(21)、工控機(jī)或計(jì)算機(jī)(22)，所述的圖像采集卡(21)將模擬視頻信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信息，工控機(jī)或計(jì)算機(jī)(22)對(duì)數(shù)字圖像信息進(jìn)行處理提取出液位邊界函數(shù)并根據(jù)該函數(shù)得出液位高度。
2.如權(quán)利要求1所述的非接觸式液位測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述的數(shù)字圖像信息為BMP格式的圖像，所述的工控機(jī)或計(jì)算機(jī)(22)每隔一段時(shí)間提取一張BMP圖像作為原始圖像按如下步驟進(jìn)行處理: (A)原始圖像進(jìn)行灰度化處理得到灰度圖像； (B)灰度圖像進(jìn)行直方圖變換提高灰度圖像的對(duì)比度； (C)步驟B處理后的圖像按照閾值進(jìn)行二值化處理，得到黑白圖像； (D)黑白圖像使用高通濾波器進(jìn)行濾波，去除噪點(diǎn)； (E)找出連續(xù)邊界，記錄最長(zhǎng)邊界線的各點(diǎn)坐標(biāo)； (F)取最長(zhǎng)邊界線的各點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行方程擬合找出最接近的橢圓方程，或者取最長(zhǎng)邊界線的部分點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行方程擬合找出最接近的拋物線方程； (G)根據(jù)橢圓方程參數(shù)或拋物線方程參數(shù)確定液位高度。
3.如權(quán)利要求2所述的非接觸式液位測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述的步驟A中，任何一個(gè)像素點(diǎn)原始的三基色值R、G、B與灰度化處理后的灰度值f滿足如下的關(guān)系式，灰度值f=0.299R + 0.587G + 0.114B。
4.如權(quán)利要求3所述的非接觸式液位測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述的步驟B中，按如下變換關(guān)系對(duì)圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值f進(jìn)行變換得到新的灰度值g:若O < f < a，則g=a f ;若 a ≤ f < b,則 g = Mf — a) + ga ;若 b ≤ f ≤ 255,則 g = Y (f — b) + gb ;式中 a、b、α、β、Y、ga、gb 均為常數(shù)。
5.如權(quán)利要求4所述的非接觸式液位測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述的步驟C中，將O≤g≤gx的像素點(diǎn)填充為黑色并標(biāo)記為1，gx < g≤255的像素點(diǎn)填充為白色并標(biāo)記為0，所述的gx為二值化處理的閾值。
6.如權(quán)利要求5所述的非接觸式液位測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述的步驟E中，包括如下步驟: (El)建立廢棄點(diǎn)集合，首先將圖像中顏色為黑色的點(diǎn)坐標(biāo)存儲(chǔ)至廢棄點(diǎn)集合中；若某個(gè)點(diǎn)周?chē)噜彽?個(gè)點(diǎn)中有6個(gè)或7個(gè)黑色點(diǎn)，那么將該點(diǎn)存儲(chǔ)至廢棄點(diǎn)集合中； 建立路徑點(diǎn)集合用于存儲(chǔ)閉合邊界線中各點(diǎn)坐標(biāo)，路徑點(diǎn)集合開(kāi)始為空； (E2)按從下到上、從左到右的順序依次判斷每個(gè)像素點(diǎn),若該點(diǎn)坐標(biāo)不屬于廢棄點(diǎn)集合，也不屬于路徑點(diǎn)集合，則新建一條邊界線L,將該點(diǎn)作為邊界線L的起始點(diǎn)，同時(shí)將該點(diǎn)坐標(biāo)存儲(chǔ)到邊界線L集合中，同時(shí)記邊界線L的長(zhǎng)度Xn = I ;所有點(diǎn)判斷完畢后，進(jìn)入步驟ElO ； (E3)依次判斷步驟E2中的起始點(diǎn)的右下邊、右邊、右上邊、上邊、左上邊、左邊、左下邊的點(diǎn)，若七個(gè)點(diǎn)均屬于廢棄點(diǎn)集合或路徑點(diǎn)集合，則將起始點(diǎn)存儲(chǔ)至廢棄點(diǎn)集合中，同時(shí)邊界線L集合清空，重復(fù)步驟E2從起始點(diǎn)的下一個(gè)點(diǎn)繼續(xù)判斷；否則將新的點(diǎn)作為邊界線L的第二點(diǎn)坐標(biāo)存儲(chǔ)至邊界線L集合中，并記錄第二點(diǎn)位于起始點(diǎn)的方向，以第二點(diǎn)為搜尋點(diǎn)，進(jìn)入步驟E4 ； (E4 )依次判定搜尋點(diǎn)周?chē)噜忺c(diǎn)， 若搜尋點(diǎn)的前一點(diǎn)位于搜尋點(diǎn)的左邊，則按左下邊、下邊、右下邊、右邊、右上邊、上邊、左上邊的順序依次進(jìn)行搜尋； 若搜尋點(diǎn)的前一點(diǎn)位于搜尋點(diǎn)的左下邊，則按下邊、右下邊、右邊、右上邊、上邊、左上邊、左邊的順序依次進(jìn)行搜尋； 若搜尋點(diǎn)的前一點(diǎn)位于搜尋點(diǎn)的下邊，則按右下邊、右邊、右上邊、上邊、左上邊、左邊、左下邊的順序依次進(jìn)行搜尋； 若搜尋點(diǎn)的前一點(diǎn)位于搜尋點(diǎn)的右下邊，則按右邊、右上邊、上邊、左上邊、左邊、左下邊、下邊的順序依次進(jìn)行搜尋； 若搜尋點(diǎn)的前一點(diǎn)位于搜尋點(diǎn)的右邊，則按右上邊、上邊、左上邊、左邊、左下邊、下邊、右下邊的順序依次進(jìn)行搜尋； 若搜尋點(diǎn)的前一點(diǎn)位于搜尋點(diǎn)的右上邊，則按上邊、左上邊、左邊、左下邊、下邊、右下邊、右邊的順序依次進(jìn)行搜尋； 若搜尋點(diǎn)的前一點(diǎn)位于搜尋點(diǎn)的上邊，則按左上邊、左邊、左下邊、下邊、右下邊、右邊、右上邊的順序依次進(jìn)行搜尋； 若搜尋點(diǎn)的前一點(diǎn)位于搜尋點(diǎn)的左上邊，則按左邊、左下邊、下邊、右下邊、右邊、右上邊、上邊的順序依次進(jìn)行搜尋； (E5)若七個(gè)點(diǎn)均屬于廢棄點(diǎn)集合或路徑點(diǎn)集合，則將該搜尋點(diǎn)視為邊界線L的斷點(diǎn)，將該搜尋點(diǎn)坐標(biāo)從邊界線L集合中移除，并將該搜尋點(diǎn)坐標(biāo)存儲(chǔ)至廢棄點(diǎn)集合中，進(jìn)入步驟E6 ;否則，進(jìn)入步驟E7 ；(E6)若搜尋點(diǎn)的前一個(gè)點(diǎn)是邊界線L的起始點(diǎn)，那么舍棄邊界線L，重復(fù)步驟E2從起始點(diǎn)的下一個(gè)點(diǎn)繼續(xù)判斷；否則，對(duì)搜尋點(diǎn)的前一個(gè)點(diǎn)周?chē)磁卸ǖ狞c(diǎn)按步驟E4繼續(xù)判定；(E7)判斷新的點(diǎn)是否屬于邊界線L集合中，若是，則進(jìn)入步驟ES;若不是，將新的點(diǎn)作存儲(chǔ)到邊界線L集合中，邊界線L的長(zhǎng)度XnW 1，記錄新的點(diǎn)與搜尋點(diǎn)的位置關(guān)系，將新的點(diǎn)作為搜尋點(diǎn)重復(fù)步驟E4、步驟E5 ； (ES)判定新的點(diǎn)是否是邊界線L的起始點(diǎn)，若是，則邊界線L搜尋結(jié)束，得到一條新的邊界線；若不是，此時(shí)邊界線L的點(diǎn)集合為{匕，P1,…，ΡΜ_1； ΡΜ, Ρμ+1, Ρμ+2,…，ΡΜ+Ν}，新的點(diǎn)為Pm，則將{ΡΜ，ρ?+1,…，Ρ?+Ν}作為一條新的邊界線，同時(shí)將點(diǎn)Pm，Ρ?+1,…，Ρ?+Ν的坐標(biāo)從邊界線L中移除，將邊界線L的長(zhǎng)度Xn減去移除的坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)，然后對(duì)點(diǎn)Psh周?chē)磁卸ǖ狞c(diǎn)按步驟Ε4繼續(xù)判定； (Ε9)每得到一條新的邊界線，將位于該邊界線之內(nèi)的所有點(diǎn)存儲(chǔ)至廢棄點(diǎn)集合中；同時(shí)將該新的邊界線長(zhǎng)度X與常數(shù)檢測(cè)判定值\相比較，若X < XL，將新的邊界線舍棄，新的邊界線中所有點(diǎn)存儲(chǔ)至廢棄點(diǎn)集合中，若X > Xy將新的邊界線保存； (ElO)比較存儲(chǔ)的所有邊界線的長(zhǎng)度，輸出最長(zhǎng)邊界線中各點(diǎn)坐標(biāo)。
7.如權(quán)利要求6所述的非接觸式液位測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述的探頭(10)位于儲(chǔ)液罐斜上邊布置，所述的步驟F中，包括如下步驟: (Fl)圖像的兩條對(duì)角線將圖像分為四個(gè)區(qū)域； (F2)取離探頭最遠(yuǎn)的區(qū)域中最長(zhǎng)邊界線的各點(diǎn)坐標(biāo)，并根據(jù)這些坐標(biāo)找出最接近這個(gè)區(qū)域中最長(zhǎng)邊界線的拋物線方程。
8.如權(quán)利要求7所述的非接觸式液位測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述的拋物線的一般方程為:
((χ-h) sin θ + (y-k) cos Θ ) 2=2p ((x_h) cos Θ + (y-k) sin Θ )， 其中，Θ是拋物線按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度，(h，k)是拋物線的頂點(diǎn)坐標(biāo)，p是拋物線的焦距；所述步驟G中拋物線方程的參數(shù)即(h，k，ρ，Θ )。
9.如權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的非接觸式液位測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述的探頭(10)與圖像采集卡(21)間設(shè)置有光端機(jī)(30)，光端機(jī)(30)包括光發(fā)射機(jī)(31)、光接收機(jī) (32)，光發(fā)射機(jī)(31)的輸入端與探頭(10)的輸出端相連，光接收機(jī)(32)的輸出端與圖像采集卡(21)的輸入端相連，光發(fā)射機(jī)(31)與光接收機(jī)(32)間通過(guò)光纖(33)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
【文檔編號(hào)】G01F23/00GK103743452SQ201310751029
【公開(kāi)日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】徐勇, 萬(wàn)力, 張啟運(yùn), 魏慶農(nóng) 申請(qǐng)人:合肥金星機(jī)電科技發(fā)展有限公司