基于单摄像机的液位测量的研究毕业设计.docx

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基于单摄像机的液位测量的研究毕业设计

基于单摄像机的液位测量研毕业设计

第1章绪论

1.1课题背景

为了很好地监测液位的高度，长期以来对于全自动操作测量系统的需求一直存在着，但人们还在使用就地读出式的数据记录仪，这就意味着所有的被采集的数据都是过期的，仅仅是提供了一个历史数据。

这种就地式仪器不具备持续监测功能。

随着科学技术的不断发展，传统液位测量方法派生出来的指标体系的局限性日益暴露出来，为了弥补这一缺陷，本课题将设计一种基于单摄像机的液位测量方法。

随着计算机技术、光电技术、数字图像处理技术的成熟和现代测试理论的发展，测量方式向快速化、自动化、智能化发展，在现代的工业自动化生产过程中，单摄像机液位测量充分利用它的灵活性、实时性、准确性，在各种场合取代了复杂的人工检测，提高了控制的准确性和执行速度，降低了成本。

基于单摄像机的液位测量是建立在数字图像处理基础上的一门新兴技术，它是一种非接触式的测量方法，最大优点是与被测量对象无接触，因此它不会改变被测量的运动参数，不会带来由于引入额外装置所带来的误差。

虽然已有多种方法对液位进行测量，但是其操作都较繁杂，而且带来较大误差；其次是周期较长，设备复杂，花费较为昂贵。

在非接触测量中，液位测量成为重要的一门科学，在生活中几乎无处不在，而且随着现代集成电路技术的发展，光学器件的发展，计算机处理能力和集成芯片功能的日益强大，专用图像处理软件的开发成为热门，单摄像机的液位测量潜在的应用领域正在扩大。

其次，因为人不能长时间地观察对象，单摄像机则不知疲劳，始终如一的观测，所以可以广泛的用于长时间恶劣的工作环境[1]。

在今后它将以CCD为主的光电传感器的高灵敏度、非接触、高分辨率、高速度、实时性结合在一起，从而成为现代检测技术的主流趋势。

本文在现有的数字图像处理技术基础上，采用单摄像机的成像原理，研究一种新的基于图像测量技术的液位的测量方法，该系统安装使用方便，标定简单，通过精确使用该设备可以有效地测量液位高度，从而达到对液位有效连续地进行监控。

1.2研究及发展现状

液位测量技术在工程领域有着极为广泛的应用，在一般的生产工艺加工过程中，通常只需要对物料的表面位置，进行记录和储存，以作为确保生产工艺、安全等方面的需要。

其次，随着生产自动化程度的不断提高，必须首先对液位测量数据进行控制与调节，以保证自动化生产能够自动控制在最佳状态；再就在现代化的企业生产过程中，计算机用于生产控制中心已越来越普及，人们都采用计算机控制系统对生产进行各种综合控制与管理，所以液位测量技术也随之提出更高的要求，控制系统也更趋智能化、统一化；要求测量的对象要广、测量的精度要求高、可靠性要好、测量环境特殊实用性要强等。

所以这对测量带来很大的困难，尤其是液面具有波动或有气泡或液面高度随时间改变的动态测量、被测物具有粘滞性或是导电介质等等情况时，如何来提高测量精度；有时还要考虑容器的密封性、介质是否含有腐蚀物以及是否具有毒性和易爆性等问题对测量要求的影响。

因此，为了满足各种不同测量条件的要求，人们研制出适合于各种各样要求的液位传感器。

随着科技的不断发展，液位的测量更是在生活中无处不在，张达等在中间包内钢水液位精确测量方法研究中提出了一种通过计算机视觉技术检测连铸中间包内钢水层液位高度的方法。

从中间包内空气层中穿过保护渣层向钢水层中插入一个铝碳质的测量棒，通过安装于测量棒侧上方的摄像机采集测量棒图像，进而确定保护渣层的实时液位。

待测量棒与周围介质达到热平衡后，升起测量棒，并通过摄像机采集测量棒外壁的温场分布，根据保护渣层和钢水层分界面处存在局部温度梯度峰值的特征识别分界面位置及保护渣层厚度，从而确定中间包内钢水层液位。

同时，本文对于液位测量系统的构成以及降温、防尘等关键问题进行了研究。

现场应用结果表明：

本方法能够有效克服保护渣层影响，实现中间包内钢水层液位的可靠测量，测量偏差小于5mm[2]。

基于单摄像机的应用也得到了体现，兰玉杰等著的基于单摄像机手眼系统的距离测量标定方法中提出了一种适用于机器人手眼系统进行双目测距的简单的测量标定方法。

这种方法通过控制深度方向上的一次移动，即可得到某些参数的标定解，从而克服了一些标定系统技术上的难点。

通过实验验证，本方法可以达到小于12%的测量精度。

可以用于机器人的视觉粗定位和三维避平障等实际应用[3]。

在国外这一研究也得到较快的发展，如FerranReverter,XiujunLi,GerardC.M.Meijer所著的Liquid-levelmeasurementsystembasedonaremotegroundedcapacitivesensor中提到：

用一不锈钢棒和聚四氟乙烯绝缘电线构成电容传感器的电极，该接口电路依赖于一个简单的张弛振荡器和微控制器，一个主动屏蔽电缆互连的传感器接口电路，电路的稳定性是考虑到互连电缆和传感器的寄生元件。

该系统已通过实验测试，测量接地的金属容器内的自来水水位，在70厘米的水平范围内，系统具有非线性误差小于0.35毫米[4]。

MarcelGautschi在全自动液位测量与监控系统—GSM-2中提到：

液位测量中，移动通信网络和Internet的使用使得分散式的测量系统可以利用虚拟合并技术，在地域上实现一致，并随时采集任何需要的数据[5]。

Ti-HoWang,Ming-ChihLu,Chen-ChienHsu,Cheng-ChuanChen,Jia-DongTan所著的Liquid-levelmeasurementusingasingledigitalcamera等中提到：

通过从容器中液体表面选取不同颜色的浮漂，通过色度滤波和阈值技术计算出被摄像机捕捉到的浮漂图像的像素数，建立一个关于浮漂图像直径的像素数和摄影距离的关系，那么该系统就能有效地测量液位的高度[6]。

目前，基于单摄像机的液位测量的研究仍然是一个非常活跃的研究领域，随着计算机技术的飞速发展，数字图像处理技术的提高，该方法将成为今后液位测量的主导。

可见，通过计算机技术、数字图像处理等多学科专家的努力，基于单摄像机的液位测量的研究会得到更深入的发展以及取得丰硕的成果。

1.3主要研究内容

本文结合计算机、数字图像处理等技术，根据摄像机的成像原理，在美国Borland公司开发的基于全新的可视化编程环境的开发板delphi上对图像进行处理，提取特征元素，并根据算法实现封闭容器中液位高度的测量。

本文主要研究内容如下：

第2章，主要介绍了基于图像的液位测量方法，给出了系统的总体方案，其中包括测量系统模型的建立、液位测量流程图、像素数与摄影距离之间的关系，最后还讨论了单摄像机的内在参数、浮漂的选择等，为后面的研究奠定基础。

第3章，简单介绍了单摄像机的选择，当然也包括摄像机的成像原理及拍摄技巧。

还包括摄像机镜头和图像采集卡的基本理论知识和在本设计中使用时的选择标准。

第4章，主要介绍数字图像处理技术的基础与应用，其中重点介绍数字图像进行预处理的基本原理及其实现方法，介绍几种与本设计相关的图像预处理方法，这其中又包括图像的灰度化处理、二值化处理、中值滤波和边缘检测等，最后编写并调试仿真程序。

结论部分，是对整个设计过程的总结分析，对所遇到的问题进行讨论和推敲。

第2章基于图像的液位测量原理

2.1测量系统模型的建立

由于测量技术要与当代化学、食品工业以及生物医学方面的进展相适应，液位测量技术发展相对滞后，仍需不断发展。

在一些实际应用中，安装机械系统是不可能的，比如压力传感器。

因此，在容器中无电气链接的无接触测量法和无损测量法在最近几年得到很大发展。

然而，这些技术却不能记录测量过程中容器中发生的化学反应。

已存在的液位测量方法虽然一定程度上已经可以记录测量过程中发生的变化，却要求有两条精确安装在摄像机上的平行激光束。

而且，容器中的漂浮物要通过细线精确的固定到液面中央，而这一要求，无疑是测量系统中的致命的缺陷。

因此，在实际应用中，建立和校准测量系统是一件相当困难的任务。

为了提高测量系统的性能以及解决以上涉及到的问题，本论文提供了

图2-1液位测量系统示意图

一个新颖的液位测量方法：

采用单数字摄像机和一个环形浮漂测量方法。

这个测量系统的安装方法简单且直观，只要将数字摄像机安装在容器正上方。

数字摄像机用来捕获液面上环形浮漂的图像。

为了使测量系统的性能更好，环形浮漂要依据容器的大小选择合适的尺寸，浮漂的颜色则要与液体的颜色不同，这样有利于数字相机区分液面和浮漂。

然后，通过色度滤波和阈值技术，摄像机捕获到的图像中浮漂的像素数通过计算，就可以轻松的得到。

从而得到液位高度。

液位测量系统如图1所示。

图1所示的液位测量系统中，最大视角为2θmax的数字摄像机安装在液体容器顶上，且它的主轴垂直于液体表面。

为了获得更好的测量精度，光源与摄像机前端的距离h0需要被考虑进去，它是摄像机特别重要的一个内在参数，本文将在后面做详细介绍。

注意，单摄像机有一段距离为h1的后移，以规避通过现有方法不可避免的遇到的现场附近的深度（自由度）限制。

为了防止摄像机与液体相接触，在两者之间装一钢化玻璃，形成一个非接触的测量系统。

为了防止环境对摄像机和液面造成的不良影响，用一面具将摄像机覆盖，另外，两个点光源的安装是为了在密闭容器中提供光亮并以此来增强图像质量。

一个已知直径的用非腐蚀性材料做成的环形浮漂将被用作液位测量的工具。

为了提高目标浮漂的稳定性，一沉子将被装在目标浮漂的底部以降低浮漂在液体表面的波动，此外浮漂应是单色的并与液体的颜色应当有所区别以便能够更容易进行图像识别。

Hfloat是浮漂位于容器底时的厚度。

如图所示，图像帧中目标浮漂直径在Pa和Pb处的像素数N（ha）和N（hb）分别是摄影距离ha和hb的函数。

通过基于摄影距离和图像帧的像素数之间的关系，就能准确的通过由摄像机捕获到的图像帧中目标浮漂直径的像素数确定液位高度[7]。

2.2像素数与摄影距离之间的关系

因为液体表面上环形浮漂的特性，浮漂直径的像素数N（ha）和N（hb）可以通过图像的水平浏览线计算而得到，基于摄影距离与图像帧中浮漂像素数的三角关系就能计算出目标浮漂与摄像机镜头的距离，继而得到液位的高度，随后可的液体的体积。

通过该液位测量系统中摄像机捕获到的图像中目标浮漂直径的像素数与摄影距离的关系如图2所示。

容器口的视觉角度限制到2θs是用以减少镜头的径向畸变。

由图像中目标浮漂的像素数和它的水平距离的线性关系，可以得到

图2-2浮漂直径像素数与摄影距离的关系图

（2-1）

式中R是浮漂直径，Nmax是图像帧中水平浏览线的最大像素数，且是固定和事先已知的，与摄影距离无关。

N（ha）是摄影距离为ha时浮漂直径的像素数。

如图2中描述的三角关系，可以得到

（2-2）

式中Dm1是在液位视角范围内真实的水平距离，把（2-1）式代入（2-2）式可以得到在液位Pa处摄像机镜头与液位的距离，式中没有Dm1,便可得到像素数与摄影距离之间的关系

（2-3）

2.3确定浮漂直径的子像素计算法

虽然N（ha）可以从图像的水平浏览线直接计算浮漂直径的像素得到，但是这种方法有局限性，特别是当摄影距离较远时，这种方法用起来就不是那么方便了，而且还会增大误差，给测量结果带来很多不确定因素。

为了提高测量精确度，N（ha）可以通过图像中浮漂的总像素数而得到

（2-4）

基于圆半径和面积的关系，式中∑Nfloat是当摄影距离为ha时图像帧中环形浮漂总的像素数。

这样，浮漂直径的测量精度在像素数方面取得了亚像素的分辨率。

因此，这种方法的测量精确度和准确度能被有效的提高。

2.4液位测量法

液位是指容器底部到液体表面的距离。

例如：

ht-ha和ht-hb分别代表液位1和2，由于当浮漂在容器底部时hg是提前知道的，所以可以用该参数去简化液位求导。

因此变换（2-3）式可得摄影