基于计算机视觉的河流水位测量系统设计

摘要

在当今全球气候变暖的背景下，我国的自然灾害频发，特别是防旱抗灾一直是我们国家重要的民生工程，而各大水系实时的水位数据对研究和预防水旱灾害就显得至关重要。对此，人们研究了多种不同的河流水位数据的自动测报系统。但是，这些系统因原理及所用技术的局限性，在实际应用中就对使用环境提出了各种苛刻的要求，不能满足一般的环境条件。而随着机器视觉技术的方兴未艾，应用图像传感装置在嵌入式平台上模拟人眼对测水尺读数为水位测量的智能化提供了一种全新的思路。本文设计了一种基于数字图像处理技术的河流水位采集系统，提出了采用CMOS图像传感器采集包含刻度水尺的水位图像，并在ARM平台上实现刻度线的识别，然后通过GPRS无线报送水位数据的设计方案。论文首先结合河流水位测量领域中常用的技术手段介绍了此课题的研究背景及意义，其次总结了本方案涉及到的CMOS图像传感器、USB2.0接口、图像处理和GPRS通信等基础理论知识，再次详细阐述了本设计的功能单元硬件电路搭建和刻度线识别的软件算法流程，最后通过仿真验证了本设计的可行性。
　　本文最主要的研究工作体现在:1）传统的图像数据采集方法是通过FPGA来产生CMOS图像传感器控制时序，将图像数据读出存至缓存芯片，而本方案采用USB2.0控制器Cy7c8013的通用可编程接口GPIF连接图像传感器并产生图像传感器正常工作时的逻辑信号，同时通过USB2.0总线与嵌入式主机USB接口通信传输采集的图像数据，相比于采用FPGA作为时序的产生电路，此法花费少，效率高，编程简单;2）在嵌入式软件识别刻度线的算法中充分考虑到水平刻度线相比于其他一般直线的特殊性，采取了专门的直线检测识别算法Hough变换，并在此基础上应用了一种改进的Hough变换算法，能快速准确识别出水平刻度线，此法较未改进的原始霍夫变换所花费的时间有明显的缩短且效果良好;3）针对水位波动造成测量偏差的问题，采用多次测量取均值的办法给出了一种确定水位测量数据的解决思路，即在T时刻取很短的时间△t，在T～△t的时间内多次采样，然后进行多次刻度线的识别，并计算出每幅图像所确定的水位数据，最后将所得到的数据去掉粗大误差再求平均值作为此时的水位。这样作为有波浪时水位数据不确定提供了一种解决思路。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．2 当前国内外研究现状及发展趋势

1．3 本课题的研究任务及论文内容安排

第二章 智能河流水位测量系统总体设计

2．1 系统总体设计

2．2 图像传感器类型的选择

2．3 专用水位图像处理平台选择

2．4 水位的图像数据处理流程

2．5 水位数据远程传输方式的选择

第三章 系统硬件电路设计

3．1 图像采集及其控制时序的发生电路设计

3．1．1 CMOS图像传感器的技术介绍及其选型

3．1．2 CMOS图像传感器控制时序电路设计

3．2 水位识别模块及其辅助电路设计

3．2．1 嵌入式微处理器芯片S3C6410简介

3．2．2 系统随机内存芯片选型与电路设计

3．2．3 系统程序存储芯片的选型及电路设计

3．2．4 系统时钟及复位电路设计

3．3 高速USB接口数据传输电路设计

3．4 GPRS通信设计

第四章 嵌入式平台及USB固件的软件设计

4．1 嵌入式平台的选择及其构建方法

4．1．1 嵌入式操作系统整体概述

4．1．2 嵌入式Linux系统的构建

4．2 USB设备端CY7C68013固件开发

第五章 基于图像的河流水位测量算法设计

5．1 水位标尺图像预处理算法

5．1．1 图像的校正

5．1．2 目标区域的提取

5．1．3 目标区域的预处理步骤

5．2 水位标尺刻度线识别算法设计

5．3 水位数据的确定

5．3．1 水位波动规律的探讨

5．3．2 水位的最终确定

第六章 实验结果与数据分析

6．1 测试环境搭建

6．2 测试数据的采集

6．3 测试数据的结果分析

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

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