使用影像在时间上的像素的浓度分布变化的液体边界面识别方法和使用该方法的液体高度识别装置

摘要

本发明提供一种液体边界面识别方法和使用该方法的液体高度测量装置，对以包含液体边界面的方式拍摄而得到的影像进行灰度图像处理，并将沿X方向和Y方向分布的各像素按照浓度进行数值化，仅提取水位标上在X方向上对应于刻度区域的影像，根据所提取的影像求出将Y方向上的各像素进行合计后的数值而形成对像素的Y方向的直方图数据，对于时间上具有前后关系的拍摄影像相互比较直方图数据，并判断直方图数据上是否产生了规定的增加值以上的差，将开始产生规定的增加值以上的差的像素在Y方向上的位置(高度)作为液体边界面来识别并测量。

说明书

技术领域

本发明涉及使用影像在时间上的像素的浓度分布变化的液体边界面识别方法和液体边界面识别装置，具体而言，涉及根据连续拍摄液体边界部分而得到的影像，利用液体边界部分的影像在时间上变化的现象，确认影像的Y方向各像素浓度的时间性变化来识别液体的边界面，由此使如河川的水位、液体贮存箱(tank)的水位等的液体高度的测量中的误差产生最小化，从而提高液体高度测量的准确度的液体边界面识别方法和使用该方法来识别液体高度的液体高度识别装置。

背景技术

对于如测量河川的水位或测量水坝(DAM)的水位的情况、或测量贮存着液体的液体贮水箱的水位的情况那样测量液体的高度的情况，现有技术中公开了设置水位标并在液体边界面附近拍摄水位标的影像，并对所拍摄到的影像进行分析而可自动测量液体的高度的技术。

具体而言，在韩国的专利注册第10-778014号中公开了利用影像拍摄来自动测量液体的高度的技术的一例。这里公开的“利用影像的液体高度测量装置”包括水位标、影像取得装置和高度测量装置，构成为：由影像接收部接收拍摄影像，生成基于颜色浓度的数值化后的影像，并识别液体表面即液体边界面，从拍摄影像测量水位标的数字并决定最小值，测量从识别出的液体边界面到与上述最小值相应的数字为止的垂直方向上的像素数，从而决定液体的高度。

但是，在现有技术中，拍摄的影像中仅使用垂直方向、即Y方向的颜色浓度变化来测量液体边界面。即，将在拍摄影像的Y方向上颜色浓度从上到下或从下到上急剧变化的位置识别为液体边界面。因此，在如下这种情况下会发生液体边界面的识别错误。

(1)用于测量液体高度的水位标的表面被污染的情况

(2)液体非常清，因此浸在液体中的水位标被透视而拍摄的情况

(3)水位标上缠挂着漂浮物等的情况

(4)水位标以多级设置的情况

即，在(1)或(3)的情况下，尽管不是液体边界面，但在拍摄影像中，在水位标的表面上存在的污染物所存在的位置的上下，颜色浓度急剧变化，所以有时会发生将这种污染物的存在位置误识别为液体边界面的情况。

在(2)的情况下，若液体太清澈，则在液体边界面上颜色浓度不会发生大的变化，由此在仅单纯根据上下间的颜色浓度变化来识别液体边界面的现有技术中，不能测量准确的液体边界面。

例如，(4)的情况相当于在桥墩的基底部设置水位标、且水位标连续位于直径比基底部小的桥墩上的情况。这种情况下，从拍摄的影像看时，基底部和桥墩的边界位置上，上下侧间的颜色浓度的差会表现为很大，由此会发生将该基底部和桥墩的边界位置误识别为液体边界面的情况。

发明内容

发明的概要

发明要解决的问题

因此，本发明的目的是使现有技术的局限、即包括上述的(1)～(4)的情况中例示的状况在内的难以准确测量液体边界面的状况下发生的液体高度的测量中的误差最小化。

具体而言，本发明的目的是在发生了上述的(1)～(4)的情况中例示的状况等时也准确识别液体的边界面，从而使如河川的水位、液体贮存箱中的水位那样的液体高度测量中的误差的发生最小化，提高液体的高度测量的准确度。

用于解决问题的手段

为了实现如上所述的问题，根据本发明的一个方式，提供一种根据连续拍摄的对液体边界面的影像，利用针对Y方向像素的直方图数据的时间上的变化，来识别液体边界面的方法和装置。

具体而言，本发明中提供一种液体边界面识别方法，根据以包含液体边界面的方式连续拍摄水位标101而取得的影像，识别液体边界面，其特征在于，包括如下步骤(step)：对以包含液体边界面的方式拍摄而得到的影像进行灰度(gray)图像处理，并将沿X方向和Y方向分布的各像素按照浓度进行数值化(S1)；从将各像素数值化后的影像中，仅提取对应于从水位标(101)向X方向显示了主刻度和副刻度的刻度区域的影像(S2)；根据所提取的对应于刻度区域的影像，将在Y方向上位于同一位置的X方向的所有像素的数值进行合计，求出所合计的Y方向上的各像素的数值，从而形成针对像素的Y方向的直方图数据(histogram data)(S3)；对连续的拍摄影像中的各个拍摄影像反复且连续执行针对像素的Y方向的直方图数据的形成步骤，并对时间上具有前后关系的拍摄影像相互比较直方图数据，判断所述时间上具有前后关系的拍摄影像间的直方图数据中是否产生了规定的增加值以上的差(S4)；以及将开始产生规定的增加值以上的差的像素作为位于液体的边界面的像素，并将该像素的Y方向位置即高度识别为液体边界面(S5)。

此外，在本发明中，提供一种液体高度识别装置，根据通过影像取得装置以包含液体边界面的方式连续拍摄水位标而取得的影像，识别液体边界面，并决定液体的高度，其特征在于，包括：影像接收部，从影像取得装置接收以包含液体边界面的方式连续拍摄水位标而得到的影像；主控制部，根据所拍摄的影像，决定液体的高度；以及摄影信号控制模块，通过所述主控制部的控制，使影像取得装置动作；主控制部通过上述的本发明的液体边界面识别方法来决定液体的高度。

在本发明的方法和装置中，在所拍摄到的影像的亮度为事先设定的亮度以下的情况下，在将拍摄影像的像素进行数值化时，还通过影像的二值化处理执行对影像进行边缘(edge)处理的操作，以消除像素的变化，并且明确表示水位标的显示内容。

发明效果

本发明在难以准确识别液体边界面的各种状况下也可准确且稳定地进行液体边界面的识别，由此，能够准确测量液体的边界面高度。因此，本发明能够有效地利用于水位测量。

附图说明

图1是表示可具有使用本发明的一实施方式的液体边界面识别方法的液体边界面测量装置的液体高度识别装置的一例的概要图。

图2是表示可具有使用本发明的一实施方式的液体边界面测量方法的液体边界面测量装置的液体高度识别装置的一例的模块结构图。

图3是表示本发明的液体边界面识别方法的各方法步骤的流程图。

图4是表示在水位标上以包含液体的边界面的方式取得的影像的一例的图。

图5是用图表示边缘(edge)处理前的拍摄影像的图。

图6是用图表示边缘处理后的拍摄影像的图。

具体实施方式

本发明的液体边界面识别方法，根据以包含液体边界面的方式连续拍摄水位标101而取得的影像，识别液体边界面，其特征在于，包括：对以包含液体边界面的方式拍摄而得到的影像进行灰度图像处理，并将沿X方向和Y方向分布的各像素按照浓度进行数值化的步骤(S1)；从将各像素数值化后的影像中，仅提取对应于从水位标向X方向显示了主刻度和副刻度的刻度区域的影像的步骤(S2)；根据所提取的对应于刻度区域的影像，将在Y方向上位于同一位置的X方向的所有像素的数值进行合计，求出所合计的Y方向上的各像素的数值，从而形成针对像素的Y方向的直方图数据的步骤(S3)；对连续的拍摄影像中的各个拍摄影像，反复且连续执行针对像素的Y方向的直方图数据的形成步骤，并对时间上具有前后关系的拍摄影像相互比较直方图数据，判断所述时间上具有前后关系的拍摄影像间的直方图数据中是否产生了规定的增加值以上的差的步骤(S4)；以及将开始产生规定的增加值以上的差的像素作为位于液体的边界面的像素，并将该像素的Y方向位置(高度)识别为液体边界面的步骤(S5)。

本发明的液体高度识别装置，根据通过影像取得装置以包含液体边界面的方式连续拍摄水位标而取得的影像，识别液体边界面，并决定液体的高度，其特征在于：包括：影像接收部，从影像取得装置接收以包含液体边界面的方式连续拍摄水位标而得到的影像；主控制部，根据所拍摄的影像，决定液体的高度；以及摄影信号控制模块，通过主控制部的控制，使影像取得装置动作；主控制部通过上述的本发明的液体边界面识别方法来决定液体的高度。

下面，参考附图详细说明本发明的优选的实施方式。

图1和图2分别作为可具有使用了分别是本发明的一实施方式的液体边界面的识别方法的液体高度识别装置的液体高度测量装置的一例，是表示韩国的专利注册第10-778014号中公开的液体高度测量装置的结构的概要图和模块结构图。

使用本发明的液体边界面识别方法、可具有本发明的液体高度识别装置的液体高度测量装置如图1及图2、以及韩国的专利注册第10-888014号所公开那样，构成为包括：水位标101，显示有由数字构成以使视觉上识别液体的高度的主刻度、以及由代码构成以进行条形(bar)显示的副刻度，以垂直浸入到液体中的方式设置；影像取得装置10，2拍摄水位标101的表面；以及液体高度识别装置103，接收由该影像取得装置102拍摄的影像并识别液体105的边界面，从而决定液体105的高度。

上述的液体高度识别装置103可以构成为包括：影像接收部203，接收由影像取得装置102拍摄的影像；主控制部201，根据拍摄到的影像，来决定液体的高度；以及摄影信号控制模块(module)202，通过主控制部201的控制，使影像取得装置102动作。图1和图2中，附图标记101是水位标，附图标记102是影像取得部，附图标记103是高度识别部，附图标记104是中央管理装置，附图标记105是液体，附图标记107是支撑台。此外，附图标记201是主控制部，附图标记202是摄影信号控制模块202，附图标记203是影像接收部，附图标记204是传输单元。附图标记205是照相机(camera)，附图标记206是云台(pan-tilt)，附图标记207和208分别是照明装置和透镜控制模块。上述的各构成要素已经全部公开在韩国的专利注册第10-778014号中，所以通过援引该专利的内容而省略对此的反复说明。

本发明的液体边界面识别方法由上述的主控制部201执行。即，本发明的液体高度识别装置103的主控制部201通过本发明的液体边界面识别方法来识别液体边界面并测量液体高度。如后所述，本发明的液体高度识别装置103的主控制部201通过与上述专利注册第10-778014号所公开的主控制部201不同的液体边界面识别方法来识别液体的边界面。

接着，说明本发明的液体边界面识别方法。图3表示用于说明本发明的液体边界面识别方法的各方法步骤的流程图。图4表示在水位标101上以包含液体501的边界面的方式取得的影像的一例。图4中，附图标记502是副刻度。

本发明的液体边界面识别方法以在水位标101上取得了包含液体边界面的影像的状态为前提。

即，通过影像取得装置102，连续取得如图4所示的以包含液体边界面的方式拍摄水位标101的影像，在所取得的影像传输到高度识别装置103的状态下，通过本发明的液体边界面识别方法来测量液体边界面。

通过影像取得装置102连续取得以包含液体边界面的方式拍摄水位标101的影像、将所取得的影像传输到包含本发明的液体边界面识别装置的高度识别装置103的方法步骤及结构的一例公开在韩国的专利注册第10-778014号中，这里，通过援引其内容而省略对此的反复说明。在本申请中，例示了本发明的液体边界面识别装置和液体边界面识别方法中使用的水位标101的连续拍摄影像、即以包含液体边界面的方式连续拍摄水位标101而得到的影像是通过专利注册第10-778014号所公开的方法来取得的情况，但是本发明并不限于此。因此，在本发明的液体边界面识别方法及液体边界面测量装置中能够利用通过其他方法以包含液体边界面的方式连续拍摄水位标101而取得的影像。

本发明中，根据在不同时间以包含液体边界面的方式拍摄水位标101而得到的影像，基于随时间经过而发生的颜色浓度的变化来测量液体边界面。即，对于以一定的时间间隔拍摄水位标101而得到的各个影像，比较之前时间拍摄的影像的基于颜色浓度的直方图数据和之后时间拍摄的影像的基于颜色浓度的直方图数据，并感知是否发生了颜色浓度的变化(直方图数据间的变化)，从而识别液体边界面。

更具体地说明本发明的液体边界面识别方法和液体边界面识别装置。在连续拍摄并取得以包含液体边界面的方式拍摄水位标101的影像的状态下，本发明的液体边界面识别装置执行如下步骤(S1)：对以包含液体边界面的方式拍摄而得到的影像进行灰度图像处理(将拍摄影像做成黑白影像的操作)，并将沿X方向和Y方向分布的各像素按照浓度进行数值化。这里，X方向表示水位标的水平方向，Y方向表示水位标的高度方向、即垂直方向(液体的水位上升/下降的方向)。这样，作为本发明的液体边界面识别方法的第1步骤，执行像素浓度的数值化步骤(S1)，将以包含液体边界面的方式拍摄而得到的影像做成黑白影像(灰度图像处理)，并将由此产生的黑白影像中存在的各像素的浓度(黒白影像的浓淡)数值化。一般而言，黑白影像的各像素的浓度具有约0～255的值。这种拍摄影像的灰度图像处理和将各像素按照浓度进行数值化的方法在影像处理领域中为公知的，所以省略其详细说明。

在如夜间那样照射水位标的光量不足因而拍摄到的影像的亮度为事先设定的亮度以下的情况下，在本发明的液体边界面识别装置中通过影像的二值化处理来执行影像的边缘处理。图5是用图表示边缘处理前的拍摄影像的图，图6是用图表示边缘处理后的拍摄影像的图。从图5和图6可知，如果对拍摄影像进行边缘处理，则水位标上显示的数字和字符的边缘被表现得更粗且更鲜明，所以即使因如夜间那样光量不足而获得了较暗的影像，也能够更容易地识别出刻度上显示的数字等。

一般，如果对在光量不足的夜间拍摄的影像仅进行灰度图像处理，则各影像的像素的浓度变化会持续变化。例如，随时间经过，发生像素变亮等的现象。像这样，如果像素浓度随时间经过持续变化，则难以检索准确的液体边界面，但是在如上所述执行边缘处理的情况下，随时间经过引起的影像中的像素浓度变化被消除。由于对拍摄影像进行边缘处理的具体方法是影像处理领域中已知的影像处理方法，所以省略有关其具体内容的说明。

在本发明的液体边界面识别装置中，执行如下的步骤(S2)：从将各像素数值化后的影像中，在水位标101起始的点上以X方向的座标为基准，利用已知的主刻度的X方向的宽度和副刻度的X方向的宽度，仅提取在X方向上显示了主刻度和副刻度的区域的影像。

若提取与显示了主刻度和副刻度的区域(“刻度区域”)对应的影像，则执行如下步骤(S3)：根据所提取的刻度区域的影像，将沿Y方向位于同一位置的X方向的所有像素的数值进行合计，并使用沿X方向由所有像素的数值的合计构成的Y方向上的各像素的数值，来形成针对像素的Y方向的直方图数据。例如，若假设在X方向上排列有m个像素，在Y方向上排列有n个像素，则对像素Pxy求出像素P11到像素Pm1的各像素的数值合计，并求出像素P21到像素Pm1的各像素的数值合计。通过反复进行这种求出各像素的数值合计的操作来求出像素P1n到像素Pmn的各像素的数值合计，从而获得“沿X方向由所有像素的数值合计构成的Y方向上的各像素的数值”。作为针对像素的Y方向的直方图数据，使用这样获得的“沿X方向由所有像素的数值合计构成的Y方向上的各像素的数值”。

对于连续的拍摄影像中的各个拍摄影像，反复且连续执行这种针对像素的Y方向的直方图数据形成步骤(S3)，并对前后的影像执行相互比较直方图数据的步骤(S4)。例如，对于在时间t1拍摄到的影像形成针对像素的Y方向的直方图数据，对于在时间t1之后的时间t2拍摄到的影像形成针对像素的Y方向的直方图数据，并比较时间t1的直方图数据和时间t2的直方图数据。

通过这种与时间的前后影像有关的直方图数据的比较步骤，判断是否发生了规定的增加值以上的差。该情况下，本发明的液体边界面识别装置将直方图数据间的差开始成为规定的增加值以上的像素作为位于液体的边界面的像素，而将该像素的Y方向的位置(高度)识别为液体边界面(S5)。

像这样，若识别为液体的边界面，则接着计算液体边界面的高度。计算液体边界面的高度的具体方法的一例，在韩国的专利注册第10-778014号中详细公开。即，在识别液体边界面的影像中，识别水位标上显示的主刻度的数字，并在识别出的数字中决定最小值和每像素的高度值，对从液体边界面到与最小值相应的数字为止的在垂直方向上的像素数进行计数，并乘以每像素的高度值，从而算出最小值到液体边界面的距离，并从该最小值减去算出的距离而算出实际的液体高度。对于液体边界面的高度运算过程的一例的其他事项，由于援引了上述专利注册第10-778014号的内容，所以省略其反复说明。

如上所述，本发明的液体边界面识别方法和液体边界面识别装置中，从连续拍摄的对于液体边界面的影像中，利用在时间上具有前后关系的拍摄影像间发生的针对Y方向像素的直方图数据的变化，来识别液体边界面。

如前面的“背景技术”中所谈到的那样，在现有技术中，在指定时间拍摄到的影像中，仅检查Y方向上的颜色浓度，并将颜色浓度在Y方向上从上到下或从下到上急剧变化的位置识别为液体边界面。因此，发生了上述提及的包含(1)～(4)的情况在内的各种难以正确识别液体边界面的状况。

相对于此，在本发明中，不仅如现有技术那样根据静止状态的颜色浓度的变化，还根据时间上的颜色浓度的变化来识别液体边界面。即，比较在时间t1拍摄到的影像的针对像素的Y方向的直方图数据、与在时间t1之后的时间t2拍摄到的影像的对像素的Y方向的直方图数据，并将直方图数据间的差开始成为规定的增加值以上的位置识别为液体边界面。因此，不会发生在上述那样难以识别液体边界面的状况下误识别液体边界面的错误，而能够识别出正确的液体边界面。

例如，在用于测量液体高度的水位标的表面被污染，水位标上缠挂着漂浮物等的情况下或多级设置了水位标的情况下，静止状态下的拍摄影像中，开始污染的位置或缠挂着漂浮物的位置、或多级连结水位标的位置相当于颜色浓度的急剧变化的位置，现有技术中存在发生将其识别为液体边界面的错误的问题。但是，由于这种污染开始位置等在短时间内位置不会变化，所以若按照本发明比较不同时间的前后影像间的颜色浓度差、即直方图数据，则在污染开始位置上直方图数据随时间的变化不足以将其看作液体边界面。因此，根据本发明，不会发生将这种污染开始位置识别为液体边界面的错误。

另一方面，由于液体边界面除了具有颜色浓度急剧变化的特征之外，一般还具有持续运动的特征，所以在液体边界面上不同时间的前后影像间的直方图数据会出现很大差异。本发明根据这种前后影像间的直方图数据的差来识别液体边界面，所以能够识别出准确的液体边界面，由此能够准确测量出液体边界面的高度。

以上，在本发明的详细说明中说明了具体的实施方式，但是对于具有本技术领域的通常知识的人员而言，在不脱离由权利要求的记载及其等效物决定的本发明的范围和精神的范围内能够进行各种形式和细节的各种改变是显而易见的。

工业实用性

本发明可以在液体的高度测量中使用。