基于圖像識別的非入侵式液位測量方法

周子佳

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基于圖像識別的非入侵式液位測量方法

周子佳

（同濟大學 中德工程學院, 上海 200092）

針對現(xiàn)有的液位檢測系統(tǒng)存在不能同時滿足非入侵式測量的高適應性、高準確性和高穩(wěn)定性等問題，本文采用圖像傳感器，融合高精度標定技術及圖像邊緣處理技術提出了非入侵式液面高度測量方法，組建了由圖像采集及高度測量兩部分組成的液位檢測機制。首先構建高精、高穩(wěn)定的圖像傳感器與微處理器接口；然后通過軟件驅動，實現(xiàn)基于圖像傳感器的實時圖像采集系統(tǒng)；最后通過進行高精度標定，以滿足實際運用。實驗結果表明，采用CMOS圖像傳感器獲取圖像，通過差分邊緣檢測算子檢測邊緣特征點的方法，經(jīng)過標定后，整個系統(tǒng)測量總精度達到±0.3 mm，能夠滿足在石油化工領域液面高度測量精度及測量范圍的要求。

非入侵式；邊緣檢測；圖像傳感器；圖像識別

液面高度測量方法是一種測量空氣與溶液，溶液與溶液或者液體與固體的接觸面的位置測量技術。這種技術在機械工程、化學工業(yè)、石油工業(yè)和水力學方面有廣泛的應用。

原始的液面高度測量依靠人工讀取刻度獲得高度尺寸，這種方法存在人為讀取的固有誤差，并且不能獲得高度的實時數(shù)據(jù)。隨著超聲波與光學傳感技術的發(fā)展，這類發(fā)射型傳感器能在非透明容器中利用液面反射進行液面高度的估算[1-3]。該方法對不透明的油井、油罐等液面的測量能取得較好的結果，但易受工作環(huán)境影響，無法保證測量的穩(wěn)定性和抗噪性，且精度較低。

目前常用的液位檢測方法為浮沉式測量法，但存在測量準確度低且極易受環(huán)境影響的缺點[4]。文獻[5]通過向液體內部放進有色浮標的辦法進行尺度計算，進而得到液面的高度，將圖像處理技術應用到液面高度的測量中。這種測量方法具有較強的環(huán)境魯棒性，靜態(tài)液面高度測量的精度也較為理想。但這種測量方法不易于測量非透明液體(如化工領域的石油類產(chǎn)品)和動態(tài)液面的高度；而且其多采用侵入式的測量方案，容易產(chǎn)生測量以及安裝等方面的誤差。

近年來，隨著信息技術的發(fā)展，掀起了融合電子先進設備與信息處理技術的高效、高精、穩(wěn)定的測試技術[6]的研究熱潮。

圖像所包含的信息是現(xiàn)實世界的真實反映，隨著圖像處理技術和模式識別技術的長足發(fā)展，圖像以其包含的豐富信息而異軍突起，被廣泛地應用于機器視覺、圖像檢索和車牌識別等領域[7-9]。通過判斷空氣和液面之間的分界面可以檢測液面高度，而分界面是圖像領域中的典型邊緣，所以可以將分界面(液面)檢測轉化為邊緣檢測[10-12]。邊緣檢測主要考慮的是圖像中相鄰像素值的階躍變化，是圖像處理技術中的最重要、最成熟的分支之一[13-17]。

本文利用圖像傳感設備以及微處理器構造嵌入式圖像采集系統(tǒng)，并依據(jù)先進的數(shù)字圖像處理技術實時檢測指定容器或器皿內部動態(tài)液面高度變化圖像，實現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性的跟蹤測量，減少光學誤差提高測量精度，最終構建非入侵式的液面自動檢測系統(tǒng)。

1 圖像采集系統(tǒng)設計

隨著圖像電子設備發(fā)展，圖像采集技術日趨成熟，其主要采用圖像傳感器以及透鏡成像原理，遠距離采集高清圖像。本文引入CMOS傳感設備，構建了高效、穩(wěn)定的圖像采集系統(tǒng)。

如圖1所示，在液體容器的一側水平設置有支架，在支架上固定有用于采集透明液體容器圖像的CMOS圖像傳感器，在透明液體容器的另一側設有與CMOS圖像傳感器光軸垂直的散光板。透明液體容器的中心線、CMOS圖像傳感器的光軸及熒光燈管的中心線共面。CMOS圖像傳感器的輸出接口與微處理器相接。熒光燈通過照射散射板并投射到被測液位，液位信號則成像到傳感器。圖像傳感器接收到待測的圖像信號，在微處理器中進行圖像分析與檢測，并將圖像中液位高度信息傳輸?shù)斤@示屏以及遠程通信接口。

由于CMOS圖像傳感器不僅成像速度快、精度高，而且抗噪性強，因此，本系統(tǒng)選用OV9650彩色CMOS數(shù)字圖像傳感器用于靜圖像的獲取。

圖1 液位成像示意圖

在OV9650內部嵌入了1個8位數(shù)模轉換器，每次可同步產(chǎn)生8位數(shù)字流信息，以及水平信號、同步時鐘和幀信號，從而外部設備可讀取圖像信息。如圖2和圖3為輸出信號之間的關系。

圖2 行數(shù)據(jù)輸出時序

圖3 幀數(shù)據(jù)輸出時序

圖像由1 300×1 028像素組成，并且對大多數(shù)信號處理發(fā)生的模擬處理部分尋址。模擬視頻圖像信號基于以下幾個公式：

(1)

、、是等效顏色在每個像素點里的組成部分。YCC同樣適合于以下公式：

(2)

/數(shù)據(jù)信號通過模數(shù)轉換器實現(xiàn)從模擬式到數(shù)字式的(A/D)交換：通信信號通過視頻多路器被傳送到數(shù)字式視頻端口。這種視頻多路器可供用戶選擇16-、8-、或4-比特的視頻數(shù)據(jù)以校正輸出引腳。單片的8位A/D運行至9 MHz，并且與像素速率高度同步。實際兌換率與幀率有關。

2 液位高度測量設計

基于高精CMOS圖像采集設施，并采用ARM微處理器構建嵌入式圖像數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，如圖4所示，基于圖像邊緣檢測技術實現(xiàn)傳感圖像的實時分析，并將容器內液面高度值傳輸?shù)竭h程終端以及LCD液晶屏幕上顯示。

圖4 非嵌入式液位檢測框圖

采用圖像邊緣檢測方法實現(xiàn)圖像中液位分析。圖像液位邊緣是指圖像中灰度值發(fā)生突變的部分。通常圖像灰度值的變化是根據(jù)其灰度分布的梯度來進行分析檢測。因此，采用局部微分差分的分析方法來獲得邊緣檢測算子。圖5為本文所使用的圖像分析步驟。

圖5 圖像分析流程

梯度是度量函數(shù)變化的參數(shù)，通?？蓪⒁环鶊D像看作是取樣點的連續(xù)函數(shù)。其梯度亦可用離散逼近函數(shù)來近似：

由向量分析可知，梯度的方向定義為：

(4)

其中角是相對軸的角度。對于數(shù)字圖像，基于離散差分的梯度可表示為：

通過邊緣識別處理可獲得精確的空氣-液體的接觸面的位置的圖像像素，若想獲得容器高度位置，引入了標定系數(shù)進行像素值與容器內實際液位高度的轉換。

第一步 標定系數(shù)的計算

(1)將液位調整到容器內標準刻度處，采用標準讀數(shù)標尺，通過多次求平均值方法，得到液位實際值1。

(2)調整并二次測量液位，在標定刻度1上下方±50 mm任意位置處，得到二次液位數(shù)值2，與標定值計算液位的間距差值(1-2)。

(3)采用圖像檢測方法對圖像進行液位邊緣識別，得到兩幅圖像中對應液位的像素值1與2。從而，獲得實際液位高度標定系數(shù)1，它表示像素值與容器內液面實際高度值的比例關系：

1=(1-2)/(1-2) (6)

將得到的標定系數(shù)作為基準值數(shù)據(jù)（包括實際高度值1及與之對應的像素值1）保存在微處理器中。

第二步 實時檢測圖像并轉換為容器內液位絕對位置

每一幅采集圖像，通過圖像檢測與識別，得到像素液位值2，利用標定系數(shù)，可換算實際的液位值：

=1-(1-2)=2+(1-1) (7)

3 實驗設計及結果分析

石油產(chǎn)品蒸餾過程需要實時地對液面高度進行測量，是典型的非入侵式的非透明液體高度測量，因此本文以石油產(chǎn)品蒸餾測定器為實驗研究對象，如圖6所示。

圖6 石油產(chǎn)品測定與圖像采集系統(tǒng)圖

如圖7所示，在圖像的液位檢測過程中，本文基于中值濾波圖像預處理方法增強圖像的視覺效果，突出圖像中強度值顯著變化的輪廓信息，進而利用差分邊緣算子的計算檢測圖像中液位的邊界點，本系統(tǒng)檢測的液體為石油，其灰度值相差較大，本實驗設相鄰像素點灰度值相差大于80的為邊界點。最終將檢測的像素值轉換為實際液位高度，并傳輸至遠程接口。

圖7 圖像液位檢測流程圖

實驗參數(shù)為：試管尺寸200×80 (mm)、輸出頻率4幀/s、圖像尺寸1 300×1 028(像素)。為了減少計算量，提高運算速度，將圖像調整為500′1 028(像素)。用OV9650采集的是1 300×1 028圖像陣列，容器高(mm)。

因此，液位高度測量系統(tǒng)的理論精度為：

經(jīng)測試，液面的上升速度或下降速度為二次函數(shù)，如圖8所示。上升或下降速度最大不超過10 mm/s。

圖8 液位上升-圖

在線液體水平線測量是通過處理每一個圖像的框架來獲得一個持續(xù)性變化的液體水平線。存儲所有的圖像是很容易的，但是想獲得精確的液體水平高度值是很難的。在系統(tǒng)中，調整液體輸入率用來在容器的瓶頸和平穩(wěn)的液體表面獲得一個穩(wěn)定的液體增長是很重要的。因此，通過處理每一個獨立的圖像，可以實現(xiàn)精確的在線測量。

表1 液位檢測結果分析 mm

實驗中，測量系統(tǒng)的測量范圍為0~200 mm。記錄了容器內液位從89.8變化到91.8時的測量結果。由測量數(shù)據(jù)可見，測量的誤差為±0.1 mm。實驗證明，用圖像差分檢測算子獲得邊緣特征點，并轉換為實際高度，系統(tǒng)的重復性很好，系統(tǒng)經(jīng)過標定后，整個系統(tǒng)測量總誤差達到±0.3 mm。

4 結論

液體水平高度測量方法是一種測量空氣與溶液、溶液與溶液或者液體與固體的接觸面的位置測量技術，在機械工程、化學工業(yè)、石油工業(yè)和水力學領域有著廣泛的應用。為克服目前液位高度測量方法不能同時滿足非入侵式測量的高適應性、高準確性和高穩(wěn)定性的局限性，新的液面高度自動檢測已經(jīng)勢在必行。本文創(chuàng)建了嵌入式圖像采集系統(tǒng)的硬件平臺，并開發(fā)了圖像傳感器軟件驅動程序，實時采集待測容器內液位圖像信息，在微處理器中對圖片進行灰度化以及濾波增強，并通過差分邊緣算子對圖像進行液位邊緣檢測，將圖像像素值轉換為絕對位置，在LCD上實時顯示出液面高度。最后在現(xiàn)有實驗條件下對整個系統(tǒng)進行了驗證，實驗數(shù)據(jù)處理結果表明，此方法能夠高效、穩(wěn)定地實現(xiàn)非侵入式實時液位檢測，并且在測量精度方面滿足了石油化工等領域中對于液位測量精度的要求。

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責任編校：孫 林

Method of Non-contact Liquid Level Detection Based on Image Recognition

ZHOU Zi-jia

（Sino-German College of Applied Sciences, Tongji University, Shanghai 200092, China）

Aiming at the problem of current liquid level detection which cannot meet the requirement of a non-contact measuring method with good adaptability, high accuracy and reliability, this paper proposes a liquid level measurement based on image edge detection by using COMS image sensor. This paper synthesizes the technology of precise calibration and image edge detection in a non-contact liquid level measurement, and constructs liquid level detection composed of image acquisition and the level detection. Firstly, the interfaces of CMOS image senor and S3C2440 processor are built; secondly, images by CMOS image sensor after designing driver software are acquired; thirdly, the system to supply the practical manipulation is calibrated. The experimental results indicate that after using CMOS image sensor to acquire images, detecting features of image edge by difference edge operator, and calibrating, this system can achieve the precision of ±0.3mm. It can meet the demands of detecting liquid level in the areas of chemical and petroleum industry.

non-contact measuring method; edge detection; image sensor; image recognition

10.15916/j.issn1674-3261.2017.04.006

TP212

A

1674-3261(2017)04-0234-05

2017-03-11

周子佳(1998-)，男，遼寧錦州人，本科生。