基于機器視覺的非接觸式液位測量方法研究

李 靜 劉瓊偉 王 璐 沈繼忱

(東北電力大學，吉林 吉林 132012)

為保證工業生產的安全性，需對石油、化工廠中成千上萬的儲罐進行液位在線檢測。考慮到溫度、壓強及化學性質等因素，罐體常處于非敞口狀態。對該類儲罐液位的測量根據傳感器是否接觸待測液體可分為接觸式和非接觸式兩種方法。由于采用接觸式測量時需要傳感器與待測液體直接接觸，在測量易燃、易爆類液體時有可能由于傳感器放電而存在安全隱患，因此在這些應用場合，必須使用非接觸式傳感器。目前應用較多的是超聲波測距，該方法具有測量精度高、安全性高等優點，但存在受到不均勻溫度場的干擾及測量介質不均勻時測量誤差較大等不足。

利用圖像傳感器與計算機圖像處理算法相結合的技術方法可以克服上述難題。文獻[1]中提出了利用激光三角測量原理和角位移同步跟蹤來提取液位圖像的方法，并構建了斜三角系統、角位移跟蹤系統及多光源系統等多種測量模型。徐馳等提出以CCD攝像機采集的液位和鋼尺圖像為基礎，通過鋼尺刻度識別、鋼尺刻線和液位識別三大識別模塊完成液位高度測量，根據液位高度反饋控制電機帶動CCD相機跟隨液位，實現實時自動跟蹤測量[2]。楊秀君提出對采集的容器內液面圖像采用積分投影法判斷液位線，并通過Hough變換、鏈碼跟蹤+曲線擬合對液面高度實現精確定位，從而得到液面的高度[3]。白瑩提出基于像素點位置和面積的兩種液位測量方法，并對液位晃動進行了分析和驗證[4]。

利用計算機圖像識別技術，建立適用性強、處理效率高的液位測量模型，實現液位的精確讀取具有實際工程意義。筆者建立了一種基于CMOS傳感器的封閉式罐體液位在線測量模型。利用微功率激光源和圖像傳感器搭建非接觸式液位測量實驗系統，以光源反射和光源同步跟蹤為基本原理，利用激光三角測量法和CMOS成像技術，結合準確的圖像處理算法來獲得液位。

1 液位測量系統組成①

以計算機、CMOS圖像傳感器、激光發射器及密閉實驗罐體等構成液位測量系統。圖像傳感器采用沃樂網絡攝像頭，焦距f=4.8mm，成像分辨率640×480，采用USB2.0接口，即插即用。采用微功率可聚焦激光源，波長為650nm，功率不高于5mW(可避免存在的安全隱患)。罐體采用儲水罐，外接有刻度的連通器。

2 液位測量原理

筆者構建多光源線段液位測量系統模型，實驗裝置安裝示意圖如圖1所示。

圖1 液位測量實驗裝置安裝示意圖

設罐體高度為H，基準線距罐底高度為L1，液位面與基準線(用于基本標定點)間距為h。圖像傳感器和可聚焦激光燈分別以固定夾角λ和φ安裝在罐體頂部兩側。激光三角液位測量原理如圖2所示。

圖2 激光三角液位測量原理

如圖2所示，由聚焦激光源發射激光，在液位面形成點N，并通過圖像傳感器接收。假設光路穿過液位的延長線與罐底交于P點，與圖像傳感器透鏡距離設為PQ，N垂直于PQ，交點為M。由圖像傳感器與罐體水平面夾角為λ，激光源與水平面夾角為φ，故∠NPQ=λ-φ。假設NM投影到成像平面上偏離原點為d1，則根據成像原理可知：

(1)

式(1)中f為焦距，點N、M之間的距離d為：

d=[(h+L1)cscφ]sin(λ-φ)

(2)

傳感器透鏡與交點M間距離為MQ=S：

S=Hcsc(180°-λ)-dcot(λ-φ)

(3)

由式(1)～(3)可知：

(4)

為了方便標定實驗裝置參數，定義A=hsinφsec(λ-φ)cscλ，B=ftan(λ-φ)，因此式(4)可簡化為：

(5)

定義C=A-λ，D=Bλ，則式(5)可變形為hB-Cd1+D=-hd1。

在標定實驗初始參數時需要在不同液位采集n個數據，即：h=h1，h2，…，hn，由此可得其在成像平面上的偏移量相應為：d=d1，d2，…，dn，因此：

MX=P

(6)

其中：

(7)

(8)

(9)

3 實驗裝置

該實驗所采用的圓柱形儲罐規格為：高60cm，頂部直徑24cm，底部直徑30cm。儲罐壁外側設有連通器可直接讀取初始液位。安裝模型如圖1所示，假定初始測量液面高度為30cm，每升高0.5cm采集一張液面圖像，實驗一共采集20組數據。利用前10組做標定，其余10組數據驗證本測量系統的精度。

3.1 液位面激光斑點中心提取

液位面激光斑點中心提取時，需要考慮：

a. 改變閾值對圖像進行二值化。由于罐體內部光線較暗，在圖像成像平面上可能存在液面反射和灰塵引起的漫反射干擾點。針對該問題需要對圖像進行灰度直方圖統計，通過改變閾值可有效減少干擾點，二值化后進行中心提取。

b. 對目標圖像中值濾波降低噪聲。由于圖像邊沿在光線反射等所形成的椒鹽噪聲和斑點噪聲，故通過中值濾波可以使斑點外部輪廓不規則減弱。采用傳統的3×3模板中值濾波可滿足實驗條件。

c. 激光斑形心提取。由于激光源采用可聚焦，降低了其在液位面交點的大小。基于激光束在液面的交點呈橢圓狀，Gonzalez R C等提出從數理統計學的角度分析，并假設探測器噪聲為泊松分布情況下，光斑圖像的位置估值性能及其與光斑尺寸之間具有函數關系[5,6]。此外，冀芳提出了基于概率的圓擬合區域劃分算法來檢測類似圓的形心[7]。筆者綜合兩種結論，并結合本測量系統的實際情況，給出了一種光斑位置的估算方法，即對光斑提取邊緣，得出光斑的邊緣尺寸大小對由邊緣構成的相對規則形狀后提取形心。

3.2 系統標定結果和實驗結果

利用采集前10組數據標定實驗參數后，將所標定的數據與液位下降時的后10組數據進行比較，驗證實驗系統的準確性。連通器讀數代表參考液位，P(I，j)代表激光斑點在攝像機成像平面上的形心坐標。連通器讀數和液位實際高度見表1。

表1 連通器讀數和液位實際高度

從表1中數據可知，該測量方法與實際液位有一定偏差，根據標準差計算公式可知所測液位的標準差S=0.1076。

4 結束語

筆者提出了一種新穎的基于圖像處理技術的密閉式罐體非接觸式液位測量方法。通過激光和圖像處理技術，提高了測量精度，并利用實驗平臺驗證技術方案的可靠性，該測量方法具有安全、精確及高效等優點，符合實際工程應用要求。由于實驗裝置安裝固定，可避免較為繁瑣的參數校正。此外，若利用高分辨率圖像傳感器可更進一步提高精確度。