基于光學(xué)的波浪測(cè)量方法在波態(tài)研究中的應(yīng)用

馬騰飛，王收軍，陳漢寶，黃美玲

（1.天津理工大學(xué)，天津 300384；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456）

應(yīng)用軟件及測(cè)試技術(shù)

基于光學(xué)的波浪測(cè)量方法在波態(tài)研究中的應(yīng)用

馬騰飛1，王收軍1，陳漢寶2*，黃美玲2

（1.天津理工大學(xué)，天津 300384；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456）

針對(duì)大比尺波浪水槽的實(shí)驗(yàn)環(huán)境特點(diǎn)，提出了基于光學(xué)影像系統(tǒng)的波浪測(cè)量方法，并將該方法應(yīng)用于波態(tài)研究。其工作原理是：在水槽上邊緣俯視拍攝波浪表面和水槽側(cè)壁，依據(jù)給定的采樣頻率完成圖像的截取，通過刻度尺標(biāo)定、圖像分割、灰度化、圖像平滑濾波、波面識(shí)別來獲取波面數(shù)據(jù)，進(jìn)而進(jìn)行波態(tài)研究，獲得波浪在水槽中的空間形態(tài)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此方法實(shí)現(xiàn)了非接觸測(cè)量，具有高精度、高靈敏度、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，在波浪測(cè)量與監(jiān)測(cè)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

波高；數(shù)字?jǐn)z像機(jī)；圖像處理；波態(tài)研究

人類在認(rèn)識(shí)、研究以及開發(fā)利用海洋的過程中，對(duì)于波浪特征要素的描述是最基本，也是最重要的。對(duì)波浪進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得第一手的波浪資料，在航海安全、海洋工程設(shè)計(jì)與施工、海洋災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警以及國家海洋發(fā)展戰(zhàn)略中具有舉足輕重的地位[1-2]。然而，在模擬海洋環(huán)境的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，主要根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在試驗(yàn)段內(nèi)布置若干個(gè)波浪采集傳感器，通過采集到的波浪信號(hào)進(jìn)行波高、周期等波浪要素的分析；利用波浪要素進(jìn)行波態(tài)研究，獲得波浪的空間運(yùn)動(dòng)形態(tài)，對(duì)護(hù)岸工程設(shè)計(jì)等有重要參考價(jià)值。

1 大比尺波浪水槽波高測(cè)量條件

大比尺波浪水槽總長(zhǎng)450 m，其中造波段長(zhǎng)42 m、試驗(yàn)段長(zhǎng)116 m、生波段和消能段合計(jì)長(zhǎng)約298 m。水槽槽體寬達(dá)5 m、深達(dá)8～12 m，產(chǎn)生的波浪最大3.5 m，水流20 m3/s，可以進(jìn)行1/5到1/1的大比尺模型實(shí)驗(yàn)。在該水槽中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)波高傳感器有以下幾點(diǎn)要求：

水槽中試驗(yàn)段內(nèi)可進(jìn)行1.5～6 m水位的實(shí)驗(yàn)，波高最大能達(dá)到3.5 m，所以波高傳感器的量程至少要覆蓋實(shí)驗(yàn)過程中波浪的運(yùn)動(dòng)范圍，即0～8 m，精度達(dá)到測(cè)量量程的1‰（約1 cm）；

水槽中水質(zhì)略顯渾濁，其中含少量廢棄消波材料的漂浮物，在大波浪的沖擊下，需要波高傳感器具有抗沖擊的能力，維護(hù)方便，經(jīng)久耐用；

水槽試驗(yàn)段長(zhǎng)116 m，寬5 m，為保證波浪行進(jìn)過程中的形態(tài)不受測(cè)量設(shè)備的影響，傳感器體積不宜過大，且易安裝、易移動(dòng)。

圖1 基于光學(xué)的波浪測(cè)量系統(tǒng)圖Fig.1 System of wave measurement based on optical method

2 基于光學(xué)的波浪測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成

該系統(tǒng)包括波浪測(cè)量硬件選取、視頻采集、圖像處理三部分（如圖1）。其中硬件選取包括攝像機(jī)的選取，鏡頭的選取，刻度尺的標(biāo)注和標(biāo)定；視頻采集是通過一臺(tái)錄像機(jī)連接數(shù)臺(tái)攝像機(jī)完成的；圖像處理中包括圖像的轉(zhuǎn)化、感興趣區(qū)域提取、灰度化、平滑濾波、波面識(shí)別與計(jì)算。

2.1 攝像機(jī)的選取

綜合考慮大比尺波浪水槽的實(shí)驗(yàn)環(huán)境、測(cè)量的精度要求、圖像處理的速度，最終選取攝像機(jī)型號(hào)為海康威視網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)DS-2CD3T35-I5，分辨率為2 048×1 536，幀率為25 fps，鏡頭焦距為8 mm。

幀率選取原則：通過規(guī)范以及波浪理論分析，波浪形態(tài)不同，描述一個(gè)完整波形所需要的采樣點(diǎn)數(shù)也不同，則對(duì)攝像機(jī)的幀率要求不同。規(guī)范中規(guī)定，若兩個(gè)采樣點(diǎn)橫跨波高值最大點(diǎn)，則需要保證波高失真程度小于振幅的5%，如圖2。經(jīng)計(jì)算微幅波的采樣頻率只與周期有關(guān)，其關(guān)系表如表1。同理，孤立波的采樣頻率只和波浪周期相關(guān)，斯托克斯波的采樣頻率和水深以及周期相關(guān)，本實(shí)驗(yàn)攝像機(jī)的幀率為25 fps，完全滿足采樣條件。

圖2 微幅波圖Fig.2 Chart of micro amplitude wave

表1 幅波采樣頻率選取對(duì)照表Tab.1 Sampling frequency of micro amplitude wave

2.2 攝像機(jī)的安裝

在大比尺波浪水槽平面內(nèi)，為減少鏡頭曲率帶來的影響，增加波高測(cè)量精度，攝像機(jī)頭安裝時(shí)，攝像機(jī)與噴涂在水槽槽壁的刻度尺連線需要與水槽邊緣保持垂直，同時(shí)考慮到波浪高度、浪花飛濺的影響，攝像機(jī)的安裝角度需偏大，俯視角度大約30°左右[3]，角度引起的測(cè)量誤差將在刻度尺校準(zhǔn)過程中進(jìn)行調(diào)整。

2.3 刻度尺標(biāo)注

在該測(cè)量系統(tǒng)中，波高的測(cè)量不是針對(duì)攝像機(jī)視角內(nèi)捕捉到的完整波面，而是波面上固定獨(dú)立的一個(gè)點(diǎn)，測(cè)量獲取該點(diǎn)的真實(shí)物理水位值，再進(jìn)一步研究波浪形態(tài)。為實(shí)現(xiàn)該點(diǎn)波高的識(shí)別，依據(jù)波高測(cè)量精度要求，以及在圖像處理中使用的分析方法，現(xiàn)需要在水槽槽壁上面噴涂刻度尺，其分辨率為2 cm。現(xiàn)刻度尺噴涂成白色，刻度線噴涂成黑色，刻度線的寬度以及刻度線的間隔為1 cm。

2.4 刻度尺標(biāo)定

由于攝像機(jī)鏡頭曲率與安裝俯視角度的影響，使得拍攝的圖像不可避免地產(chǎn)生“桶狀變形”[4]和刻度線間距“上寬下窄”的幾何變形的現(xiàn)象，為了提高波浪測(cè)量精度，必須對(duì)刻度尺進(jìn)行標(biāo)定，即對(duì)變形的圖像進(jìn)行圖像坐標(biāo)與真實(shí)物理坐標(biāo)的幾何校正。本測(cè)量系統(tǒng)使用投影轉(zhuǎn)換法進(jìn)行圖像幾何校正[5]，該方法是直接線性轉(zhuǎn)換法的簡(jiǎn)化，此方法主要是為了建立圖像坐標(biāo)與真實(shí)物坐標(biāo)的關(guān)系，解出轉(zhuǎn)換系數(shù)，建立圖像坐標(biāo)與真實(shí)物理坐標(biāo)的關(guān)系式。

在刻度尺標(biāo)定之前，首先進(jìn)行圖像旋轉(zhuǎn)角度的校準(zhǔn)，設(shè) (x',y')為圖像坐標(biāo)，(x,y,z)為真實(shí)物理坐標(biāo)，c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7、c8、c9、c10、c11為轉(zhuǎn)換系數(shù)。

將以上二式整理成矩陣形式(x′ = ωx′/ω，y′ = ωy′/ω)如下

轉(zhuǎn)換系數(shù)c12為兩個(gè)坐標(biāo)間的尺度變換因數(shù)，若忽略尺度的變化，將其置“1”，則式（3）為

其中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系數(shù)c=[c1c2c3c4c5c6c7c8c9c10c11]T。因此，欲求解式（4），至少需要6個(gè)以上已知的實(shí)際坐標(biāo)點(diǎn)及其所對(duì)應(yīng)的圖像坐標(biāo)點(diǎn)，以最小二乘法可求得轉(zhuǎn)換系數(shù)c。但因三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換所需的計(jì)算較為繁瑣且費(fèi)時(shí)，并且圖像坐標(biāo)在垂向的投影解析度很小，計(jì)算誤差較大，需要多方向攝像以校正誤差。為了減少圖像校正處理的運(yùn)行時(shí)間，忽略深度（y方向）的影響，則式（4）可改寫為二維投影的關(guān)系式如下

上式系數(shù)c=[c1c2c3c4c5c6c7c8]T，欲求解式（5），則只需4個(gè)以上已知的實(shí)際坐標(biāo)點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的圖像坐標(biāo)點(diǎn)，同理，以最小二乘法可求解出轉(zhuǎn)換系數(shù)c，即可得到圖像坐標(biāo)與真實(shí)物理坐標(biāo)的關(guān)系。 利用轉(zhuǎn)換系數(shù)c，對(duì)圖像坐標(biāo)和真實(shí)物理坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，其誤差保持在1 mm以內(nèi)，滿足波高測(cè)量精度要求。

2.5 視頻數(shù)據(jù)采集與圖像提取

攝像機(jī)通過RJ-45網(wǎng)線與網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)（NVR）連接，將采集到的視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在該硬盤錄像機(jī)內(nèi)，并且實(shí)時(shí)顯示錄像過程。

2.6 圖像處理

（1）感興趣區(qū)域提取。在該測(cè)量系統(tǒng)中，為縮短處理時(shí)間、提高測(cè)量效率與精度，需要進(jìn)行感興趣區(qū)域提取，只提取刻度尺范圍內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行處理。

（2）圖像灰度化和圖像平滑濾波。本測(cè)量系統(tǒng)使用的就是最常見的RGB三分量加權(quán)平均對(duì)圖像進(jìn)行灰度處理， 由于光照、浪花飛濺以及水中雜質(zhì)對(duì)標(biāo)尺的影響，導(dǎo)致圖像產(chǎn)生很多噪點(diǎn)，濾波的目的就是去除圖像中的雜質(zhì)部分，該測(cè)量系統(tǒng)中采用中值濾波[6-7]。

（3）波面識(shí)別。波面識(shí)別主要是對(duì)波浪形態(tài)進(jìn)行提取，利用當(dāng)前幀圖像與背景圖像進(jìn)行差運(yùn)算，得出波浪形態(tài)圖像，再根據(jù)該圖像的灰度直方圖確定波面識(shí)別的閾值，將識(shí)別到的坐標(biāo)值代入坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換中得到該點(diǎn)的波浪高度。本測(cè)量系統(tǒng)中，使用背景差分法[8]，對(duì)原始圖像和背景圖像做減法運(yùn)算，得到消去背景后的感興趣區(qū)域圖像，其背景圖只需選取空水槽的靜態(tài)圖，擺脫了對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)選取背景的復(fù)雜性，閾值確定容易，最終將檢測(cè)到的圖像坐標(biāo)值代入到刻度尺標(biāo)定關(guān)系中，得到真實(shí)的物理坐標(biāo)，圖2為背景差分法過程圖。

圖2 背景差分法實(shí)現(xiàn)過程圖Fig.2 Process of background subtraction

3 波浪測(cè)量結(jié)果分析

利用上跨零點(diǎn)法求得波浪波高，根據(jù)部分大波平均值定義最大波、有效波、平均波等[9]。在該測(cè)量系統(tǒng)中，在刻度尺位置安裝了電阻式波高傳感器，如圖1，利用兩種方式測(cè)量得到的結(jié)果對(duì)比見表2，表3。

通過分析兩種不同測(cè)量方式獲得的波浪數(shù)據(jù)可知，電阻式傳感器測(cè)量結(jié)果比光學(xué)測(cè)量方法測(cè)量結(jié)果偏大，主要是由于放入水中的電阻絲，在波浪下降過程中，容易在其表面形成“掛水”現(xiàn)象，導(dǎo)致接觸水體的電阻絲邊長(zhǎng)，從而影響波高的測(cè)量，在出現(xiàn)大波浪的情況下尤其明顯。

電阻式傳感器的測(cè)量分辨率主要受電路中A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)影響，在本實(shí)驗(yàn)中，該電阻式傳感器的測(cè)量精度為10 mm。

表2 電阻式波高傳感器測(cè)量結(jié)果Tab.2 Measurement result of resistive wave height sensor

光學(xué)測(cè)量波高方法的分辨率主要取決于攝像機(jī)鏡頭的分辨率，拍攝角度，焦距大小的選擇。鏡頭分辨率和拍攝角度相同，焦距不同的攝像機(jī)，其像素真實(shí)物理尺寸（垂直方向）的計(jì)算方法為式（6），式中Cy表示垂直方向像素真實(shí)物理尺寸，Ymax表示垂直方向像素坐標(biāo)最大值，Ymin表示垂直方向像素坐標(biāo)最小值，Ny表示垂直方向像素總數(shù)。 在此實(shí)驗(yàn)中，攝像機(jī)鏡頭分辨率為2 048×1 536，拍攝角度為俯視300，焦距為8 mm，所以測(cè)量精度為3 mm。

表3 基于光學(xué)影像的波高測(cè)量結(jié)果Tab.3 Measurement result of wave height based on optical method

4 波浪形態(tài)研究

在該測(cè)量系統(tǒng)中，測(cè)量的數(shù)據(jù)都是波浪在時(shí)間域內(nèi)的形態(tài)變化。要想獲得波浪在整個(gè)大比尺波浪水槽中的空間形態(tài)，只需將波浪形態(tài)橫坐標(biāo)軸的時(shí)間軸改成空間距離軸，即只需要求得波速，利用波速與時(shí)間的乘積得到波浪在水槽中的運(yùn)動(dòng)距離，即可得到波浪沿水槽運(yùn)動(dòng)的橫坐標(biāo)軸，進(jìn)而求得波浪的空間形態(tài)。

在此系統(tǒng)中，假設(shè)規(guī)則波和不規(guī)則波在兩臺(tái)攝像機(jī)短距離內(nèi)的波速不變，并且保證所有數(shù)據(jù)同步采集。首先選取兩組時(shí)域內(nèi)波形圖的一部分，考察選取的兩組數(shù)據(jù)波高差平方和，該兩組數(shù)據(jù)中，其中一組數(shù)據(jù)保持不變，另一組數(shù)據(jù)需要按照采樣間隔依次向后移動(dòng)，且始終保證兩組數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度一致。最終求得，在某一段時(shí)間內(nèi)，兩組數(shù)據(jù)波高差平方和的一組數(shù)據(jù)，該方法流程如圖3。波高差平方和圖形類似于正弦曲線圖，選取第一個(gè)最低點(diǎn)為兩組數(shù)據(jù)擬合程度最優(yōu)的點(diǎn)，即可得到兩組數(shù)據(jù)的時(shí)間差，通過采集兩組數(shù)據(jù)的攝像機(jī)位置即可得到波速，進(jìn)而求得空間的波浪形態(tài)圖。

圖3 分析波浪表面形態(tài)的流程圖Fig.3 Flow chart of wave shape analysis

圖4 規(guī)則波空間形態(tài)圖Fig.4 Wave shape of regular wave

本文中利用2號(hào)和3號(hào)攝像機(jī)采集到的波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)則波波浪形態(tài)研究，保持3號(hào)攝像機(jī)數(shù)據(jù)不變，2號(hào)攝像機(jī)以采樣時(shí)間間隔逐步移動(dòng)與3號(hào)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，求得最佳擬合時(shí)間，根據(jù)兩個(gè)攝像機(jī)之間的距離，求得波浪的傳播速度，進(jìn)而求得波浪表面形態(tài)。圖4為規(guī)則波沿水槽運(yùn)動(dòng)的空間形態(tài)圖，圖5為不規(guī)則波沿水槽運(yùn)動(dòng)的空間形態(tài)圖。

5 結(jié)論

根據(jù)大比尺波浪水槽的實(shí)際實(shí)驗(yàn)環(huán)境，設(shè)計(jì)了基于光學(xué)影像的波浪測(cè)量方法，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其測(cè)量精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、靈敏度高，但是，處理的數(shù)據(jù)量龐大，需要進(jìn)一步改進(jìn)，達(dá)到實(shí)時(shí)測(cè)量的目標(biāo)。基于波高測(cè)量數(shù)據(jù)的波浪形態(tài)研究，可以獲得波浪在水槽中的整體形態(tài)，對(duì)于護(hù)岸工程、港口航道方面的設(shè)計(jì)提供了重要的依據(jù)。

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Application of wave measurement based on optical method in wave shape study

MA Teng-fei1,WANG Shou-jun1,CHEN Han-bao2,HUANG Mei-ling2
(1. Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China; 2. Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology, Key Laboratory of Engineering Sediment, Ministry of Transport, Tianjin 300456, China)

According to the characteristics of experimental environment of the large wave flume,a measurement method based on optical system was proposed,and the method was applied in the research of wave shape. Its working principle is: a digital camera is set on the edge of the fl ume. The surface of the wave and the side wall of the fl ume are fi lmed, and images are selected according to the given sampling frequency. Through the calibration of scale, image segmentation, image graying, image fi ltering and wave recognition, the wave height can be acquired. Then the wave shape study can be conducted, and the spatial form of wave in large wave fl ume can be obtained fi nally. The experimental results show that this method can realize non-contact measurement, with high accuracy, high sensitivity and high stability. It can be broadly applied in wave measurement and monitoring.

wave height; digital vidicon; image processing; wave shape study

P 229

A

1005-8443(2017)03-0308-05

2016-10-25；

2016-12-14

馬騰飛（1989-），男，河北省廊坊人，碩士研究生，主要從事機(jī)械工程方向研究工作。

科技部國際科技合作與交流專項(xiàng)：港灣突發(fā)性溢油應(yīng)急及生態(tài)修復(fù)技術(shù)合作研發(fā)（2015DFA90250）

*通訊作者：陳漢寶（1971-），男，博士，研究員，主要從事港口航道工程方面的工作。Email:chenhanbao@163.com。

Biography:MA Teng-fei(1989-),male,master student.