本發(fā)明涉及圖像處理領(lǐng)域，尤其涉及一種水位自動檢測設(shè)備。

背景技術(shù)：
水位(waterlevel)是江河、湖泊、水庫和海洋等的自由水面以及地下水的表面相對于某一基準面的高程。通常在上述水域設(shè)置各式水位測量標尺，人工定時觀測，或設(shè)置自記水位計繪制連續(xù)的水位變化曲線，以獲得不同時間、不同地點的水位資料。水位是重要的水文特征值之一，水位資料對于水文預(yù)報、防汛搶險和水利工程設(shè)施都有重要意義?，F(xiàn)有技術(shù)中的電子式水位檢測設(shè)備替代了以前的人工定時觀測的模式，或采用浮子和壓組式為代表的接觸式傳感器進行水位測量，或采用超聲波、雷達、激光為代表的非接觸式傳感器進行水位測量，但是這些測量方式都存在一定的弊端，前者機械故障率高、非線性誤差大、雜質(zhì)影響測量精度，后者成本高、易受周圍環(huán)境干擾、通用性不強。因此，需要一種水位自動檢測設(shè)備，在降低檢測設(shè)備成本的同時，不以損失測量精度為代價，具有故障率低、可靠性強的優(yōu)點，為水文預(yù)報、防汛搶險和水利工程設(shè)施提供重要的參考數(shù)據(jù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種水位自動檢測設(shè)備，根據(jù)水位測量標尺的形狀特點，有針對性地搭建專門的圖像采集和識別子設(shè)備集合高效、準確地檢測出當前水位，并以時間為軸統(tǒng)計短時平均水位，使用短時平均水位進行水位預(yù)警或報警，整個系統(tǒng)安裝簡便，測量數(shù)據(jù)準確、可靠。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種水位自動檢測設(shè)備，所述檢測設(shè)備包括水位測量標尺、高清攝像頭、圖像處理器和主控制器，所述水位測量標尺豎直立于水中，所述高清攝像頭用于對所述水位測量標尺在水位上的部分進行拍攝，以獲得水上標尺圖像，所述圖像處理器與所述高清攝像頭連接，用于對水上標尺圖像進行圖像處理，以獲得當前水位，所述主控制器與所述圖像處理器連接，用于基于所述當前水位確定是否進行水位報警。更具體地，在所述水位自動檢測設(shè)備中，還包括：RS232串行通信接口，用于通過RS232串行通信方式連接外部設(shè)備，以讀取外部設(shè)備中存儲的水位測量標尺總長度、水位測量標尺單位刻度值、預(yù)設(shè)檢測時間間隔、預(yù)設(shè)接收次數(shù)、水位上限、單位刻度線上限灰度閾值和單位刻度線下限灰度閾值，所述單位刻度線上限灰度閾值和所述單位刻度線下限灰度閾值用于將圖像中的單位刻度線與背景分開，所述預(yù)設(shè)檢測時間間隔小于0.5秒；靜態(tài)存儲器，與所述RS232串行通信接口連接，用于讀取并存儲所述水位測量標尺總長度、所述水位測量標尺單位刻度值、所述預(yù)設(shè)檢測時間間隔、所述預(yù)設(shè)接收次數(shù)、所述水位上限、所述單位刻度線上限灰度閾值和所述單位刻度線下限灰度閾值；定時器，用于為所述檢測設(shè)備的水位自動檢測提供計時數(shù)據(jù)；無線通信接口，與遠端的水務(wù)管理平臺建立雙向的無線通信鏈路，用于接收所述水務(wù)管理平臺發(fā)送的控制指令，還用于與所述主控制器連接，以將水位正常信號、水位超限預(yù)警信號或水位超限報警信號發(fā)送給所述水務(wù)管理平臺，還將平均水位發(fā)送給所述水務(wù)管理平臺；報警設(shè)備，與所述主控制器連接，包括揚聲器和液晶顯示屏，所述揚聲器用于播放與水位正常信號、水位超限預(yù)警信號或水位超限報警信號對應(yīng)的語音提示文件，所述液晶顯示屏用于顯示與水位正常信號、水位超限預(yù)警信號或水位超限報警信號對應(yīng)的提示文字，所述液晶顯示屏還用于與平均水位對應(yīng)的提示文字；所述高清攝像頭包括濾光片、鏡頭和CMOS圖像傳感器，所述鏡頭位于所述濾光片和所述CMOS圖像傳感器之間，所述CMOS圖像傳感器采集的水上標尺圖像的分辨率為1920×1080，所述CMOS圖像傳感器與所述定時器連接，每隔所述預(yù)設(shè)檢測時間間隔拍攝一次水上標尺圖像以發(fā)送給所述圖像處理器進行圖像處理；所述圖像處理器與所述靜態(tài)存儲器和所述高清攝像頭分別連接，包括徑向畸變校正單元、小波濾波單元、灰度化處理單元、單位刻度識別單元和水位計算單元，所述徑向畸變校正單元、所述小波濾波單元、所述灰度化處理單元、所述單位刻度識別單元和所述水位計算單元分別采用不同的FPGA芯片來實現(xiàn)，所述徑向畸變校正單元與所述CMOS圖像傳感器連接，采用基于圖像平面的畸變校正對水上標尺圖像實現(xiàn)徑向畸變校正，獲得接近理想成像條件下的圖像作為已校正水上標尺圖像，所述小波濾波單元與所述徑向畸變校正單元連接，通過Harr小波濾波器對已校正水上標尺圖像執(zhí)行小波濾波，以獲得濾波圖像，所述灰度化處理單元與所述小波濾波單元連接，對濾波圖像執(zhí)行灰度化處理，以獲得灰度圖像，所述單位刻度識別單元與所述灰度化處理單元和所述靜態(tài)存儲器連接，將所述灰度圖像中灰度值在所述單位刻度線上限灰度閾值和所述單位刻度線下限灰度閾值之間的像素識別并組成單位刻度線圖像，計算單位刻度線圖像中的單位刻度線間隔的數(shù)量以作為水上標尺單位刻度數(shù)量輸出，所述水位計算單元與所述單位刻度識別單元和所述靜態(tài)存儲器分別連接，基于所述水位測量標尺總長度、所述水位測量標尺單位刻度值和所述水上標尺單位刻度數(shù)量計算出當前水位；所述主控制器與所述靜態(tài)存儲器和所述水位計算單元分別連接，每當已接收到的當前水位的次數(shù)達到所述預(yù)設(shè)接收次數(shù)時，計算一次平均水位，所述平均水位為已接收到的多個當前水位的平均值，并當計算的平均水位小于所述水位上限時，發(fā)出水位正常信號，當計算的平均水位大于等于所述水位上限時，發(fā)出水位超限預(yù)警信號，當計算的平均水位超過所述水位上限的20％時，發(fā)出水位超限報警信號；其中，所述水位計算單元基于所述水位測量標尺總長度、所述水位測量標尺單位刻度值和所述水上標尺單位刻度數(shù)量計算出當前水位具體為：所述當前水位等于所述水位測量標尺總長度減去所述水位測量標尺單位刻度值和所述水上標尺單位刻度數(shù)量的乘積。更具體地，在所述水位自動檢測設(shè)備中：所述CMOS圖像傳感器通過CSI接口將水上標尺圖像發(fā)送給所述圖像處理器。更具體地，在所述水位自動檢測設(shè)備中：所述無線通信鏈路為GPRS移動通信鏈路、3G移動通信鏈路或4G移動通信鏈路中的一種。更具體地，在所述水位自動檢測設(shè)備中：所述靜態(tài)存儲器為同步動態(tài)隨機存儲器SDRAM，所述靜態(tài)存儲器的存儲容量為1GB。更具體地，在所述水位自動檢測設(shè)備中：所述高清攝像頭位于所述水位測量標尺正對面的橫桿上。附圖說明以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方案進行描述，其中：圖1為根據(jù)本發(fā)明實施方案示出的水位自動檢測設(shè)備的結(jié)構(gòu)方框圖。圖2為根據(jù)本發(fā)明實施方案示出的水位自動檢測設(shè)備的高清攝像頭的結(jié)構(gòu)方框圖。具體實施方式下面將參照附圖對本發(fā)明的水位自動檢測設(shè)備的實施方案進行詳細說明。水位檢測廣泛應(yīng)用于水文預(yù)報、防汛搶險和水利工程設(shè)施中。對于水文預(yù)報來說，歷史水位和當前水位的結(jié)合參考，能夠基本確定未來預(yù)定時間內(nèi)的水位和其他水文數(shù)據(jù)，對于防汛搶險來說，當前水位超過預(yù)警水位的幅度決定了防汛搶險的緊急程度，是調(diào)配救災(zāi)人員數(shù)量和防汛物質(zhì)數(shù)量的重要參考數(shù)據(jù)，而對于水利工程設(shè)施建設(shè)來說，是否有效利用水位數(shù)據(jù)能夠決定水利工程設(shè)施建設(shè)是否成功。由于水位檢測參考作用非常重要，因而水位檢測結(jié)果必須實時、可靠。最初的水位檢測是通過人工目測水位測量標尺來完成，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，浮子和壓組式為代表的接觸式傳感器、采用超聲波、雷達、激光為代表的非接觸式傳感器開始應(yīng)用于水位測量，雖然這些電子測量技術(shù)在一定程度上減少了人工成本和時間成本，但都具有本身固有的弊端，測量精度和性價比都不能滿足當前對水位檢測技術(shù)的要求。本發(fā)明搭建了一種水位自動檢測設(shè)備，基于水位測量標尺的形狀特點，設(shè)置有針對性的、性價比較高的圖像采集和處理子設(shè)備準確獲得當前水位，同時通過合理的統(tǒng)計技術(shù)和相應(yīng)的報警設(shè)備，實現(xiàn)基于當前水位的各種水位報警操作。圖1為根據(jù)本發(fā)明實施方案示出的水位自動檢測設(shè)備的結(jié)構(gòu)方框圖，所述檢測設(shè)備包括水位測量標尺1、高清攝像頭2、圖像處理器3和主控制器4，所述水位測量標尺1豎直立于水中，所述高清攝像頭2用于對所述水位測量標尺1在水位上的部分進行拍攝，以獲得水上標尺圖像，所述圖像處理器3與所述高清攝像頭2連接，用于對水上標尺圖像進行圖像處理，以獲得當前水位，所述主控制器4與所述圖像處理器3和所述高清攝像頭2分別連接，用于基于所述當前水位確定是否進行水位報警。接著，繼續(xù)對本發(fā)明的水位自動檢測設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)進行進一步的說明。所述檢測設(shè)備還包括：RS232串行通信接口，用于通過RS232串行通信方式連接外部設(shè)備，以讀取外部設(shè)備中存儲的水位測量標尺總長度、水位測量標尺單位刻度值、預(yù)設(shè)檢測時間間隔、預(yù)設(shè)接收次數(shù)、水位上限、單位刻度線上限灰度閾值和單位刻度線下限灰度閾值，所述單位刻度線上限灰度閾值和所述單位刻度線下限灰度閾值用于將圖像中的單位刻度線與背景分開，所述預(yù)設(shè)檢測時間間隔小于0.5秒。所述檢測設(shè)備還包括：靜態(tài)存儲器，與所述RS232串行通信接口連接，用于讀取并存儲所述水位測量標尺總長度、所述水位測量標尺單位刻度值、所述預(yù)設(shè)檢測時間間隔、所述預(yù)設(shè)接收次數(shù)、所述水位上限、所述單位刻度線上限灰度閾值和所述單位刻度線下限灰度閾值。所述檢測設(shè)備還包括：定時器，用于為所述檢測設(shè)備的水位自動檢測提供計時數(shù)據(jù)。所述檢測設(shè)備還包括：無線通信接口，與遠端的水務(wù)管理平臺建立雙向的無線通信鏈路，用于接收所述水務(wù)管理平臺發(fā)送的控制指令，還用于與所述主控制器4連接，以將水位正常信號、水位超限預(yù)警信號或水位超限報警信號發(fā)送給所述水務(wù)管理平臺，還將平均水位發(fā)送給所述水務(wù)管理平臺。所述檢測設(shè)備還包括：報警設(shè)備，與所述主控制器4連接，包括揚聲器和液晶顯示屏，所述揚聲器用于播放與水位正常信號、水位超限預(yù)警信號或水位超限報警信號對應(yīng)的語音提示文件，所述液晶顯示屏用于顯示與水位正常信號、水位超限預(yù)警信號或水位超限報警信號對應(yīng)的提示文字，所述液晶顯示屏還用于與平均水位對應(yīng)的提示文字。如圖2所示，所述高清攝像頭2包括濾光片21、鏡頭22和CMOS圖像傳感器23，所述鏡頭22位于所述濾光片21和所述CMOS圖像傳感器23之間，所述CMOS圖像傳感器23采集的水上標尺圖像的分辨率為1920×1080，所述CMOS圖像傳感器23與所述定時器連接，每隔所述預(yù)設(shè)檢測時間間隔拍攝一次水上標尺圖像以發(fā)送給所述圖像處理器3進行圖像處理。所述圖像處理器3與所述靜態(tài)存儲器和所述高清攝像頭2分別連接，包括徑向畸變校正單元、小波濾波單元、灰度化處理單元、單位刻度識別單元和水位計算單元，所述徑向畸變校正單元、所述小波濾波單元、所述灰度化處理單元、所述單位刻度識別單元和所述水位計算單元分別采用不同的FPGA芯片來實現(xiàn)，所述徑向畸變校正單元與所述CMOS圖像傳感器23連接，采用基于圖像平面的畸變校正對水上標尺圖像實現(xiàn)徑向畸變校正，獲得接近理想成像條件下的圖像作為已校正水上標尺圖像，所述小波濾波單元與所述徑向畸變校正單元連接，通過Harr小波濾波器對已校正水上標尺圖像執(zhí)行小波濾波，以獲得濾波圖像，所述灰度化處理單元與所述小波濾波單元連接，對濾波圖像執(zhí)行灰度化處理，以獲得灰度圖像。所述單位刻度識別單元與所述灰度化處理單元和所述靜態(tài)存儲器連接，將所述灰度圖像中灰度值在所述單位刻度線上限灰度閾值和所述單位刻度線下限灰度閾值之間的像素識別并組成單位刻度線圖像，計算單位刻度線圖像中的單位刻度線間隔的數(shù)量以作為水上標尺單位刻度數(shù)量輸出，所述水位計算單元與所述單位刻度識別單元和所述靜態(tài)存儲器分別連接，基于所述水位測量標尺總長度、所述水位測量標尺單位刻度值和所述水上標尺單位刻度數(shù)量計算出當前水位。所述主控制器4與所述靜態(tài)存儲器和所述水位計算單元分別連接，每當已接收到的當前水位的次數(shù)達到所述預(yù)設(shè)接收次數(shù)時，計算一次平均水位，所述平均水位為已接收到的多個當前水位的平均值，并當計算的平均水位小于所述水位上限時，發(fā)出水位正常信號，當計算的平均水位大于等于所述水位上限時，發(fā)出水位超限預(yù)警信號，當計算的平均水位超過所述水位上限的20％時，發(fā)出水位超限報警信號。其中，所述水位計算單元基于所述水位測量標尺總長度、所述水位測量標尺單位刻度值和所述水上標尺單位刻度數(shù)量計算出當前水位具體為：所述當前水位等于所述水位測量標尺總長度減去所述水位測量標尺單位刻度值和所述水上標尺單位刻度數(shù)量的乘積。其中，在所述檢測設(shè)備中，所述CMOS圖像傳感器23可選擇通過CSI接口將水上標尺圖像發(fā)送給所述圖像處理器3，所述無線通信鏈路可選為GPRS移動通信鏈路、3G移動通信鏈路或4G移動通信鏈路中的一種，所述靜態(tài)存儲器可以為同步動態(tài)隨機存儲器SDRAM，所述靜態(tài)存儲器的存儲容量為1GB，以及所述高清攝像頭2可位于所述水位測量標尺正對面的橫桿上。另外，CMOS(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor)，中文學名為互補金屬氧化物半導(dǎo)體，他本是計算機系統(tǒng)內(nèi)一種重要的芯片，保存了系統(tǒng)引導(dǎo)最基本的資料。CMOS的制造技術(shù)和一般計算機芯片沒什么差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導(dǎo)體，使其在CMOS上共存著帶N(帶-電)和P(帶+電)級的半導(dǎo)體，這兩個互補效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片紀錄和解讀成影像。后來發(fā)現(xiàn)CMOS經(jīng)過加工也可以作為數(shù)碼攝影中的圖像傳感器。對于獨立于電網(wǎng)的便攜式應(yīng)用而言，以低功耗特性而著稱的CMOS技術(shù)具有一個明顯的優(yōu)勢：CMOS圖像傳感器是針對5V和3.3V電源電壓而設(shè)計的。而CCD芯片則需要大約12V的電源電壓，因此不得不采用一個電壓轉(zhuǎn)換器，從而導(dǎo)致功耗增加。在總功耗方面，把控制和系統(tǒng)功能集成到CMOS傳感器中將帶來另一個好處：他去除了與其他半導(dǎo)體元件的所有外部連接線。其高功耗的驅(qū)動器如今已遭棄用，這是因為在芯片內(nèi)部進行通信所消耗的能量要比通過PCB或襯底的外部實現(xiàn)方式低得多。CMOS傳感器也可細分為被動式像素傳感器(PassivePixelSensorCMOS)與主動式像素傳感器(ActivePixelSensorCMOS)。被動式像素傳感器(PassivePixelSensor，簡稱PPS)，又叫無源式像素傳感器，他由一個反向偏置的光敏二極管和一個開關(guān)管構(gòu)成。光敏二極管本質(zhì)上是一個由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)，他可等效為一個反向偏置的二極管和一個MOS電容并聯(lián)。當開關(guān)管開啟時，光敏二極管與垂直的列線(Columnbus)連通。位于列線末端的電荷積分放大器讀出電路(Chargeintegratingamplifier)保持列線電壓為一常數(shù)，當光敏二極管存貯的信號電荷被讀出時，其電壓被復(fù)位到列線電壓水平，與此同時，與光信號成正比的電荷由電荷積分放大器轉(zhuǎn)換為電荷輸出。主動式像素傳感器(ActivePixelSensor，簡稱APS)，又叫有源式像素傳感器。幾乎在CMOSPPS像素結(jié)構(gòu)發(fā)明的同時，人們很快認識到在像素內(nèi)引入緩沖器或放大器可以改善像素的性能，在CMOSAPS中每一像素內(nèi)都有自己的放大器。集成在表面的放大晶體管減少了像素元件的有效表面積，降低了“封裝密度”，使40％～50％的入射光被反射。這種傳感器的另一個問題是，如何使傳感器的多通道放大器之間有較好的匹配，這可以通過降低殘余水平的固定圖形噪聲較好地實現(xiàn)。由于CMOSAPS像素內(nèi)的每個放大器僅在此讀出期間被激發(fā)，所以CMOSAPS的功耗比CCD圖像傳感器的還小。采用本發(fā)明的水位自動檢測設(shè)備，針對現(xiàn)有電子式水位檢測設(shè)備性價比不高或可靠性差的技術(shù)問題，通過有針對性的圖像采集技術(shù)、圖像處理技術(shù)以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計技術(shù)搭建了一種能夠平衡性價比和可靠性的視覺水位自動檢測設(shè)備，同時該設(shè)備安裝簡便、檢測的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，從而能夠為水文預(yù)報、防汛搶險和水利工程設(shè)施提供更有價值的參考數(shù)據(jù)。可以理解的是，雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，然而上述實施例并非用以限定本發(fā)明。對于任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護的范圍內(nèi)。