本發(fā)明涉及水交場景重建和測流，具體為一種單攝像頭水交場景重建與實時測流方法。

背景技術(shù)：

1、單攝像頭水交場景重建與實時測流是一項涉及計算機視覺、圖像處理和流體力學(xué)的綜合性技術(shù)，主要用于在水交（如河流或渠流）場景下，通過單一攝像頭對水流的動態(tài)進行重建并估算流速。

2、現(xiàn)有的單攝像頭水交場景重建與實時測流技術(shù)在實際使用過程中往往對特征點（如漣漪）的提取會因太陽光線反射而大大影響提取準確性，導(dǎo)致三維重建的難度增大。

3、于是，有鑒于此，針對現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)及缺失予以研究改良，提出一種單攝像頭水交場景重建與實時測流方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種單攝像頭水交場景重建與實時測流方法，解決了上述背景技術(shù)中提出的問題。

2、為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：一種單攝像頭水交場景重建與實時測流方法，所述單攝像頭水交場景重建與實時測流方法包括下述操作步驟：

3、s1、數(shù)據(jù)采集：

4、使用單個高分辨率攝像頭對水流場景進行連續(xù)拍攝，獲取水流的連續(xù)視頻數(shù)據(jù)；

5、s2、邊界識別與特征提取：

6、使用邊緣檢測算法識別水流邊界，使用光流法從視頻數(shù)據(jù)中提取水流表面的特征點，邊緣檢測算法具體如下：

7、使用直方圖均衡化、對比度拉伸等方法增強水流與背景的對比度；

8、使用邊緣檢測算子計算圖像中每個像素的梯度，梯度表示像素值變化的速率和方向；

9、增強梯度圖像中代表邊緣的像素點，抑制其他區(qū)域；

10、根據(jù)預(yù)設(shè)的閾值，將梯度圖像二值化，提取出明顯的邊緣像素；

11、使用形態(tài)學(xué)操作、霍夫變換方法將邊緣片段連接成連續(xù)的邊界；

12、使用形態(tài)學(xué)操作、非極大值抑制方法將較粗的邊緣細化為單像素寬的邊界；

13、提取邊緣的形狀特征、顏色特征、紋理特征，使用機器學(xué)習(xí)算法或基于規(guī)則的方法，根據(jù)提取的特征將邊緣分類為水流邊界或非水流邊界；

14、光流法具體操作如下：

15、水流表面特征點通常表現(xiàn)為運動劇烈或紋理復(fù)雜的區(qū)域，這些區(qū)域的光流矢量具有模長或方向變化，計算光流矢量的模長和方向：

16、根據(jù)光流矢量計算每個像素的光流矢量模長和方向：

17、光流矢量模長為，其中為模長表示像素運動的速率，表示平方根運算符號；

18、方向為，其中為方向表示像素運動的方向，為方正切函數(shù)，用于從比值計算角度；

19、根據(jù)光流矢量模長或方向變化設(shè)置閾值，篩選出運動劇烈或紋理復(fù)雜的像素點作為特征點，對提取的特征點進行跟蹤，獲取其在時間序列上的運動軌跡；

20、s3、特征輔助提?。?/p>

21、在檢測到光照變化、水面反光因素的影響超過預(yù)設(shè)閾值導(dǎo)致光流法提取水流表面特征點提取結(jié)果不準確時，通過預(yù)先在拍攝區(qū)域上流位置安裝的定點投放裝置于上流處投放浮球，以浮球作為水面上的特征點被提取并進行跟蹤；

22、s4、三維重建：

23、使用結(jié)構(gòu)光法或立體視覺法利用特征點的空間位置和時間變化來重建水流場景的三維結(jié)構(gòu)，并采用光流法根據(jù)特征點在時間上的位移來計算水流流速；

24、s5、實時測流：

25、利用上述計算出來的實時水流流速以及三維重建后的河道橫截面面積，從而實時計算出該區(qū)域內(nèi)的實時流量。

26、進一步的，所述步驟s1中，攝像頭拍攝位置需全面覆蓋水流區(qū)域，且攝像頭拍攝的連續(xù)視頻數(shù)據(jù)需通過濾波器去除噪聲，并進行白平衡和亮度調(diào)整。

27、進一步的，所述步驟s2中，特征點包括且不限于水波紋、漣漪。

28、進一步的，所述步驟s2中，邊緣檢測算子包括sobel算子、prewitt算子、roberts算子。

29、進一步的，所述步驟s2中，光流矢量是一個二維向量，描述了圖像中一個像素在兩幀之間發(fā)生的位移，其中表示的是水平方向上的位移，表示的是垂直方向上的位置。

30、進一步的，所述步驟s3中，浮球采用顏色鮮艷并能夠與周邊環(huán)境明顯區(qū)分，且浮球采用可降解材料。

31、進一步的，所述步驟s3中，定點投放裝置采用遠程控制技術(shù)進行控制。

32、進一步的，所述步驟s5中，實時流量計算公式如下：

33、。

34、進一步的，所述為河道的流量，為曼寧粗糙系數(shù)，為河道橫截面的面積，為濕周與濕面積之比，為水面坡降。

35、本發(fā)明提供了一種單攝像頭水交場景重建與實時測流方法，具備以下有益效果：

36、1．該單攝像頭水交場景重建與實時測流方法，利用光流法提取水流表面如水波紋、漣漪此類特征點時，若檢測到水波紋、漣漪在光照變化和水面反光的情況下出現(xiàn)的斷點區(qū)域大于可修補的閾值上限時，遠程控制上流的投放裝置投放顏色鮮艷的浮球，浮球隨水波紋、漣漪一同流動，由此在浮球被攝像頭捕捉后，光流法提取追蹤浮球充當做特征點，由此方便降低光流法提取特征點的難度，并大大提高提取準確性，以便準確實時測流。

技術(shù)特征：

1.一種單攝像頭水交場景重建與實時測流方法，其特征在于：所述單攝像頭水交場景重建與實時測流方法包括下述操作步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單攝像頭水交場景重建與實時測流方法，其特征在于：所述步驟s1中，攝像頭拍攝位置需全面覆蓋水流區(qū)域，且攝像頭拍攝的連續(xù)視頻數(shù)據(jù)需通過濾波器去除噪聲，并進行白平衡和亮度調(diào)整。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單攝像頭水交場景重建與實時測流方法，其特征在于：所述步驟s2中，特征點包括且不限于水波紋、漣漪。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單攝像頭水交場景重建與實時測流方法，其特征在于：所述步驟s2中，邊緣檢測算子包括sobel算子、prewitt算子、roberts算子。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單攝像頭水交場景重建與實時測流方法，其特征在于：所述步驟s2中，光流矢量是一個二維向量，描述了圖像中一個像素在兩幀之間發(fā)生的位移，其中表示的是水平方向上的位移，表示的是垂直方向上的位置。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單攝像頭水交場景重建與實時測流方法，其特征在于：所述步驟s3中，浮球采用顏色鮮艷并能夠與周邊環(huán)境明顯區(qū)分，且浮球采用可降解材料。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單攝像頭水交場景重建與實時測流方法，其特征在于：所述步驟s3中，定點投放裝置采用遠程控制技術(shù)進行控制。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單攝像頭水交場景重建與實時測流方法，其特征在于：所述步驟s5中，實時流量計算公式如下：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種單攝像頭水交場景重建與實時測流方法，其特征在于：所述為河道的流量，為曼寧粗糙系數(shù)，為河道橫截面的面積，為濕周與濕面積之比，為水面坡降。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種單攝像頭水交場景重建與實時測流方法，涉及水交場景重建和測流技術(shù)領(lǐng)域，所述單攝像頭水交場景重建與實時測流方法包括下述操作步驟：S1、數(shù)據(jù)采集；S2、邊界識別與特征提??；S3、特征輔助提??；S4、三維重建；S5、實時測流。本發(fā)明，利用光流法提取水流表面如水波紋、漣漪此類特征點時，若檢測到水波紋、漣漪在光照變化和水面反光的情況下出現(xiàn)的斷點區(qū)域大于可修補的閾值上限時，遠程控制上流的投放裝置投放顏色鮮艷的浮球，浮球隨水波紋、漣漪一同流動，由此在浮球被攝像頭捕捉后，光流法提取追蹤浮球充當做特征點，由此方便降低光流法提取特征點的難度，并大大提高提取準確性，以便準確實時測流。

技術(shù)研發(fā)人員：劉玉龍,董人菘,唐鴻磊,付瑞永,師揚,代瀟
受保護的技術(shù)使用者：云南科信諾科技發(fā)展有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2