CN104280567A - 行动式影像流速辨识的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种行动式影像流速辨识的方法及其装置，其整合了雷射光的模块以及智能型手机、相机或平版计算机等行动拍摄装置，其投射多个雷射光点于流动水体的表面后，连续地拍摄包含有雷射光点的水面图像，再经由行动拍摄装置本身的影像辨识的软件程序进行运算、坐标转换，进而可由连续拍摄所取得的多张水面图像间的差异而取得水面的流速信息。

Description

行动式影像流速辨识的方法及其装置

技术领域

本发明是关于一种行动式影像流速辨识的方法及其装置，尤指结合雷射光点的投射以及现有行动拍摄装置，而容许用户于远距离对水流做安全且精准的流速量测的方法及其装置。

背景技术

质点影像速度仪(Particle Image Velocimetry,PIV)是以光学方法，结合流场可视化以及數位影像处理兩种技术，具有非接触性全场速度量测的特点。其在结构上大略是由光学防震桌、同步器、IR雷射、雷射激发器及高速摄影机所组成。

早期在1990年代初，大部分研究都是在实验室利用PIV进行各式各样量测研究；最早将PIV量测技术应用自然河川的研究始于1990年代中期在日本进行；接下来相关的PIV量测技术在水利工程的应用就蓬勃发展，并逐渐朝大尺度(Large-scale)质点影像流速法(LSPIV)来发展。在近年来LSPIV的主要发展上，其一种形式为发展时空影像流速仪(space-time image velocimetry)，利用带状影像连续量测，可以获得监测区域的量测速度。另一种为发展大尺度调适PIV法(Large-scale adaptive PIV)，其可以在原始影像上直接分析流速向量，再将其转换为正确的尺度。亦也有建立一实时(real-time)LSPIV系统(RTLSPIV)的形式，经连续五个月利用RTLSPIV监测河川流量，并与USGS流量站的量测资料作比较后，发现两者可获得相当的量测精度，其误差仅约10％左右。还有一种则是发展行动(Mobile)LSPIV(MLSPIV)，其将摄影设备、计算机与分析软件直接架设于工程车上，因此可以机动地到河川旁进行部署与监测。

由以上揭示可知，过去PIV量测方式多属固定式，主要是因为PIV算法需要事先定位，以获得参考点坐标作为影像辨识率定参数，所以在操作方便性很低。

若以应用场合而言，不少水流湍急的区域都位于地势险峻的溪谷，或是无平坦、宽敞的路径让用户得以接近水流，因此不适合设置量测装置进行水流的监测；另外，水流量测的时间点也有可能是在天候不佳的条件下进行，此时若接近河川等水流旁边做量测，对量测人员的安全将会是一大威胁。

因此，如何让量测人员能够远距离对水流速度进行量测观察，同时也兼顾到量测时的精准程度，以满足各个面向的需求，即是一道待解决的技术课题。

发明内容

本发明的主要目的，在于提供一种行动式影像流速辨识的方法，其先透过多个雷射光源照射于流动的水面，而后进行连续拍摄及影像分析处理，让用户完全不需要到靠近水面的高风险区域近距离量测或是在该处放置参考对象，具有安全性与便利性。

本发明的次要目的，在于提供一种行动式影像流速辨识的方法，其藉由激光束本身的低发散性而让量测距离提升到远距，即便是相隔很远也不影响准确度。

本发明的再一目的，在于提供一种行动式影像流速辨识的装置，其可对流动的水面投射所需要的雷射光，以搭配本发明的方法做准确的流速量测。

本发明的更一目的，在于提供一种行动式影像流速辨识的装置，其可直接利用于现有的智能型手机或是数字相机的拍摄以及运算功能。

为了达到上述的目的，本发明揭示了一种行动式影像流速辨识的方法及其装置，其方法包含：投射多个雷射光点于一水面；连续拍摄多个水面图像，该些水面图像包含该些雷射光点；取得该些水面图像中，该些雷射光点分别所具有的一参考坐标；计算该些雷射光点分别所具有的一真实坐标；还原该些水面图像为多个正交图像；分析该些正交图像，以取得多个流速向量，并且分析该些参考坐标而取得该些雷射光点之间的一参考长度；以及结合该些流速向量以及该参考长度，取得该水面的流速。据此方法及利用相对应的适当装置，本发明即可让用户站在安全的区域，对湍急或地势险恶处的水流进行监视以及量测。

实施本发明产生的有益效果是：本发明的行动式影像流速辨识的方法及其装置能让用户站在距离流动的水体相当远的地方就可透过投射雷射光点和拍摄照片的方式，而获得足够的信息以计算出流速，完全不需要接近水体或是额外寻找或放置参考对象，具有安全性和便利性；同时，其可直接运用相当普遍的智能型手机或数字相机等现有产品，并且能直接携带移动，并不受限于任何区域或是场合，运用上相当灵活且易于推广。故在兼顾了各种面向的优点之下，本发明无疑提供了一种具有经济和实用价值的行动式影像流速辨识的方法及其装置。

附图说明

图1：其为本发明的步骤流程图；

图2A：其为本发明的一较佳实施例的正面结构示意图；

图2B：其为本发明的一较佳实施例的背面结构示意图；

图3：其为本发明使用平行激光束式时，其投射的坐标示意图；

图4：其为本发明于桥梁使用的拍摄示意图；

图5：其为本发明另一较佳实施例的正面结构示意图；

图6：其为本发明中，非平行雷射光源组的投射示意图；以及

图7：其为本发明流速辨识的结果显示的照片。

【图号对照说明】

1  雷射光源

2  框架

21 容置空间

3  行动拍摄装置

31 镜头

32 显示单元

33 操作单元

4  雷射测距模块

5   水面图像

51  雷射光点

6   桥梁

7   水面

α  水平角度

β  垂直角度

α_D 夹角

β_D 夹角

P₁  图1形

P₂  第二图形

P₃  图3形

P₄  图4形

W   水流方向

Z_d  距离

S1～S7  步骤

具体实施方式

为了使本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，特用较佳的实施例及配合详细的说明，说明如下：

首先，请参考图1，其为本发明关于方法的步骤流程图；如图所示，其包含步骤：

步骤S1：投射多个雷射光点于一水面；

步骤S2：连续拍摄多个水面图像，该些水面图像包含该些雷射光点；

步骤S3：取得该些水面图像中，该些雷射光点分别所具有的一参考坐标；

步骤S4：计算该些雷射光点分别所具有的一真实坐标；

步骤S5：还原该些水面图像为一正交图像；

步骤S6：分析该些正交图像，以取得多个流速向量，并且分析该些参考坐标而取得该些雷射光点之间的一参考长度；以及

步骤S7：结合该些流速向量以及该参考长度，取得该水面的流速。

于本发明中，其于远距离直接对水面进行雷射光点的投射以及影像的连续拍摄，然后再透过具有分析运算能力的装置将所获取的影像做实时性的处理，进而获得水面流速的信息。而若要具体实现上述的方法步骤，则尚需要相关的硬设备做支持。

请一并参考图2A和图2B，其为实现本发明所揭示方法的装置结构示意图的正面视角以及背面视角，其包含：多个雷射光源1、一框架2、一容置空间21、一行动拍摄装置3。其中，该些雷射光源1设置于该框架2之上，而该框架2的中央具有该容置空间21，此容置空间21用容置行动拍摄装置3，其将行动拍摄装置3固定于此容置空间21当中，使得框架2环绕于行动拍摄装置3的周边。

另外，行动拍摄装置3本身的一面具有一个镜头31，可用于拍摄照片或是进行录像，该镜头31与框架2所承载的该些雷射光源1面对同一方向；而其另一面则具有可显示影像的显示单元32以及下指令的操作单元33，此操作单元33也可在显示单元32为触控式的设计下，而与显示单元32一体成形。

本发明在图2A所示的实施例中，该些雷射光源1为平行雷射光源组，其会发射出相互平行的激光束，以使用四个雷射光源1为例，各个雷射光源1是以矩形的方式做排列，其藉由雷射光源1垂直投射至水面，也就是在进行最初步的投射后，将投射角度水平移动一水平角度α，再垂直移动一垂直角度β而将的调整到目标水面，来计算出雷射光源1投射在水面上时，形成的雷射光点的相对坐标。

以使用上述的平行雷射光源组为例，请参考图3，图中图1形P₁为雷射光源1所射出的平行激光束的截面；第二图形P₂为将图1形P₁经修正垂直角度β而垂直于XY平面的图形；图3形P₃为将第二图形P₂经修正水平角度α而平行于YZ平面的图形；而图4形P₄则为雷射光源1形成于水面的变形图像。其中，雷射光源1所投射出的影像为多个雷射光点，此图所示的P₁、P₂、P₃以及P₄皆为多个雷射光点所连接起来的虚拟雷射图形，并非投射实体矩形图像。

经使用雷射光源1而投射雷射光点于水面而后，此时用户可利用行动拍摄装置3做连续拍摄。此行动拍摄装置3为现成的智能型手机或是数字相机，其可在应用时才安装固定于框架2的容置空间21，并于结束应用时取下。本发明利用此些智能型手机、平板计算机或是数字相机的镜头31将雷射光点与水面流场连续地拍摄下来。以图4为例，其将本发明由桥梁6的上方向下拍摄水面7，取得了包含有该些雷射光点51的多个水面图像5，并将的储存于行动拍摄装置3当中。在此步骤，由于雷射光源1的方向与行动拍摄装置3的镜头31的方向是一致的，因此只需调整行动拍摄装置3的放大倍率，即可获得所需量测的水面7范围。

接着，本发明就透过行动拍摄装置3本身的运算处理单元结合相关的微型应用程序(App)而对前述取得的水面图像进行影像分析。在此流程当中，会先确认在水面图像5当中的雷射光点51分别所具有的参考坐标，其根据所旋转的垂直角度β以及水平角度α，经过下列式1～式4(使用四个雷射光源1为例)，计算出雷射光点A、B、C、D在水面上的真实坐标。

(x，y)_A＝(0，0)    (式1)

${(x,y)}_B=(\frac{W}{\cos \mathrm{\α}},W\tan \mathrm{\α}\tan \mathrm{\β})$     (式2)

${(x,y)}_C=(\frac{W}{\cos \mathrm{\α}},\frac{H}{\cos \mathrm{\β}}+W\tan \mathrm{\α}\tan \mathrm{\β})$     (式3)

${(x,y)}_D=(0,\frac{H}{\cos \mathrm{\β}})$     (式4)

然后，再将因非垂直投射于水面，而为变形的水面图像5中的雷射光点位置(x’,y’)_A～(x’,y’)_D，也就是于行动拍摄装置3所拍摄的水面图像5上利用红点侦测辨识软件等图像处理技术辨识出来，将变形前与变形后的A、B、C、D等四个点的坐标位置代入下式5、式6来联立求解出系数C₁～C₈：

x′＝c₁x+c₂y+c₃xy+c₄    (式5)

y′＝c₅x+c₆y+c₇xy+c₈    (式6)

据此，在已知系数C₁～C₈的下，式5、式6可将变形的水面图像还原为正交影像，并获得雷射光点51间的参考长度。

接下来，本发明透过相关性分析该些水面图像，以取得多个流速向量。此时进行质点影像流速法(Particle Image Velocimetry,PIV)的流速影像辨识，其将连续两张已知时间间距的正交影像，利用相关性分析，计算正交影像上的水面追踪源(如水花、漂浮物、悬浮微粒等)的位移方向与距离，然后再除以时间间距，即可获得正交影像上的流速向量。

另外，而若是在光线不佳或夜间施测的情况下，为了增强水面图像5的清晰度，本发明也可以与其他光源搭配使用，而雷射光的高聚旋光性将不会受到辅助光源的影响。并且，本发明所揭示的装置除了可直接将流速影像辨识结果立即显示于显示单元32上，而相关的流速信息、水面图像、GPS坐标等，亦可利用行动拍摄装置3的3G无线传输技术、蓝牙或着WiFi技术上传至云端服务器，以供防灾远程实时监测使用。

除了平行雷射光源组以外，本发明也可以使用非平行雷射光源组进行量测。请参考图5所揭示的装置结构示意图和图6的投射示意图，此时其结构上亦具有多个雷射光源1，不过该些雷射光源1所发出的激光束并非相互平行，而是在水平方向上具有夹角α_D，以及在垂直方向上具有夹角β_D，其可依距离的远近而改变α_D和β_D的角度，使得所投射出的雷射光点所形成的四边形得以有大小变化。其于结构上另具有一雷射测距模块4，可量测本发明的装置与水面的距离Z_d为何，因此雷射光点所形成的四边形于放大后的尺寸可利用几何计算来获得，然后再根据本发明与水面法线的夹角而计算出雷射光点在水面上的相对坐标。

使用非平行雷射光源组时，其操作流程与使用平行雷射光源组为相同，惟此时需将四个雷射光源1所发射出的激光束与相互平行的激光束之间的夹角纳入计算。并且，在推导雷射光点A、B、C、D在水面上的真实坐标时，改以透过下列式7进行计算：

$\left\{\begin{array}{c}{(x,y)}_A=\left(\mathrm{0,0}\right)\\ {(x,y)}_B=(W\cos \mathrm{\α}-\frac{(X_d+W\sin \mathrm{\α})n_{1y}^B}{n_{1x}^B}+\frac{X_d{n}_{1y}^A}{n_{1x}^A},-\frac{(X_d+W\sin \mathrm{\α})n_{1z}^B}{n_{1x}^B}+\frac{X_d{n}_{1z}^A}{n_{1x}^A})\\ {(x,y)}_C=(-H\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}+W\cos \mathrm{\α}-\frac{(X_d+H\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}+W\sin \mathrm{\α})n_{1y}^C}{n_{1x}^C}+\frac{X_d{n}_{1y}^A}{n_{1x}^A},H\cos \mathrm{\β}-\frac{(X_d+H\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}+W\sin \mathrm{\α})n_{1z}^C}{n_{1x}^C}+\frac{X_d{n}_{1z}^A}{n_{1x}^A})\\ {(x,y)}_D=(-H\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}-\frac{(X_d+H\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α})n_{1y}^D}{n_{1x}^D}+\frac{X_d{n}_{1y}^A}{n_{1x}^A},H\cos \mathrm{\β}-\frac{(X_d+H\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α})n_{1z}^D}{n_{1x}^D}+\frac{X_d{n}_{1z}^A}{n_{1x}^A})\end{array}\right.$ (式7)

以下则是本发明在使用非平行雷射光源组进行流速辨识的操作实例，其流程依序为：

1.开启雷射光源、雷射测距模块以及作为行动拍摄装置的相机及其内存的应用软件程序，将的架设于桥边或是岸边的两侧，并将其对准水面，由上而下地拍摄。其与水面的斜角尽量呈现90°的正向摄影，所得到的信息也较于充沛。

2.透过连续拍摄而撷取相邻两张的水面影像，取得间隔为1/30fps，而与雷射测距模块的数据则为4.079公尺。

3.使用装置的红点侦测辨识软件，取得将影像上的雷射光点的参考坐标。

4.事前校正过雷射光源的四点偏角，

α_A＝0.2404；β_A＝-0.0932

α_B＝0.7334；β_B＝-0.1293

α_C＝0.8146；β_C＝0.4204

α_D＝0.3091；β_D＝0.2985

而X_D＝407.9可由雷射测距模块获得，搭配非平行激光束式(或平行激光束式的公式)的公式，经由公式取得四点A、B、C、D实际空间上的真实坐标，单位为公分：

A＝(0,0)

B＝(13.5100,-0.2571)

C＝(14.0882,8.6568)

D＝(0.4891,7.7886)。

5.取得影像上的参考坐标与实际空间的真实坐标，可经由正交转换将相邻的两张原始影像做正向的处理，如原始拍摄即接近90度的正向摄影，转换后的影像信息较不易遗失。

6.使用PIV影像辨识技术来获得在图像上的流速向量图，而此向量图的单位为pixel，在坐标转换后影像点的实际空间都为已知，故填上点之间的距离或是并标上填上横轴纵轴的距离，即可得到如图7的流速辨识的结果。

透过上述的方法以及相对应的硬件运作，本发明所揭示的行动式影像流速辨识的方法及其装置能让用户站在距离流动的水体相当远的地方就可透过投射雷射光点和拍摄照片的方式，而获得足够的信息以计算出流速，完全不需要接近水体或是额外寻找或放置参考对象，具有安全性和便利性；同时，其可直接运用相当普遍的智能型手机或数字相机等现有产品，并且能直接携带移动，并不受限于任何区域或是场合，运用上相当灵活且易于推广。故在兼顾了各种面向的优点之下，本发明无疑提供了一种具有经济和实用价值的行动式影像流速辨识的方法及其装置。

上文仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。

Claims (8)

1.一种行动式影像流速辨识的方法，其特征在于，其包含步骤：

投射多个雷射光点于一水面；

连续拍摄多个水面图像，该些水面图像包含该些雷射光点；

取得该些水面图像中，该些雷射光点分别所具有的一参考坐标；

计算该些雷射光点分别所具有的一真实坐标；

还原该些水面图像为多个正交图像；

分析该些正交图像，以取得多个流速向量，并且分析该些参考坐标而取得该些雷射光点之间的一参考长度；以及

结合该些流速向量以及该参考长度，取得该水面的流速。

2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中于投射该些雷射光点于该水面的步骤中，先移动多个雷射光源于一水平角度以及一垂直角度后，使用该些雷射光源投射该些雷射光点于该水面。

3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，其中该些雷射光源具有至少为四个。

4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中于还原该些水面图像为该些正交图像的步骤中，以该些参考坐标以及该些真实坐标为还原参数。

5. 一种行动式影像流速辨识的装置，其特征在于，其包含：

多个雷射光源；

一框架，其承载有该些雷射光源，且其中央具有一容置空间；以及

一行动拍摄装置，其固定于该容置空间，且其具有一镜头，该镜头与该些雷射光源面对同一方向。

6. 如权利要求5所述的装置，其特征在于，其中该行动拍摄装置为数字相机、智能型手机或平板计算机。

7. 如权利要求5所述的装置，其特征在于，其中该行动拍摄装置具有一显示单元以及一操作单元，该显示单元以及该操作单元面对该雷射光源的相反方向。

8. 如权利要求5所述的装置，其特征在于，其更包含一雷射测距模块，设置于该框架上，且与该些雷射光源面对同一方向。