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TW201500735A - 行動式影像流速辨識之方法及其裝置 - Google Patents

行動式影像流速辨識之方法及其裝置 Download PDF

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TW201500735A
TW201500735A TW102121461A TW102121461A TW201500735A TW 201500735 A TW201500735 A TW 201500735A TW 102121461 A TW102121461 A TW 102121461A TW 102121461 A TW102121461 A TW 102121461A TW 201500735 A TW201500735 A TW 201500735A
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image
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Sheng-Feng Lin
wen-yi Zhang
Long-Zheng Li
Hong-Da Xiao
hui-feng Cai
Tai-Shan Liao
Shun-Zhong Cong
jin-song Lai
jun-xiong Luo
shi-zhong Kang
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Nat Applied Res Laboratories
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Abstract

    本發明為一種行動式影像流速辨識之方法及其裝置,其係整合了雷射光之模組以及智慧型手機、相機或平版電腦等行動拍攝裝置,其投射多個雷射光點於流動水體之表面後,連續地拍攝包含有雷射光點之水面圖像,再經由行動拍攝裝置本身的影像辨識之軟體程式進行運算、座標轉換,進而可由連續拍攝所取得的多張水面圖像間的差異而取得水面之流速資訊。

Description

行動式影像流速辨識之方法及其裝置
    本發明係關於一種行動式影像流速辨識之方法及其裝置,尤指結合雷射光點之投射以及現有行動拍攝裝置,而容許使用者於遠距離對水流做安全且精準之流速量測之方法及其裝置。
    質點影像速度儀(Particle Image Velocimetry, PIV)是以光學方法,結合流場可視化以及數位影像處理兩種技術,具有非接觸性全場速度量測之特點。其在結構上大略是由光學防震桌、同步器、IR雷射、雷射激發器及高速攝影機所組成。
    早期在1990年代初,大部分研究都是在實驗室利用PIV進行各式各樣量測研究;最早將PIV量測技術應用自然河川之研究始於1990年代中期在日本進行;接下來相關的PIV量測技術在水利工程的應用就蓬勃發展,並逐漸朝大尺度(Large-scale)質點影像流速法(LSPIV)來發展。在近年來LSPIV的主要發展上,其一種形式為發展時空影像流速儀(space-time image velocimetry),利用帶狀影像連續量測,可以獲得監測區域的量測速度。另一種為發展大尺度調適PIV法(Large-scale adaptive PIV),其可以在原始影像上直接分析流速向量,再將其轉換為正確的尺度。亦也有建立一即時(real-time)LSPIV系統(RTLSPIV)之形式,經連續五個月利用RTLSPIV監測河川流量,並與USGS流量站之量測資料作比較後,發現兩者可獲得相當的量測精度,其誤差僅約10%左右。還有一種則是發展行動(Mobile)LSPIV(MLSPIV),其將攝影設備、電腦與分析軟體直接架設於工程車上,因此可以機動地到河川旁進行部署與監測。
    由以上揭示可知,過去PIV量測方式多屬固定式,主要是因為PIV演算法需要事先定位,以獲得參考點座標作為影像辨識率定參數,所以在操作方便性很低。
    若以應用場合而言,不少水流湍急的區域都位於地勢險峻的溪谷,或是無平坦、寬敞的路徑讓使用者得以接近水流,因此不適合設置量測裝置進行水流之監測;另外,水流量測的時間點也有可能是在天候不佳的條件下進行,此時若接近河川等水流旁邊做量測,對量測人員的安全將會是一大威脅。
    因此,如何讓量測人員能夠遠距離對水流速度進行量測觀察,同時也兼顧到量測時的精準程度,以滿足各個面向之需求,即是一道待解決的技術課題。
    本發明之主要目的,係提供一種行動式影像流速辨識之方法,其先透過多個雷射光源照射於流動之水面,而後進行連續拍攝及影像分析處理,讓使用者完全不需要到靠近水面之高風險區域近距離量測或是在該處放置參考物件,具有安全性與便利性。
    本發明之次要目的,係提供一種行動式影像流速辨識之方法,其藉由雷射光束本身的低發散性而讓量測距離提升到遠距,即便是相隔很遠也不影響準確度。
    本發明之再一目的,係提供一種行動式影像流速辨識之裝置,其可對流動之水面投射所需要的雷射光,以搭配本發明之方法做準確的流速量測。
    本發明之更一目的,係提供一種行動式影像流速辨識之裝置,其可直接利用於現有之智慧型手機或是數位相機之拍攝以及運算功能。
    為了達到上述之目的,本發明揭示了一種行動式影像流速辨識之方法及其裝置,其方法係包含:投射複數個雷射光點於一水面;連續拍攝複數個水面圖像,該些水面圖像包含該些雷射光點;取得該些水面圖像中,該些雷射光點分別所具有之一參考座標;計算該些雷射光點分別所具有之一真實座標;還原該些水面圖像為複數個正交圖像;分析該些正交圖像,以取得複數個流速向量,並且分析該些參考座標而取得該些雷射光點之間之一參考長度;以及結合該些流速向量以及該參考長度,取得該水面之流速。據此方法及利用相對應的適當裝置,本發明即可讓使用者站在安全的區域,對湍急或地勢險惡處之水流進行監視以及量測。
1‧‧‧雷射光源
2‧‧‧框架
21‧‧‧容置空間
3‧‧‧行動拍攝裝置
31‧‧‧鏡頭
32‧‧‧顯示單元
33‧‧‧操作單元
4‧‧‧雷射測距模組
5‧‧‧水面圖像
51‧‧‧雷射光點
6‧‧‧橋梁
7‧‧‧水面
α‧‧‧水平角度
β‧‧‧垂直角度
αD‧‧‧夾角
βD‧‧‧夾角
P1‧‧‧第一圖形
P2‧‧‧第二圖形
P3‧‧‧第三圖形
P4‧‧‧第四圖形
W‧‧‧水流方向
Zd‧‧‧距離
S1~S7‧‧‧步驟
第一圖:其係為本發明之步驟流程圖;
第二A圖:其係為本發明之一較佳實施例之正面結構示意圖;
第二B圖:其係為本發明之一較佳實施例之背面結構示意圖;
第三圖:其係為本發明使用平行雷射光束式時,其投射之座標示意圖;
第四圖:其係為本發明於橋樑使用之拍攝示意圖;
第五圖:其係為本發明另一較佳實施例之正面結構示意圖;
第六圖:其係為本發明中,非平行雷射光源組之投射示意圖;以及
第七圖:其係為本發明流速辨識之結果顯示之照片。
    為使本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識,謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明,說明如後:
    首先,請參考第一圖,其係為本發明關於方法之步驟流程圖;如圖所示,其係包含步驟:
步驟S1:投射複數個雷射光點於一水面;
步驟S2:連續拍攝複數個水面圖像,該些水面圖像包含該些雷射光點;
步驟S3:取得該些水面圖像中,該些雷射光點分別所具有之一參考座標;
步驟S4:計算該些雷射光點分別所具有之一真實座標;
步驟S5:還原該些水面圖像為一正交圖像;
步驟S6:分析該些正交圖像,以取得複數個流速向量,並且分析該些參考座標而取得該些雷射光點之間之一參考長度;以及
步驟S7:結合該些流速向量以及該參考長度,取得該水面之流速。
    於本發明中,其係於遠距離直接對水面進行雷射光點的投射以及影像的連續拍攝,然後再透過具有分析運算能力的裝置將所獲取的影像做即時性的處理,進而獲得水面流速的資訊。而若要具體實現上述之方法步驟,則尚需要相關的硬體設備做支援。
    請一併參考第二A圖和第二B圖,其係為實現本發明所揭示方法的裝置結構示意圖之正面視角以及背面視角,其係包含:複數個雷射光源1、一框架2、一容置空間21、一行動拍攝裝置3。其中,該些雷射光源1係設置於該框架2之上,而該框架2的中央具有該容置空間21,此容置空間21係用容置行動拍攝裝置3,其係將行動拍攝裝置3固定於此容置空間21當中,使得框架2環繞於行動拍攝裝置3的周邊。
    另外,行動拍攝裝置3本身的一面具有一個鏡頭31,可用於拍攝照片或是進行錄影,該鏡頭31係與框架2所承載的該些雷射光源1面對同一方向;而其另一面則具有可顯示影像之顯示單元32以及下指令之操作單元33,此操作單元33也可在顯示單元32為觸控式之設計下,而與顯示單元32一體成形。
    本發明在第二A圖所示之實施例中,該些雷射光源1係為平行雷射光源組,其會發射出相互平行之雷射光束,以使用四個雷射光源1為例,各個雷射光源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,也就是在進行最初步的投射後,將投射角度水平移動一水平角度α,再垂直移動一垂直角度β而將之調整到目標水面,來計算出雷射光源1投射在水面上時,形成之雷射光點的相對座標。
    以使用上述之平行雷射光源組為例,請參考第三圖,圖中第一圖形P1 為雷射光源1所射出之平行雷射光束之截面;第二圖形P2 為將第一圖形P1 經修正垂直角度β而垂直於XY平面之圖形;第三圖形P3 為將第二圖形P2 經修正水平角度α而平行於YZ平面之圖形;而第四圖形P4 則為雷射光源1形成於水面之變形圖像。其中,雷射光源1所投射出之影像係為多個雷射光點,此圖所示之P1 、P2 、P3 以及P4 皆係為多個雷射光點所連接起來之虛擬雷射圖形,並非投射實體矩形圖像。
    經使用雷射光源1而投射雷射光點於水面而後,此時使用者可利用行動拍攝裝置3做連續拍攝。此行動拍攝裝置3係為現成之智慧型手機或是數位相機,其可在應用時才安裝固定於框架2的容置空間21,並於結束應用時取下。本發明利用此些智慧型手機、平板電腦或是數位相機的鏡頭31將雷射光點與水面流場連續地拍攝下來。以第四圖為例,其將本發明由橋樑6之上方向下拍攝水面7,取得了包含有該些雷射光點51的複數個水面圖像5,並將之儲存於行動拍攝裝置3當中。在此步驟,由於雷射光源1的方向與行動拍攝裝置3之鏡頭31的方向是一致的,因此只需調整行動拍攝裝置3的放大倍率,即可獲得所需量測的水面7範圍。
    接著,本發明就透過行動拍攝裝置3本身的運算處理單元結合相關的微型應用程式(App)而對前述取得之水面圖像進行影像分析。在此流程當中,會先確認在水面圖像5當中的雷射光點51分別所具有之參考座標,其根據所旋轉之垂直角度β以及水平角度α,經過下列式1~式4(使用四個雷射光源1為例),計算出雷射光點A、B、C、D在水面上的真實座標。
然後,再將因非垂直投射於水面,而為變形之水面圖像5中的雷射光點位置(x’,y’)A ~(x’,y’)D ,也就是於行動拍攝裝置3所拍攝之水面圖像5上利用紅點偵測辨識軟體等影像處理技術辨識出來,將變形前與變形後的A、B、C、D等四個點的座標位置代入下式5、式6來聯立求解出係數C1 ~C8
據此,在已知係數C1 ~C8 之下,式5、式6可將變形之水面圖像還原為正交影像,並獲得雷射光點51間之參考長度。
    接下來,本發明透過相關性分析該些水面圖像,以取得複數個流速向量。此時係進行質點影像流速法(Particle Image Velocimetry, PIV)的流速影像辨識,其係將連續兩張已知時間間距的正交影像,利用相關性分析,計算正交影像上的水面追蹤源(如水花、漂浮物、懸浮微粒等)之位移方向與距離,然後再除以時間間距,即可獲得正交影像上的流速向量。
    另外,而若是在光線不佳或夜間施測的情況下,為了增強水面圖像5的清晰度,本發明也可以與其他光源搭配使用,而雷射光的高聚光性將不會受到輔助光源的影響。並且,本發明所揭示之裝置除了可直接將流速影像辨識結果立即顯示於顯示單元32上,而相關的流速資訊、水面圖像、GPS座標等,亦可利用行動拍攝裝置3之3G無線傳輸技術、藍牙或著WiFi技術上傳至雲端伺服器,以供防災遠端即時監測使用。
    除了平行雷射光源組以外,本發明也可以使用非平行雷射光源組進行量測。請參考第五圖所揭示之裝置結構示意圖和第六圖之投射示意圖,此時其結構上亦具有多個雷射光源1,不過該些雷射光源1所發出的雷射光束並非相互平行,而是在水平方向上具有夾角αD ,以及在垂直方向上具有夾角βD ,其可依距離之遠近而改變αD 和βD 之角度,使得所投射出的雷射光點所形成之四邊形得以有大小變化。其於結構上另具有一雷射測距模組4,可量測本發明之裝置與水面之距離Zd 為何,因此雷射光點所形成的四邊形於放大後的尺寸可利用幾何計算來獲得,然後再根據本發明與水面法線之夾角而計算出雷射光點在水面上的相對座標。
    使用非平行雷射光源組時,其操作流程與使用平行雷射光源組係為相同,惟此時需將四個雷射光源1所發射出之雷射光束與相互平行之雷射光束之間的夾角納入計算。並且,在推導雷射光點A、B、C、D在水面上的真實座標時,係改以透過下列式7進行計算:
    以下則係本發明在使用非平行雷射光源組進行流速辨識之操作實例,其流程依序為:
1. 開啟雷射光源、雷射測距模組以及作為行動拍攝裝置之相機及其內存之應用軟體程式,將之架設於橋邊或是岸邊之兩側,並將其對準水面,由上而下地拍攝。其與水面的斜角盡量呈現90°的正向攝影,所得到的資訊也較於充沛。
2. 透過連續拍攝而擷取相鄰兩張的水面影像,取得間隔為1/30fps,而與雷射測距模組的數據則為4.079公尺。
3. 使用裝置之紅點偵測辨識軟體,取得將影像上的雷射光點之參考座標。
4. 事前校正過雷射光源的四點偏角,
αA =0.2404;βA =-0.0932
αB =0.7334;βB =-0.1293
αC =0.8146;βC =0.4204
αD =0.3091;βD =0.2985
而XD =407.9可由雷射測距模組獲得,搭配非平行雷射光束式(或平行雷射光束式的公式)的公式,經由公式取得四點A、B、C、D實際空間上的真實座標,單位為公分:
A=(0,0)
B=(13.5100, -0.2571)
C=(14.0882 ,8.6568)
D=(0.4891 ,7.7886)。
5. 取得影像上的參考座標與實際空間的真實座標,可經由正交轉換將相鄰的兩張原始影像做正向的處理,如原始拍攝即接近90度的正向攝影,轉換後的影像資訊較不易遺失。
6. 使用PIV影像辨識技術來獲得在圖像上的流速向量圖,而此向量圖的單位為pixel,在座標轉換後影像點的實際空間都為已知,故填上點之間的距離或是並標上填上橫軸縱軸的距離,即可得到如第七圖之流速辨識的結果。
    透過上述之方法以及相對應的硬體運作,本發明所揭示之行動式影像流速辨識之方法及其裝置能讓使用者站在距離流動之水體相當遠之地方就可透過投射雷射光點和拍攝照片之方式,而獲得足夠的資訊以計算出流速,完全不需要接近水體或是額外尋找或放置參考物件,具有安全性和便利性;同時,其係可直接運用相當普遍之智慧型手機或數位相機等現有產品,並且能直接攜帶移動,並不受限於任何區域或是場合,運用上係相當靈活且易於推廣。故在兼顧了各種面向之優點之下,本發明無疑提供了一種具有經濟和實用價值之行動式影像流速辨識之方法及其裝置。
    惟以上所述者,僅為本發明之較佳實施例而已,並非用來限定本發明實施之範圍,舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾,均應包括於本發明之申請專利範圍內。
 
S1~S7‧‧‧步驟

Claims (8)

  1. 一種行動式影像流速辨識之方法,其係包含步驟:
    投射複數個雷射光點於一水面;
    連續拍攝複數個水面圖像,該些水面圖像包含該些雷射光點;
    取得該些水面圖像中,該些雷射光點分別所具有之一參考座標;
    計算該些雷射光點分別所具有之一真實座標;
    還原該些水面圖像為複數個正交圖像;
    分析該些正交圖像,以取得複數個流速向量,並且分析該些參考座標而取得該些雷射光點之間之一參考長度;以及
    結合該些流速向量以及該參考長度,取得該水面之流速。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中於投射該些雷射光點於該水面之步驟中,係先移動複數個雷射光源於一水平角度以及一垂直角度後,使用該些雷射光源投射該些雷射光點於該水面。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之方法,其中該些雷射光源具有至少為四個。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中於還原該些水面圖像為該些正交圖像之步驟中,係以該些參考座標以及該些真實座標為還原參數。
  5. 一種行動式影像流速辨識之裝置,其係包含:
    複數個雷射光源;
    一框架,其承載有該些雷射光源,且其中央具有一容置空間;以及
    一行動拍攝裝置,其固定於該容置空間,且其具有一鏡頭,該鏡頭係與該些雷射光源面對同一方向。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之裝置,其中該行動拍攝裝置係為數位相機、智慧型手機或平板電腦。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之裝置,其中該行動拍攝裝置具有一顯示單元以及一操作單元,該顯示單元以及該操作單元係面對該雷射光源之相反方向。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之裝置,其更包含一雷射測距模組,設置於該框架上,且與該些雷射光源面對同一方向。
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