基于數字圖像處理的海洋懸浮顆粒物濃度測定裝置及方法

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海洋圖像識別,人工智能,

權利要求書

1.一種基于數字圖像處理的海洋懸浮顆粒物濃度測定裝置,包括數據采集存儲耐壓艙(1)、組合型設備集成框架(2),其特征在于,所述數據采集存儲耐壓艙(1)的頂端通過螺栓連接有耐壓艙上密封端蓋(3),數據采集存儲耐壓艙(1)的底端通過螺栓連接有耐壓艙下密封端蓋(4),耐壓艙下密封端蓋(4)的下表面通過固定安裝組合型設備集成框架(2),組合型設備集成框架(2)包括安裝圓盤(6),安裝圓盤(6)的上表面與耐壓艙下密封端蓋(4)的下表面固定安連接,安裝圓盤(6)的邊緣處通過螺栓(5)連接若干根連接桿(7),連接桿(7)的底端固定連接有支撐圓環(8),安裝圓盤(6)的下表面中心位置裝有海洋高分辨率攝像設備(9),其鏡頭方向垂直向下,海洋高分辨率攝像設備(9)的外壁上裝有夾持裝置(10)并固定裝在安裝圓盤(6)的下表面上,安裝圓盤(6)的下表面上還固定裝有三臺海洋攝像機輔助照明設備(11),海洋攝像機輔助照明設備(11)以海洋高分辨率攝像設備(9)為中心呈正三邊形分布并且以120°夾角安裝,海洋攝像機輔助照明設備(11)的外壁上通過傳動軸連接有角度調節裝置(12)。

2.根據權利要求1所述的一種基于數字圖像處理的海洋懸浮顆粒物濃度測定裝置,其特征在于,所述數據采集存儲耐壓艙(1),數據采集存儲耐壓艙(1)的外殼為耐壓艙壁(1-3),數據采集存儲耐壓艙(1)的內腔分為上部的供電單元(1-1)和下部的數據采集存儲電路板(1-2)組成,數據采集存儲電路板(1-2)通過電路板集成支架(1-4)組裝,數據采集存儲電路板(1-2)內置單片機、固態硬盤、WiFi信號發射裝置和信號接收裝置,單片機控制連接角度調節裝置(12)內部的電動馬達。

3.根據權利要求1所述的一種基于數字圖像處理的海洋懸浮顆粒物濃度測定裝置,其特征在于,所述組合型設備集成框架(2)的材質為316 L不銹鋼材料。

4.根據權利要求1所述的一種基于數字圖像處理的海洋懸浮顆粒物濃度測定裝置,其特征在于,所述海洋高分辨率攝像設備(9)內置高分辨率的CCD傳感器,其像素數為1200萬,海洋高分辨率攝像設備(9)采用316 L不銹鋼的外殼封裝,鋁合金硬質氧化材料作為鏡頭外殼材料,鏡頭另由橡膠螺旋罩封裝保護,其直徑為51 mm,長度為180mm。

5.根據權利要求1所述的一種基于數字圖像處理的海洋懸浮顆粒物濃度測定裝置,其特征在于,所述攝像機輔助照明設備(11)為LED燈,攝像機輔助照明設備(11)采用316 L不銹鋼的外殼封裝,鋁合金硬質氧化材料作為照明燈的外殼材料,照明燈另由橡膠螺旋罩封裝保護。

6.如權利要求1-5所述的一種基于數字圖像處理的海洋懸浮顆粒物濃度測定裝置的方法,其特征在于,具體步驟如下:

S1:對裝置拍攝的視頻進行分幀處理,接著對每一幀圖像進行處理;

S2:圖像幾何操作;對所獲視頻的每一幀圖像均需以相同的操作截取,確保處理過程的一致性;

S3:圖像灰度化;在彩色圖像RGB模型中,對于R=G=B,則其對應的灰度值等于RGB值;對于RGB不等的彩色圖像而言,需要根據國際電信聯盟(ITU)定義的ITU標準(ITU/EBU 3213standard)來計算,即:

Gray(i,j)=0.222015*R(i,j)+0.706655*G(i,j)+0.071330*B(i,j)

得到圖像灰度化結果;

S4:圖像增強;首先用最小值濾波器w1提取像素領域內的最暗點,其計算公式為:R=min{Zk|k=1,2,...,n},得到最初背景圖;繼而用均值濾波器w2對圖像進行平滑,其濾波計算公式為:

Image removed.,

得到最終背景圖;最后用原灰度圖減去最終背景圖,得到增強后的圖像;其中,w1和w2取相同值,即w=w1=w2,其大小是通過室內實驗比對選出的最佳值,窗口大小為奇數,最小從3開始;

S5:形態學算法;首先創建結構體元素,由于海洋懸浮顆粒物呈橢圓形或圓形,因此選用“disk”圓盤狀的結構體,結構體的大小需要根據反復試驗比對最終得出;然后對圖像先進行腐蝕運算,再進行膨脹運算,即完成結構體Se對原圖像f的開運算,得到背景圖像;最后進行兩幅圖像的減運算,即用原灰度圖像減去背景圖像,達到最終圖像;

S6:圖像二值化,利用閾值處理技術對圖像進行二值化,通過選取閾值T,任何滿足的點稱為對象點,其他點則稱為背景點,閾值處理后的圖像定義為:

Image removed.

式中:g(x,y)=1的像素對應于目標對象,而g(x,y)=0的像素指的是圖像背景;

S7:圖像信息提??;特征值及對應水深的濁度值利用min-max標準化方法,對原始數據進行線性變換是所有數值落在[0,1]之間,即:Image removed.,最終處理后的歸一化特征值與歸一化濁度值分別沿水深的剖面曲線。

7.根據權利要求6所述的一種基于數字圖像處理的海洋懸浮顆粒物濃度測定裝置的方法,其特征在于,所述步驟S6中閾值T采用Otus法、迭代閾值法以及區域生長法對圖像進行處理,并將處理結果進行比較分析,最終確定適用于圖像處理的最佳閾值算法。

8.根據權利要求7所述的一種基于數字圖像處理的海洋懸浮顆粒物濃度測定裝置的方法,其特征在于,所述Otus法具體步驟為:對于圖像I(x,y),前景即目標和背景的分割閾值記作T,屬于前景的像素點個數占整幅圖像的比例記為ω0,平均灰度值記為μ0;背景像素點個數占整幅圖像的比例為ω1,平均灰度值記為μ1;圖像的總平均灰度值記為μ,類間方差記為g;假設圖像的背景較暗且其大小為M×N,圖像中像素的灰度值小于閾值T的像素個數記作N0,像素灰度大于閾值T的像素個數記作N1,則有:

ω0=N0/M×N

ω1=N1/M×N

ω0+ω1=1

μ=ω0×μ0+ω1×μ1

g=ω0(μ0-μ)2+ω1(μ1-μ)2

將上述公式進行整理,得到等價公式,即類間方差g=ω0ω1(μ0-μ1)2,通過反復循環計算,得出類方差的最大值,即得到最終用于分割圖像的閾值T。

9.根據權利要求7所述的一種基于數字圖像處理的海洋懸浮顆粒物濃度測定裝置的方法,其特征在于,所述迭代閾值法具體步驟為:

S61:設定參數T0,并選擇一個初始的估計值T1;

S62:用閾值T1分割圖像,將圖像分成兩個部分;G1由灰度值大于T1的像素組成,G2由灰度值小于或等于T2的像素組成;

S63計算G1和G2中所有像素的平均灰度值μ1和μ2,以及新的閾值T2=(μ1+μ2)/2;

S64如果|T2-T1|<T0,則推出T2為最佳閾值;否則,將T2賦值給T1,并重復S62~S64,直到獲得最優閾值。

10.根據權利要求7所述的一種基于數字圖像處理的海洋懸浮顆粒物濃度測定裝置的方法,其特征在于,所述區域生長法以圖像相鄰像素間的灰度差為相似性準則,即:

|f(x1,y1)- f(x2,y2)|≤T,

式中:T為根據圖像特性設定的閾值,得到圖像二值化算法結果。

說明書

基于數字圖像處理的海洋懸浮顆粒物濃度測定裝置及方法

技術領域

本發明屬于海洋水文觀測技術領域,具體涉及一種基于數字圖像處理的海洋懸浮顆粒物濃度測定裝置及方法。

背景技術

海洋懸浮顆粒物一般是指海水中無法通過規格為濾膜的物質,其中包含作為生物來源的有機組分以及懸浮泥沙等無機組分。海洋懸浮顆粒物具有雙重生態效應,一方面作為微生物分解作用的場所,向水體釋放無機氮和無機鹽;另一方面具有消光作用,通過對太陽光的散射、吸收等物理作用,影響海水中綠色浮游植物的光合作用,所以海洋懸浮顆粒物濃度在一定程度上影響著海洋內部的初級生產力。而且,海洋懸浮顆粒物是深入了解海洋沉積過程的重要因子,在海岸侵蝕和淤積等方面發揮重要作用,其濃度變化是海洋環境動力研究的重要參數之一,是泥沙運移、沉積和再懸浮等運動過程的直接體現。此外,海洋水體中海洋懸浮顆粒物的狀況,對海水水質狀況以及海上平臺、水底管線等海上構筑物的可靠性和使用壽命會產生一定程度的影響。因此,海洋水體中懸浮顆粒物的濃度的精確測定對海洋環境保護、海洋工程開發、物質遷移與運輸以及海洋沉積動力學的研究意義重大。

海洋懸浮顆粒物濃度的傳統測量方法應用廣泛,測量技術已相對成熟,但其存有測量原理性不足的缺陷,如:光學法測量過程受顆粒粒徑影響大、單點測量值無法代表斷面懸浮顆粒物濃度值;聲學法標定困難計算繁瑣;激光衍射法測量范圍小,這些缺點制約著海洋懸浮顆粒物濃度測量的進一步發展。在傳統的海洋水文調查中,常用透射計或濁度計測量海水中懸浮顆粒物濃度的變化,透射計和濁度計基于光學測量的原理,通過測定光束在海水中的衰減或反射量來反映海水中的懸浮顆粒物濃度。這種基于光學的測量方法,容易受到海水中溶解性物質的影響,光束的衰減量或反射量會受到一定的損失,導致測量結果存在一定的誤差;由于測量原理的限制,透射計對粗顆粒物質較為敏感,濁度計對細顆粒物質較為敏感,因此海洋中的顆粒粒徑的不均勻分布總是影響測量結果的準確性;此外生物因素也往往會影響光學測量的準確性,使測量結果存在誤差。因此,海水中懸浮顆粒物濃度的精確測定方法有待進一步研究解決。

發明內容

為了彌補現有技術的不足,本發明提供了基于數字圖像處理的海洋懸浮顆粒物濃度測定裝置及方法。

本發明是通過如下技術方案實現的:一種基于數字圖像處理的海洋懸浮顆粒物濃度測定裝置,包括數據采集存儲耐壓艙、組合型設備集成框架,其特征在于,所述數據采集存儲耐壓艙的頂端通過螺栓連接有耐壓艙上密封端蓋,數據采集存儲耐壓艙的底端通過螺栓連接有耐壓艙下密封端蓋,耐壓艙下密封端蓋的下表面固定安裝組合型設備集成框架,組合型設備集成框架包括安裝圓盤,安裝圓盤的上表面與耐壓艙下密封端蓋的下表面固定安連接,安裝圓盤的邊緣處通過螺栓連接若干根連接桿,連接桿的底端固定連接有支撐圓環,安裝圓盤的下表面中心位置裝有海洋高分辨率攝像設備,其鏡頭方向垂直向下,海洋高分辨率攝像設備的外壁上裝有夾持裝置并固定裝在安裝圓盤的下表面上,安裝圓盤的下表面上還固定裝有三臺海洋攝像機輔助照明設備,海洋攝像機輔助照明設備以海洋高分辨率攝像設備為中心呈正三邊形分布并且以120°夾角安裝,海洋攝像機輔助照明設備的外壁上通過傳動軸連接有角度調節裝置。

作為優選方案,數據采集存儲耐壓艙,數據采集存儲耐壓艙的外殼為耐壓艙壁,數據采集存儲耐壓艙的內腔分為上部的供電單元和下部的數據采集存儲電路板組成,數據采集存儲電路板通過電路板集成支架組裝,數據采集存儲電路板內置單片機、固態硬盤、WiFi信號發射裝置和信號接收裝置,單片機控制連接角度調節裝置內部的電動馬達。

作為優選方案,組合型設備集成框架的材質為316 L不銹鋼材料。

作為優選方案,海洋高分辨率攝像設備內置高分辨率的CCD傳感器,其像素數為1200萬,海洋高分辨率攝像設備采用316 L不銹鋼的外殼封裝,鋁合金硬質氧化材料作為鏡頭外殼材料,鏡頭另由橡膠螺旋罩封裝保護,其直徑為51 mm,長度為180mm。

作為優選方案,攝像機輔助照明設備為LED燈,攝像機輔助照明設備采用316 L不銹鋼的外殼封裝,鋁合金硬質氧化材料作為照明燈的外殼材料,照明燈另由橡膠螺旋罩封裝保護。

一種基于數字圖像處理的海洋懸浮顆粒物濃度測定裝置的方法,具體步驟如下:

S1:對裝置拍攝的視頻進行分幀處理,接著對每一幀圖像進行處理;

S2:圖像幾何操作;對所獲視頻的每一幀圖像均需以相同的操作截取,確保處理過程的一致性;

S3:圖像灰度化;在彩色圖像RGB模型中,對于R=G=B,則其對應的灰度值等于RGB值;對于RGB不等的彩色圖像而言,需要根據國際電信聯盟(ITU)定義的ITU標準(ITU/EBU 3213standard)來計算,即:

Gray(i,j)=0.222015*R(i,j)+0.706655*G(i,j)+0.071330*B(i,j)

得到圖像灰度化結果;

S4:圖像增強;首先用最小值濾波器w1提取像素領域內的最暗點,其計算公式為:R=min{Zk|k=1,2,...,n},得到最初背景圖;繼而用均值濾波器w2對圖像進行平滑,其濾波計算公式為:

Image removed.,

得到最終背景圖;最后用原灰度圖減去最終背景圖,得到增強后的圖像;其中,w1和w2取相同值,即w=w1=w2,其大小是通過室內實驗比對選出的最佳值,窗口大小為奇數,最小從3開始;

S5:形態學算法;首先創建結構體元素,由于海洋懸浮顆粒物呈橢圓形或圓形,因此選用“disk”圓盤狀的結構體,結構體的大小需要根據反復試驗比對最終得出;然后對圖像先進行腐蝕運算,再進行膨脹運算,即完成結構體Se對原圖像f的開運算,得到背景圖像;最后進行兩幅圖像的減運算,即用原灰度圖像減去背景圖像,達到最終圖像;

S6:圖像二值化,利用閾值處理技術對圖像進行二值化,通過選取閾值T,任何滿足的點稱為對象點,其他點則稱為背景點,閾值處理后的圖像定義為:

Image removed.

式中:g(x,y)=1的像素對應于目標對象,而g(x,y)=0的像素指的是圖像背景;

S7:圖像信息提??;特征值及對應水深的濁度值利用min-max標準化方法,對原始數據進行線性變換是所有數值落在[0,1]之間,即:?Image removed.,最終處理后的歸一化特征值與歸一化濁度值分別沿水深的剖面曲線。

作為優選方案,步驟S6中閾值T采用Otus法、迭代閾值法以及區域生長法對圖像進行處理,并將處理結果進行比較分析,最終確定適用于圖像處理的最佳閾值算法。

進一步地,Otus法具體步驟為:對于圖像I(x,y),前景即目標和背景的分割閾值記作T,屬于前景的像素點個數占整幅圖像的比例記為ω0,平均灰度值記為μ0;背景像素點個數占整幅圖像的比例為ω1,平均灰度值記為μ1;圖像的總平均灰度值記為μ,類間方差記為g;假設圖像的背景較暗且其大小為M×N,圖像中像素的灰度值小于閾值T的像素個數記作N0,像素灰度大于閾值T的像素個數記作N1,則有:

ω0=N0/M×N

ω1=N1/M×N

ω0+ω1=1

μ=ω0×μ0+ω1×μ1

g=ω0(μ0-μ)2+ω1(μ1-μ)2

將上述公式進行整理,得到等價公式,即類間方差g=ω0ω1(μ0-μ1)2,通過反復循環計算,得出類方差的最大值,即得到最終用于分割圖像的閾值T。

進一步地,迭代閾值法具體步驟為:

S61:設定參數T0,并選擇一個初始的估計值T1;

S62:用閾值T1分割圖像,將圖像分成兩個部分;G1由灰度值大于T1的像素組成,G2由灰度值小于或等于T2的像素組成;

S63計算G1和G2中所有像素的平均灰度值μ1和μ2,以及新的閾值T2=(μ1+μ2)/2;

S64如果|T2-T1|<T0,則推出T2為最佳閾值;否則,將T2賦值給T1,并重復S62~S64,直到獲得最優閾值。

進一步地,區域生長法以圖像相鄰像素間的灰度差為相似性準則,即:|f(x1,y1)-f(x2,y2)|≤T式中:T為根據圖像特性設定的閾值,得到圖像二值化算法結果。

本發明由于采用了以上技術方案,與現有技術相比使其具有以下有益效果:本發明提出的提出一種基于數字圖像處理的海洋懸浮顆粒物濃度測定裝置及處理方法,將數字圖像處理技術應用于海洋懸浮顆粒物濃度的測量,該方法的測量精度僅依賴于測量裝置的拍攝精度和后續算法的改進,克服了傳統海洋懸浮顆粒物濃度測量技術的原理性缺陷,如:易受海洋懸浮顆粒物粒徑大小及海洋懸浮顆粒物粒徑分布的影響等,粒徑大小以及粒徑分布影響的缺點,同時具有直觀、連續觀測以及操作簡便等優點,因此,在海洋調查中具有廣闊的應用前景。該方法將數字圖像處理技術推廣到海洋海洋懸浮顆粒物濃度觀測領域也體現了多學科領域的交叉,具有較好的研究借鑒意義。

本發明的附加方面和優點將在下面的描述部分中變得明顯,或通過本發明的實踐了解到。

附圖說明

本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解,其中:

圖1為本發明的主視結構示意圖;

圖2為本發明的底部立體結構示意圖;

圖3為本發明的底部局部放大結構示意圖;

圖4為本發明的俯視結構示意圖;

圖5為本發明的仰視結構示意圖;

圖6為數據采集存儲耐壓艙的內部結構示意圖;

圖7為視頻圖像處理流程圖;

圖8為視頻圖像灰度化處理結果圖;

圖9為視頻圖像增強處理流程圖;

圖10為視頻圖像增強算法處理效果對比圖;

圖11為視頻圖像形態學算法處理流程圖;

圖12為視頻圖像形態學算法處理結果圖;

圖13為視頻圖像二值化算法處理結果圖;

圖14為視頻圖像歸一化特征值與歸一化濁度值對比結果圖,

其中,圖1至圖6中附圖標記與部件之間的對應關系為:

1數據采集存儲耐壓艙,1-1供電單元,1-2數據采集存儲電路板,1-3耐壓艙壁,1-4電路板集成支架,2組合型設備集成框架,3耐壓艙上密封端蓋,4耐壓艙下密封端蓋,5螺栓,6安裝圓盤,7連接桿,8支撐圓環,9海洋高分辨率攝像設備,10夾持裝置,11海洋攝像機輔助照明設備,12角度調節裝置。

具體實施方式

為了能夠更清楚地理解本發明的上述目的、特征和優點,下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行進一步的詳細描述。需要說明的是,在不沖突的情況下,本申請的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

在下面的描述中闡述了很多具體細節以便于充分理解本發明,但是,本發明還可以采用其他不同于在此描述的方式來實施,因此,本發明的保護范圍并不受下面公開的具體實施例的限制。

下面結合圖1至圖14對本發明的實施例的基于數字圖像處理的海洋懸浮顆粒物濃度測定裝置及處理方法進行具體說明。該裝置用于獲取高質量的海洋懸浮顆粒物圖像,海洋懸浮顆粒物圖像的質量對后續海洋懸浮顆粒物圖像特征值算法的建立具有極大的影響,高質量的海洋懸浮顆粒物圖像可以簡化算法步驟及處理流程,提高圖像處理速率,而當圖像質量較低時,不僅處理效率低下,而且對后續海洋懸浮顆粒物濃度數據反演的準確性也有著較大的影響。海洋懸浮顆粒物圖像的獲取質量主要受復雜的海洋拍攝環境(如光損失嚴重、光照不均勻、海洋生物活動影響等)以及海洋圖像采集裝置自身拍攝性能的影響。

如圖1至圖6所示,本發明提出了本發明是通過如下技術方案實現的:一種基于數字圖像處理的海洋懸浮顆粒物濃度測定裝置,包括數據采集存儲耐壓艙1、組合型設備集成框架2,組合型設備集成框架2的材質為316 L不銹鋼材料,可保證海洋懸浮顆粒物攝像裝置在拍攝過程中安全穩定。其中,數據采集存儲耐壓艙1的頂端通過螺栓連接有耐壓艙上密封端蓋3,數據采集存儲耐壓艙1的底端通過螺栓連接有耐壓艙下密封端蓋4,耐壓艙下密封端蓋4的下表面固定安裝組合型設備集成框架2,組合型設備集成框架2包括安裝圓盤6,安裝圓盤6的上表面與耐壓艙下密封端蓋4的下表面固定安連接,安裝圓盤6的邊緣處通過螺栓5連接若干根連接桿7,連接桿7的底端固定連接有支撐圓環8,安裝圓盤6的下表面中心位置裝有海洋高分辨率攝像設備9,其鏡頭方向垂直向下,以保證攝像機視場內沒有障礙物影響拍攝。海洋高分辨率攝像設備9的外壁上裝有夾持裝置10并固定裝在安裝圓盤6的下表面上,安裝圓盤6的下表面上還固定裝有三臺海洋攝像機輔助照明設備11,海洋攝像機輔助照明設備11以海洋高分辨率攝像設備9為中心呈正三邊形分布并且以120°夾角安裝,海洋攝像機輔助照明設備11的外壁上通過傳動軸連接有角度調節裝置12,在海洋高分辨率攝像設備9側邊以30°-60°的角度進行照射,每個海洋攝像機輔助照明設備均通過傳動軸與角度調整裝置連接,角度調整裝置可以通過控制電路單片機控制其內部的電動馬達,從而實現對測量角度的調整。

海洋高分辨率攝像設備9和海洋攝像機輔助照明設備11供電的安裝角度極大地影響著拍攝視場的光照分布,從而海洋懸浮顆粒物圖像的采集質量,最終會影響后續的海洋懸浮顆粒物濃度的反演結果,導致數據不可靠。因此,應當合理設計海洋高分辨率攝像設備9和海洋攝像機輔助照明設備11的位置和安裝角度,保證拍攝視場內具有均勻且充實的光照分布從而獲得最佳的海洋懸浮顆粒物圖像,保證反演結果的可靠性。實驗室實驗結果表面,當海洋攝像機輔助照明設備沿拍攝方向以30°至60°的傾斜角度順光照射時,獲得的圖像均勻且充實,圖像質量最為理想。將本發明的觀測裝置直接使用海洋科考船A型架進行下放測量,或者集成在其他海洋觀測平臺內部同步進行測量。該裝置不僅可以達到現場采集的海洋懸浮顆粒物圖像的最佳拍攝質量,而且整個采集裝置位于316 L材質的不銹鋼外殼框架內,可保證海洋懸浮顆粒物攝像裝置在拍攝過程中安全穩定。

數據采集存儲耐壓艙1,數據采集存儲耐壓艙1的外殼為耐壓艙壁1-3,數據采集存儲耐壓艙1的內腔分為上部的供電單元1-1和下部的數據采集存儲電路板1-2組成,上部供電單元1-1用于給下部數據采集存儲電路板-12供電,數據采集存儲電路板1-2通過電路板集成支架1-4組裝,數據采集存儲電路板1-2內置單片機、固態硬盤、WiFi信號發射裝置和信號接收裝置,下部數據采集存儲電路板可以實現數據采集、數據處理、數據存儲、供電單元控制、WiFi信號連接控制等功能。其中,數據采集和供電單元控制通過單片機來實現,數據存儲通過內置大容量固態硬盤來存儲海底攝像數據和數據處理結果,WiFi信號連接控制通過內置的WiFi信號發射裝置和信號接收裝置來實現對內部數據采集、數據處理、數據存儲、供電單元控制等功能的控制,可以滿足參數設置、數據導出、外部調試等需求,同時避免了另行外置水密接插口連接電腦的繁瑣程序。使用時只需用手機或電腦連接耐壓艙WiFi信號,即可實現外部設備與裝置之間的無線通訊。單片機控制連接角度調節裝置12內部的電動馬達,從而實現對測量角度的調整。

海洋高分辨率攝像設備9內置高分辨率的CCD傳感器,其像素數為1200萬,可實現海洋懸浮顆粒物圖像的高質量拍攝。海洋高分辨率攝像設備9采用316 L不銹鋼的外殼封裝,鋁合金硬質氧化材料作為鏡頭外殼材料,鏡頭另由橡膠螺旋罩封裝保護,其直徑為51mm,長度為180mm。海洋高分辨率攝像設備9尺寸較小易于安裝布放,并具有高耐壓性及耐腐蝕性,可在深度為2000m的海洋環境中工作使用。

攝像機輔助照明設備11為LED燈,LED燈相較于其他形式的照明燈具有壽命長、體積小、低耗電、高光效以及無閃頻等優勢。海洋攝像機輔助照明燈可改善海洋攝像機的拍攝環境,使其在光衰減嚴重的海洋環境中實現高質量海洋懸浮顆粒物視頻圖像的獲取。攝像機輔助照明設備11采用316 L不銹鋼的外殼封裝,鋁合金硬質氧化材料作為照明燈的外殼材料,照明燈另由橡膠螺旋罩封裝保護。封裝后的海洋攝像機輔助照明燈同樣具有高耐壓及耐腐蝕性,其工作水深可達2000 m。

一種基于數字圖像處理的海洋懸浮顆粒物濃度測定裝置的處理方法,如圖7所示,通過基于圖像處理技術的海洋懸浮顆粒物濃度測定裝置獲取的高分辨率海洋視頻圖像資料,可以很直觀的觀測到目標體海洋懸浮顆粒物,然而,僅靠肉眼無法定量得出懸沙的垂向分布情況,數字圖像處理技術可為采集到的水下視頻圖像的后期處理提供解決方案。本發明基于數字圖像處理技術,通過內置的數據處理電路板實現對視頻圖像的一系列處理,首先對視頻進行分幀處理,接著對每一幀圖像進行處理,包括:圖像的幾何操作,灰度化、圖像增強以及圖像二值化處理。其中圖像增強分別采用基于空域的算法以及基于形態學的算法兩種處理手段,根據處理結果選擇最優算法;圖像二值化處理分別采用Otus閾值分割法、迭代閾值法以及區域生長法三種處理手段,同樣根據處理結果比較以選擇最優。具體步驟如下:

S1:對裝置拍攝的視頻進行分幀處理,接著對每一幀圖像進行處理;

S2:圖像幾何操作;對所獲視頻的每一幀圖像均需以相同的操作截取,確保處理過程的一致性;

海洋高分辨率攝像設備兩側的海洋攝像機輔助照明設備為攝像機的拍攝視場提供充足、均勻的柔光,然而在整個漆黑的深海環境中,拍攝得到的圖像兩邊基本處于漆黑狀態,因此需要對圖像進行幾何操作,框選出待處理的區域用以后續處理。

S3:圖像灰度化;在彩色圖像RGB模型中,對于R=G=B,則其對應的灰度值等于RGB值;對于RGB不等的彩色圖像而言,需要根據國際電信聯盟(ITU)定義的ITU標準(ITU/EBU3213 standard)來計算,即:

Gray(i,j)=0.222015*R(i,j)+0.706655*G(i,j)+0.071330*B(i,j)

得到圖像灰度化結果,如圖8所示;

圖像灰度化指的是把彩色圖像轉換為灰度圖像,在彩色圖像中每個像素的顏色由R、G、B三個分量組成,每個分量都有255種灰度值可以取,而灰度圖像則是三個分量灰度值相同的一種特殊圖像,灰度圖像依然可以反應圖像整體和局部的亮度以及色度特性。在數字圖像處理過程中,將彩色圖像轉換為灰度圖像,會減少圖像的復雜度、信息處理量以及后續圖像處理的計算量。

S4:圖像增強;如圖9所示,首先用最小值濾波器w1提取像素領域內的最暗點,其計算公式為:R=min{Zk|k=1,2,...,n},得到最初背景圖;繼而用均值濾波器w2對圖像進行平滑,其濾波計算公式為:?Image removed.,得到最終背景圖;最后用原灰度圖減去最終背景圖,得到增強后的圖像;其中,w1和w2取相同值,即w=w1=w2,其大小是通過室內實驗比對選出的最佳值,窗口大小為奇數,最小從3開始;得到圖像增強結果,其中(a)為原灰度圖;(b)為w=3;(c)為w=5;(d)為w= 7,如圖10所示。

圖像增強是指選擇性的突出圖像中需要突出的“有用”信息、衰減不需要或干擾信息,以增強目標體特征與背景之間的差別,便于后續目標體特征提取等操作,在此操作過程中,不考慮圖像質量的下降。該技術依據不同的處理空間,可分為基于空域或頻率兩大類算法。其中,空域法是指直接對圖像操作;而頻域法則是在圖像的某個變換域內操作。除此之外,基于圖像的形態學算法亦可實現圖像增強的目的。本方法采用基于空域的算法以及灰度圖像形態學算法實現圖像的增強。

經過預處理后的灰度圖像,由于目標體特征并不突出,如果直接對其進行特征提取操作,達不到預期的效果,因此需要進行圖像增強。通過觀察該灰度圖像,發現目標體(海洋懸浮顆粒物)相對于背景(海洋水體)而言具有較強的灰度級。最小值濾波器的作用原理為尋找待處理像素鄰域內的最小值,并將該值賦予為待處理像素點的亮度值,從而找到鄰域區域里的最暗點,其計算公式為:R=min{Zk|k=1,2,...,n};均值濾波器的作用原理為求得鄰域內各個像素的平均值,并將其賦予為中心點的亮度值,其模板矩陣系數均為1,對于(2k+1)*(2k+1)的窗口模板,其濾波計算公式為:?Image removed.,主要用途用于對圖像進行平滑處理,均值濾波的平滑效果與濾波半徑成正相關,濾波半徑越大,平滑效果越好,圖像越模糊。

S5:形態學算法;如圖11所示,首先創建結構體元素,由于海洋懸浮顆粒物呈橢圓形或圓形,因此選用“disk”圓盤狀的結構體,結構體的大小需要根據反復試驗比對最終得出;然后對圖像先進行腐蝕運算,再進行膨脹運算,即完成結構體Se對原圖像f的開運算,得到背景圖像;最后進行兩幅圖像的減運算,即用原灰度圖像減去背景圖像,達到最終圖像;

數學形態學是使用某一結構元素,當該結構在圖像中不斷移動時,獲得圖像整體與部分之間的關系,以此得到圖像的特性結構?;镜男螒B學算法有膨脹和腐蝕,開運算和閉運算,根據這些算法可實現圖像增強的目的?;谛螒B學算法原理,本方法根據原灰度圖像中目標體海洋懸浮顆粒物的特征,得到形態學算法結果,如圖12所示。

S6:圖像二值化,利用閾值處理技術對圖像進行二值化,通過選取閾值T,任何滿足的點稱為對象點,其他點則稱為背景點,閾值處理后的圖像定義為:

Image removed.

式中:g(x,y)=1的像素對應于目標對象,而g(x,y)=0的像素指的是圖像背景,得到圖像二值化算法結果,如圖13所示;

圖像經過前面的一系列處理,圖像中的顆粒已經突出增強,然而,要對圖像中所需目標進行后續分析,還需進行圖像二值化處理,也就是對圖像進行分割處理,即將一副圖像劃分為目標以及背景兩部分?;叶葓D像的分割算法通常而言基于圖像亮度的不連續性或相似性,其中不連續特性的處理方法是通過圖像亮度的突變來分割一副圖像,如根據邊緣檢測分割;而相似性則是依據事先定義的準則將圖像分割成相似的區域。本發明選用第二種方式,利用閾值處理技術對圖像進行二值化。

閾值T采用Otus法、迭代閾值法以及區域生長法對圖像進行處理,并將處理結果進行比較分析,最終確定適用于圖像處理的最佳閾值算法。

Otus法又稱為最大類間方差法,基于圖像的灰度直方圖,找到最大化類間方差g所對應的閾值。具體步驟為:對于圖像I(x,y),前景即目標和背景的分割閾值記作T,屬于前景的像素點個數占整幅圖像的比例記為ω0,平均灰度值記為μ0;背景像素點個數占整幅圖像的比例為ω1,平均灰度值記為μ1;圖像的總平均灰度值記為μ,類間方差記為g;假設圖像的背景較暗且其大小為M×N,圖像中像素的灰度值小于閾值T的像素個數記作N0,像素灰度大于閾值T的像素個數記作N1,則有:

ω0=N0/M×N

ω1=N1/M×N

ω0+ω1=1

μ=ω0×μ0+ω1×μ1

g=ω0(μ0-μ)2+ω1(μ1-μ)2

將上述公式進行整理,得到等價公式,即類間方差g=ω0ω1(μ0-μ1)2,通過反復循環計算,得出類方差的最大值,即得到最終用于分割圖像的閾值T。

迭代閾值法是通過迭代的方法求出分割的最佳閾值,迭代閾值法具體步驟為:

S61:設定參數T0,并選擇一個初始的估計值T1;

S62:用閾值T1分割圖像,將圖像分成兩個部分;G1由灰度值大于T1的像素組成,G2由灰度值小于或等于T2的像素組成;

S63計算G1和G2中所有像素的平均灰度值μ1和μ2,以及新的閾值T2=(μ1+μ2)/2;

S64如果|T2-T1|<T0,則推出T2為最佳閾值;否則,將T2賦值給T1,并重復S62~S64,直到獲得最優閾值。

區域生長是指根據事先定義的準則將像素或者子區域聚合成更大區域的過程。本發明根據待處理圖像的特性,基于區域灰度差的準則,從而實現區域生長。區域生長法以圖像相鄰像素間的灰度差為相似性準則,即:|f(x1,y1)- f(x2,y2)|≤T式中:T為根據圖像特性設定的閾值,得到圖像二值化算法結果。

S7:圖像信息提??;經過處理后的圖像是二值圖像,其中目標體是所有灰度值為1的像素點,通過對其分析處理,計算圖像中所有像素點為1的個數,即可得到目標體懸浮顆粒物在水體中所占的比例,從而實現圖像顆粒面積要素的提取。

圖像處理法計算得到的特征值與濁度計獲取的濁度值并不可直接反應水體中懸浮顆粒物濃度,且二者具有不同的量綱級別,它們沿水深的剖面曲線不可直接進行比較,因此,本發明對特征值及對應水深的濁度值利用min-max標準化方法,對原始數據進行線性變換是所有數值落在[0,1]之間,即:?Image removed.,最終處理后的歸一化特征值與歸一化濁度值分別沿水深的剖面曲線。

在本發明的描述中,術語“多個”則指兩個或兩個以上,除非另有明確的限定,術語“上”、“下”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系,僅是為了便于描述本發明和簡化描述,而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作,因此不能理解為對本發明的限制;術語“連接”、“安裝”、“固定”等均應做廣義理解,例如,“連接”可以是固定連接,也可以是可拆卸連接,或一體地連接;可以是直接相連,也可以通過中間媒介間接相連。對于本領域的普通技術人員而言,可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

在本說明書的描述中,術語“一個實施例”、“一些實施例”、“具體實施例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中,對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或實例。而且,描述的具體特征、結構、材料或特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。

以上僅為本發明的優選實施例而已,并不用于限制本發明,對于本領域的技術人員來說,本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內,所作的任何修改、等同替換、改進等,均應包含在本發明的保護范圍之內。

冯仰妍破处门