基于圖像處理的環(huán)境廢水流量色度和懸浮物檢測系統(tǒng)樣本

基于圖像解決環(huán)境廢水流量、色度和懸浮物檢測系統(tǒng)浙江工商大學摘要：當前廢水解決系統(tǒng)是由解決單元、管線、機械設(shè)備和土木構(gòu)造等構(gòu)成，在各解決單元互相配合下，使解決后流放水可以達到“符合法規(guī)排放原則”，并保護承受水體和環(huán)境。其解決程序由不同物理、化學、生物等解決單元構(gòu)成，其設(shè)備程序和普通工業(yè)生產(chǎn)流程同樣很復(fù)雜。因而，為了達到提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高解決效率以及減少操作成本，某些或全面自動監(jiān)控已是一種不可逆轉(zhuǎn)發(fā)展趨勢[1,2]。然而既有監(jiān)測設(shè)備大多采用接觸式量測原理，安頓在較為惡劣環(huán)境下，使監(jiān)測儀器受到廢水污染與干擾，容易產(chǎn)生設(shè)備維護與監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制問題。運用光學圖像監(jiān)測技術(shù)可排除老式接觸式傳感器流體特性干擾，減少溫度、濕度等環(huán)境因素干擾。因而，開發(fā)新非接觸式光學圖像監(jiān)測設(shè)備有其必要性，具備技術(shù)先進性和現(xiàn)實社會效益[3]。從另一種方面說，污水解決程序進流水流量隨時間不斷變化，而以往所采用穩(wěn)態(tài)操作模式，無法掌握系統(tǒng)動態(tài)進流和反映動態(tài)變化，而導(dǎo)致資源揮霍與操作成本提高[4]。因此在各項監(jiān)測項目中，實時掌握流量、廢水顏色具備核心性，如何應(yīng)對進流流量變動，以滿足自動控制方略與操作最佳化方略需求，或是進行計算而產(chǎn)生信號來驅(qū)動設(shè)備進行系統(tǒng)程序控制，這些是反映系統(tǒng)程序解決效率高低。本設(shè)計廢水監(jiān)測系統(tǒng)將上述以往監(jiān)測系統(tǒng)缺陷和局限性考慮在內(nèi)，運用數(shù)字圖像解決與分析辦法[5,6]，通過攝像頭和圖像采集卡以非接觸方式對廢水圖像進行拍攝和采集后傳播到計算機解決。經(jīng)解決后可直觀地在系統(tǒng)工作界面上得到關(guān)于廢水顏色實時監(jiān)測信息；懸浮物數(shù)量、最大面積、總面積和比例有關(guān)信息；設(shè)定期間內(nèi)懸浮物變化趨勢信息；廢水流量信息。核心字：數(shù)字圖像解決；實時監(jiān)測；流量監(jiān)測；懸浮物監(jiān)測目錄課題研究背景和意義……..4課題成品……………………5系統(tǒng)工作環(huán)境………………7系統(tǒng)功能簡介………………9系統(tǒng)工作原理實時監(jiān)測……………………15懸浮物監(jiān)測…………………16定期監(jiān)測……………………18流速監(jiān)測……………………19系統(tǒng)改進和完善…………….21總結(jié)與展望…………………….22文獻參照………23一、課題研究背景和意義如今諸多廢水解決系統(tǒng)其設(shè)備、程序和普通工業(yè)生產(chǎn)流程同樣都太復(fù)雜，解決效率不高且操作成品偏高。同步，諸多廢水監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備大多采用接觸式測量原理，且安裝在惡劣環(huán)境下，這樣很容易使監(jiān)測器受到污水干擾和影響，從而產(chǎn)生出某些列關(guān)于設(shè)備維護和監(jiān)測數(shù)據(jù)浮現(xiàn)較大誤差問題。且以往廢水解決系統(tǒng)大多采用穩(wěn)態(tài)操作模式，而污水解決程序進流水流量隨時間不斷變化因而，往往無法掌握系統(tǒng)動態(tài)進流和反映動態(tài)變化，而導(dǎo)致資源揮霍與操作成本提高。因而，在考慮這些因素狀況下，本文廢水監(jiān)測系統(tǒng)采用計算機自動控制原理，通過攝像頭和圖像采集卡以非接觸式測量方式拍攝和采集圖像，并通過數(shù)字圖像解決后直觀地在系統(tǒng)界面上顯示所需監(jiān)測有關(guān)信息。本文廢水監(jiān)測系統(tǒng)較以往某些監(jiān)測系統(tǒng)具備如下優(yōu)越性和獨特性：1）光學圖像監(jiān)測技術(shù)非接觸與非破壞特性，解決老式接觸式傳感器流體特性干擾問題。非接觸式數(shù)字圖像法[7,8,9]可精準量測水位、色度等變化，排除接觸式量測問題，提高量測精確度。2）由圖像分析自由水面顏色值，可得知水中真色色度值變化情形。運用光學監(jiān)測技術(shù)可現(xiàn)場實時監(jiān)測水量水質(zhì)狀況，完全避免樣品在采集與傳播過程中也許引入誤差因子，可有效滿足廢水解決系統(tǒng)或其他類似系統(tǒng)實時檢測需求。3）懸浮物圖像提取辨認，變化人工及老式辦法取樣分析，實當前線實時、持續(xù)監(jiān)測，從而提供自動控制去除懸浮固體根據(jù)。二、課題成品本文廢水監(jiān)測系統(tǒng)旨在監(jiān)測廢水管排放廢水流量、色度和懸浮物。限于實驗室條件，本系統(tǒng)在實驗室模仿環(huán)境由小型水缸、攝像頭、圖像采集卡和計算機構(gòu)成。如圖1和圖2即為系統(tǒng)實物圖。圖1、系統(tǒng)實物圖圖2、系統(tǒng)實物圖由兩幅圖像中可見小型水缸，攝像頭，圖像采集卡，計算機。其中，小型水缸起到作用是模仿廢水排放管；攝像頭作用是實時拍攝廢水圖像；圖像采集卡作用是將攝像頭拍攝圖像從模仿圖像轉(zhuǎn)換到數(shù)字圖像并傳播到計算機儲存；計算機作用是對廢水圖像進行解決、辨認、檢測并將成果顯示。如圖3所示為系統(tǒng)工作流程圖。圖3、系統(tǒng)工作流程圖如下圖4所示是系統(tǒng)工作主界面。圖4、系統(tǒng)工作主界面由系統(tǒng)主界面圖可以直觀地看到本系統(tǒng)具備功能為：廢水實時監(jiān)測，廢水定期監(jiān)測，廢水懸浮物監(jiān)測和廢水流量監(jiān)測。如下圖5所示是系統(tǒng)處在工作狀態(tài)時主界面圖。圖5、工作狀態(tài)時主界面圖三、系統(tǒng)工作環(huán)境系統(tǒng)由1）小型水缸，2）攝像頭，3）圖像采集卡，4）計算機構(gòu)成。1）小型水缸規(guī)格：*38cm(長)×22cm(寬)×26cm(高)。2）攝像頭規(guī)格：*參數(shù)/型號：DS-2CC172P/172N(-A)(-K)；*傳感器類型：1/3“SONYSuperHADCCD；*信號系統(tǒng)：PAL/NTSC；*有效像素：PAL:752（水平）×582（垂直），NTSC:768（水平）×494（垂直）；*最小照度：0.1Lux@F1.2；*快門：1/50（1/60）秒至1/100,000秒；*自動光圈鏡頭：DC/Video；*鏡頭類型：C/CSmount；*水平解析度：540TVL；*同步方式：內(nèi)同步；*視頻輸出：1Vp-pCompositeOutput（75歐姆/BNC）；*信噪比：不不大于48dB；*背光補償：ON/OFF；*工作溫度：prefix=st1ns="urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags”-10°*電源：DC12V±10%（“-A”表達支持DC12V/AC24V）；*功耗：2WMAX；*尺寸(mm)：63×59×114；*重量：550g；3）圖像采集卡規(guī)格和有關(guān)信息：*USB2.0接口，支持熱插拔，無需拆機箱；

*支持內(nèi)置USB2.0接口筆記本電腦；

*FULLDL高辨別率，PAL：352X288、640X480、720X576或全屏清晰高像素顯示；

*可捕獲高品質(zhì)動態(tài)及靜態(tài)畫面；

*兼容Win/XP/VISTA；

*一路AV及一路S端子視頻輸入，一路USB輸出；

*尺寸：103mmx60mmx19mm；該圖像采集卡還具備如下特性：1）高技術(shù)規(guī)格，高清晰畫面；2）系統(tǒng)資源占用率低；3）高清晰影響采集。4）計算機環(huán)境：本文廢水檢測系統(tǒng)工作在WindowsXPSP3操作系統(tǒng)下VC6.0++環(huán)境下[10,11，12,13,14]，通過調(diào)用OpenCv[15,16,17]和DirectShow庫函數(shù)進行編程實現(xiàn)功能。四、系統(tǒng)功能簡介本文廢水監(jiān)測系統(tǒng)共具備四項基本功能，從上文中系統(tǒng)初始界面中可以直觀地看出。它們分別是：（1）實時監(jiān)測；（2）懸浮物監(jiān)測；（3）定期監(jiān)測；（4）流速監(jiān)測。下面將對各功能做詳細詳細地簡介。（1）實時監(jiān)測：該功能重要是對廢水從顏色上進行實時地監(jiān)測。在系統(tǒng)主界面上點擊“實時監(jiān)測”按鍵即可看到如圖6所示“實時監(jiān)測”界面。圖6、“實時監(jiān)測”界面在該界面上，咱們可以看到“開始”、“暫?！?、“停止”、“截圖”和“返回”五個按鍵。五個按鍵功能都與它們命名相相應(yīng)。按下“開始”鍵，系統(tǒng)便開始實時監(jiān)測，可得到如圖7所示工作界面。圖7、“實時監(jiān)測”工作界面在該工作界面中，咱們可以看到“色調(diào)直方圖”，“H通道圖像”和“直方圖精細度”?！吧{(diào)直方圖”顯示是圖像整體色調(diào)分布，其中橫坐標代表是HSV色彩空間中H值（色調(diào)）從0到360度分布，縱坐標代表是0到255不同色彩級別。從該圖中可以直觀地觀測出廢水整體色調(diào)趨向，便于以便監(jiān)測廢水成分。“H通道圖像”顯示是廢水圖像在HSV色彩空間下H通道成像圖。“直方圖精細度”可用于調(diào)節(jié)色調(diào)直方圖精細化限度，便于H值更細化觀測。（2）懸浮物監(jiān)測該功能是對廢水中懸浮物及其數(shù)量、面積等參數(shù)進行實時地監(jiān)測。在系統(tǒng)主界面上點擊“懸浮物監(jiān)測”按鍵，即可得到如圖8所示“懸浮物監(jiān)測”界面。圖8、“懸浮物監(jiān)測”界面在該“懸浮物監(jiān)測”界面上，可以點擊“開始”按鍵使系統(tǒng)對懸浮物進行實時地監(jiān)測，得到如圖9所示工作界面。圖9、“懸浮物監(jiān)測”工作界面從該工作界面中，咱們可以直觀地得到關(guān)于懸浮物有關(guān)信息，如：懸浮物數(shù)量，最大懸浮物面積，懸浮物總面積和懸浮物比例。界面中圖像是原廢水圖像通過二值化、邊沿監(jiān)測等解決后灰度圖。其中，“辨別率”一欄可對二值化閾值從1到200進行人為地調(diào)節(jié)，體當前左邊灰度圖上即懸浮物數(shù)量會隨著辨別率提高而增多。這樣可以減小在對實際狀況和詳細規(guī)定下監(jiān)測懸浮物誤差。（3）定期監(jiān)測該功能是對懸浮物數(shù)量進行定期監(jiān)測，以便于觀測所設(shè)定期間內(nèi)懸浮物數(shù)量走勢。在系統(tǒng)主界面上點擊“定期監(jiān)測”按鍵即可得到如圖10所示“定期監(jiān)測”界面。圖10、“定期監(jiān)測”界面在該界面中，咱們可以通過對“定期”欄中“時”、“分”、“秒”按需要進行設(shè)定。然后，點擊“開始”按鍵使系統(tǒng)對懸浮物進行定期監(jiān)測，可得到如圖11所示“定期監(jiān)測”工作界面。圖11、“定期監(jiān)測”工作界面在該工作界面中，位于左邊動態(tài)折線圖是懸浮物數(shù)量走勢圖。在圖中，橫軸代表時間走勢，縱軸代表懸浮物數(shù)量走勢。較懸浮物實時監(jiān)測，從定期監(jiān)測圖中，咱們可以得到懸浮物數(shù)量變化趨勢，以便于對廢水進行及時地解決。其中“辨別率”一欄起到效果等同于“實時監(jiān)測”中。（4）流速監(jiān)測該功能重要作用是對廢水流量進行實時地檢測。在系統(tǒng)主界面上點擊“流速監(jiān)測”按鍵即可得到如圖12所示“流速監(jiān)測”界面。圖12、“流速監(jiān)測”界面在該界面上，可以看到參數(shù)設(shè)立窗口和流量圖顯示窗口。按照實際狀況對參數(shù)進行設(shè)立，點擊“開始”按鍵，便可得到如圖13所示工作界面。圖13、“流速監(jiān)測”工作界面在該工作界面中，咱們可以直觀地得到廢水流量值和流量變化圖。五、系統(tǒng)工作原理（一）實時監(jiān)測經(jīng)圖像采集卡采集傳播到計算機圖像是RGB色彩空間。但是，RGB雖然適合機器采樣，卻不適合人直觀感覺。人們往往在表達顏色時會說這個顏色是有點濃暗紅色，而不會說R（紅）占了多少，G（綠）占了多少，B（藍）占了多少。因而，咱們將圖像采集卡采集RGB圖轉(zhuǎn)換到便于人們感覺HSV色彩空間下圖像以便于觀測。HSV色彩空間中H代表色相即顏色，取值范疇是0°到360°，代表不同顏色。S代表飽和度，表達所選顏色純度和該顏色最大純度之間比率，取值范疇是0到1，當S=0時，表達只有灰度。V代表亮度，即色彩明亮限度，取值范疇是0到1[18,19,20]。左圖所示是實時監(jiān)測功能工作流程圖。在這里咱們通過調(diào)用OpenCv函數(shù)庫中voidcvThreshold函數(shù)將RGB圖像轉(zhuǎn)換為HSV圖像，其算法顯示如下：max=max(R,G,B)min=min(R,G,B)ifR=max，H=(G-B)/(max-min)ifG=max，H=2+(B-R)/(max-min)ifB=max，H=4+(R-G)/(max-min)H=H*60ifH<0，H=H+360V=max(R,G,B)S=(max-min)/max在本文系統(tǒng)實時監(jiān)測功能中，將HSV圖像H通道值進行了提取，并以直方圖形式顯示在工作界面中，便于直觀地從廢水顏色觀色其受污染限度。（二）懸浮物監(jiān)測在對懸浮物進行監(jiān)測這個功能中，為達到預(yù)期效果，咱們對采集到原始廢水圖像做了如下三個操作：1）RGB圖轉(zhuǎn)換為灰度圖；2）灰度圖去背景；3）灰度圖二值化解決；4）計算懸浮物數(shù)量、面積、比例。左圖是懸浮物監(jiān)測功能工作流程圖。1）RGB圖轉(zhuǎn)換為灰度圖：在對懸浮物進行監(jiān)測時，咱們需要監(jiān)測數(shù)據(jù)是懸浮物數(shù)量、面積和比例。監(jiān)測這些參數(shù)，咱們需要依照懸浮物灰度值與水面環(huán)境灰度值之間落差進行邊沿檢測。因而，需要將經(jīng)圖像采集卡采集出來RGB彩色圖像先轉(zhuǎn)換成灰度圖。在這里咱們通過調(diào)用OpenCv函數(shù)庫中voidcvCvtColor函數(shù)進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換公式為：Y=0.299R+0.587G+0.114B；式中，Y為圖像像素灰度值。如下圖14所示是將RBG圖轉(zhuǎn)換到灰度圖效果圖。圖14、RBG圖轉(zhuǎn)換到灰度圖效果圖2）灰度圖去背景：經(jīng)轉(zhuǎn)換后廢水圖像已是灰度圖，為便于之后對懸浮物檢測，接著調(diào)用OpenCv函數(shù)庫中voidcvErode，voidcvDilate，voidcvSub這三個函數(shù)通過數(shù)學形態(tài)學等算法將灰度圖進行去背景操作。在灰度圖像中，懸浮物為目的，水面為背景，通過函數(shù)，即將作為背景水面灰度值去掉，置為0。3）灰度圖二值化解決[21,22,23]：通過灰度圖去背景操作后，圖像中背景灰度值已全置為0，而作為目的懸浮物灰度值仍是經(jīng)RGB轉(zhuǎn)換后值。因而，為便于之后對懸浮物進行數(shù)量和面積上記錄，在這里調(diào)用OpenCv函數(shù)庫中Voidthreshold函數(shù)進行二值化解決，得到背景灰度值為0，目的灰度值為1二值灰度圖。4）計算懸浮物數(shù)量、面積、比例：經(jīng)二值化解決后廢水圖像，圖像中像素灰度值只有0和1，即懸浮物灰度值為1，水面背景灰度值為0。再通過調(diào)用OpenCv函數(shù)庫中intcvFindContours函數(shù)對懸浮物進行檢測，計算出其數(shù)量、最大面積、總面積和比例，并在工作界面上顯示。（三）定期監(jiān)測定期監(jiān)測功能是在懸浮物監(jiān)測功能基本上對時間進行時、分、秒設(shè)立，并將指定期間內(nèi)檢測到懸浮物數(shù)量以動態(tài)折線圖形式體現(xiàn)出來。（四）流速監(jiān)測流速監(jiān)測功能重要是實時監(jiān)測廢水管放排廢水流量。在本文系統(tǒng)中，咱們借鑒量水堰測定水流量辦法，在實驗室進行模仿實驗。量水堰為使用于明槽中流量測定元件，是一種平直隔壁，其上邊沿均有一特殊形狀缺口，涉及矩形、梯形、型等。它放置于敞開流體流注中，當流量增長時，將迫使流體溢過缺口，從而來監(jiān)測流量。在實驗室，咱們模仿型量水堰來進行對廢水流量監(jiān)測，由于型缺口堰水理公式已經(jīng)變得原則化。并運用ISO、ASTM、USBR等組織單位及國內(nèi)水利署都建議使用Kindsvater-Shen公式計算水流量。公式如下所示：式中：：流量；：流量系數(shù)；：型槽缺口角度；：溢出液位高于型槽底端高度；：修正系數(shù)；：重力加速度；下圖15是計算流量原理圖，也可形象地解說公式中某些變量。圖15、計算流量原理圖用Kindsvater-Shen公式計算水流量應(yīng)符合如下某些條件：*型明槽缺口角度應(yīng)介于20°到100°之間；*測量點應(yīng)當在堰板上游距離至少4倍位置處；*高度范疇應(yīng)滿足；*時，應(yīng)不不不大于0.35，；在實驗室模仿環(huán)境下，咱們采用選用一塊型板夾在水缸中間，通過向一邊注水讓水溢過型板來模仿監(jiān)測廢水流量。因而，可以說相應(yīng)某一特定廢水監(jiān)測儀器，型槽缺口角度是擬定。當時，和值可在下圖16中由與有關(guān)曲線內(nèi)插求得。圖16、和與有關(guān)曲線因而，只需通過計算機檢測出值，便可運用Kindsvater-Shen公式計算出廢水流量。在求值時，采用了相似如下操作：1）RGB轉(zhuǎn)換為灰度圖；2）灰度圖二值化解決；3）圖像邊沿檢測；4）檢測水位落差。六、系統(tǒng)改進與完善（1）光源改進：在實驗?zāi)７逻^程中，攝像頭拍攝廢水圖像直接在自然光下進行。由于在自然光下照射下，諸多物體影子會直接影響到攝像頭拍攝到圖片質(zhì)量。因而，咱們考慮到在攝像頭前加偏正片起到濾除反射光線目。并且通過實驗，獲得了不錯效果。（2）流量監(jiān)測角度影響：在流量監(jiān)測過程中，由于攝像頭對廢水拍攝并不是筆直，而是傾斜，存在一定角度。這樣會導(dǎo)致從圖像上得到關(guān)于型明槽溢出水位值和實際中值存在一定誤差，從而導(dǎo)致測得水流量值不精準。改進辦法是卻在計算機對圖像解決過程中將傾斜角度考慮進去，采用有效辦法對傾斜導(dǎo)致誤差進行校正。這個工作有待于在日后繼續(xù)研究中對系統(tǒng)進行改進和完善。（3）Kindsvater-Shen公式中值：重力加速度在不同地方是不同，在測量時需依照實際狀況人為地設(shè)定，否則將會對監(jiān)測成果導(dǎo)致較大誤差。七、總結(jié)與展望本文廢水監(jiān)測系統(tǒng)通過計算機自動控制，采用非接觸式測量原理，運用了數(shù)字圖像解決辦法對廢水顏色進行實時監(jiān)測；對廢水中懸浮物進行辨認檢測，以各種直方圖、動態(tài)曲線圖等直觀方式反映懸浮物數(shù)量、最大面積、總面積和比例等有關(guān)信息；對廢水流量采用Kindsvater-Shen公式進行測量[24,25,26]。本文廢水檢測系統(tǒng)較以往廢水監(jiān)測系統(tǒng)文獻參照【1】邱立萍.水質(zhì)監(jiān)測分析系統(tǒng)問題[J].交通環(huán)保，1999,(03)

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