[发明专利]一种基于计算机视觉的流速测定方法

权利要求书

1.一种基于计算机视觉的流速测定方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在待测速河道上选取测流断面，并固定架设摄像机进行视频图像获取，调节摄像机角度，使选取的测速断面完全进入摄像机视野范围内；

S2、在摄像机视野范围内的水面上设置标定板，对摄像机的像素坐标与水流平面的物理坐标进行标定，并固定摄像机的摄像角度和焦距；

S3、通过摄像机获取测流断面的图像，根据连续2帧图像上的关键点变化，计算关键点基于像素坐标的位移向量，通过所述步骤S2中像素坐标与物理坐标的标定关系转换得到该关键点基于物理坐标的位移向量，结合摄像机的帧率，计算该关键点的流速；

所述步骤S2中，摄像机的像素坐标与水流平面的物理坐标的标定关系如下：

q₂∝Hq₁

其中，q₁为摄像机的像素坐标，q₂为q₁所对应点在水流平面的物理坐标，H为q₁和q₂的对应关系矩阵；

所述步骤S3中，对于任一关键点I(x,y,t)，在间隔时间dt后的下一帧中移动距离为(dx,dy)，且像素相同，可得到：

I(x,y,t)＝I(x+dx,y+dy,t+dt)

对上式右侧做泰勒级数近似，除以dt，可得到：

f_xu+f_yv+f_t＝0

其中，

在关键点的周围选取相邻像素点，获得至少3x3的窗口数据，且各像素点均满足f_xu+f_yv+f_t＝0，使用最小二乘法求取最优解得到：

其中，(u,v)为该关键点基于像素坐标的位移向量，下标i代表各像素点；

将关键点基于像素坐标的位移向量转换为水流平面的物理坐标的位移向量：关键点在上一帧的像素坐标为(x1,y1)，下一帧的像素坐标(x2,y2)，根据标定关系q₂∝Hq₁，该关键点在物理坐标分别为(x1′,y1′)和(x2′,y2′)时计算得到该关键点基于物理坐标的位移向量为：

S＝(u′,v′)

其中，u′＝x2′-x1′，v′＝y2′-y1′；

获取图像中所有关键点基于物理坐标的位移向量，拟合水流的流速方向向量L，将各关键点基于物理坐标的位移向量投影到流速方向向量L上，得到该关键点在流速方向上的位移D：

D＝S·L/|L|

其中，S·L为向量点乘，|L|为向量模长；

将位移D乘以摄像机的帧率即可得到该关键点的流速。

2.如权利要求1所述的基于计算机视觉的流速测定方法，其特征在于，采用如下步骤确定对应关系矩阵H：

将标定关系采用齐次坐标展开表示为：

其中，u₁、v₁和u₂、v₂分别表示像素坐标和物理坐标；

进行归一化处理，令H₃₃＝1，得到：

对于标定板上的任一匹配点的坐标可得如下方程：

选取标定板上至少四个匹配点的坐标组成方程组，采用RANSAC算法或者最小二乘法得到关系矩阵H的最优解。

3.如权利要求1所述的基于计算机视觉的流速测定方法，其特征在于，所述步骤S3中，在摄像机获取的测流断面图像中，沿河道的宽度方向划分出呈长条状的测流区，并在所述测流区内获取关键点。

4.如权利要求3所述的基于计算机视觉的流速测定方法，其特征在于，在所述测流区内，沿河道的宽度方向上，相邻的两个所述关键点之间的间距小于间距设定值。

5.如权利要求4所述的基于计算机视觉的流速测定方法，其特征在于，将所述测流区沿长度方向等距分割成多个测流子区，所述测流子区的宽度小于所述间距设定值，并在每个所述测流子区获取至少一个关键点。