Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.
可攜式水流表面流速影像偵測裝置之研發
楊耀畬1
、林聖峰2
、溫明璋3
、張文鎰4
、康仕仲5
摘要
在極端氣候環境中,洪災漸成為威脅生命財產安全的主要災難之一。為了有
效防範與預測洪水來臨時,對環境與人造成的影響,良好的河川水位、流速與流
量...
用傳統定位參考點,經過水槽與模擬影像的驗證。最後,在行動手機照相計算與通訊
技術方面,由於開發手機的攝影與計算功能時需要考慮維持手機的功能性,我們透過 Java
Native Interface(JNI),將在 C++開發環境開發的程式植入手機...
一、前言
1.1、洪災流量量測之必要性
洪災在極端氣候中,為主要影響人類生命
財產安全的災難之一,有效的河川水位、流速
與流量的觀測,對研判水情與水利工程規畫上
相當重要(李戎威,2007),一般而言,目前是使
用水位與流量關係推估河川流量(經...
公式一
公式三
2.2、雷射光點投影分析
2.2.1、雷射光平行輸出
雷射光平行輸出機構,設計的目的為:校
正一次即可多次使用,之後只需要在一定使用
週期後,測試平行程度並微調即可;為此,雷
射模組在本研究中以機械方式調整,以四個方
向的螺絲固...
若要由已知影像位置 u、v 得知影像位置 x、y,
則將 L1 到 L8 係數代回原公式求 x、y,
公式五
將公式四簡化為 ,以 將係數
求出,影像各點位置就能以公式五轉換為實際
位置。
2.3、流速影像辨識演算法
本裝置使用傳統 PIV 演...
圖 2、不同距離雷射點投影座標圖
圖 3、距五公尺雷射光點偏移量
我們發現利用螺絲與懸臂梁校正雷射光
平行的機制,假設攝影機與投影牆面平行,且
畫面扭曲現象很小可忽略的話,在畫面上 X、Y
方向最大偏移像素算法為公式五:
公式五
由此方式計算,...
圖 4、單純環境雷射光點搜尋結果
圖 5、垂向水面環境雷射光點搜尋結果
圖 6、側向水面環境雷射光點搜尋結果
3.3、流場方向驗證
質點影像流速法與一般水流量測法不同
在於能夠顯示水流表面速度與小區塊的方向,
流場為影像上一個偵測大區域內所計算...
錯誤也可能為手機擷取螢幕畫面產生多餘的特
徵所導致,但使用手機程式偵測水流流場,大
致上是能表現且偵測出來。此測試證實了演算
法能夠正確的呈現流場的各區域流速與方向的
相對關係,並能讓使用者看出整體流況趨勢。
圖 7、利用螢幕測試手機運算流場效...
正方式改為萬向輪軸校正,使雷射平行精度提
升,並以延時計算的方式解決手機影像取樣頻
率低的問題,再以計算實驗水流與實際河流流
速做測試,以完整研究與開發此裝置。
五、誌謝
本研究承蒙行政院國家科學委員會計
畫補助(NSC 101-2625-M-...
Upcoming SlideShare
Loading in …5
×

2013水利工程研討會論文-可攜式水流表面流速影像偵測裝置之研發 V7

450 views

Published on

  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

2013水利工程研討會論文-可攜式水流表面流速影像偵測裝置之研發 V7

  1. 1. 可攜式水流表面流速影像偵測裝置之研發 楊耀畬1 、林聖峰2 、溫明璋3 、張文鎰4 、康仕仲5 摘要 在極端氣候環境中,洪災漸成為威脅生命財產安全的主要災難之一。為了有 效防範與預測洪水來臨時,對環境與人造成的影響,良好的河川水位、流速與流 量的觀測相當重要,然而目前一般使用水位與流量關係來推估河川流量,但在大 流量時,利用水位流量關係方法計算之數據信任度不高,而一些研究指出利用水 流表面流速可以由水流數值模型來更精確推導流量,因此在大流量時進行流速測 量有其必要性。非接觸式測量方式,在大流量或洪災時較能確保施測人員的安全, 各國為此積極開發新式的河川流量量測技術;質點影像流速法(particle image velocimetry, PIV)為直接且連續的非接觸式測量方法,此法是利用偵測影像上的微 小質點,在同個位置的兩張影像上計算互相關係數,即可找出質點移動方向並計 算移動速度,國內外已有研究證實 PIV 在量測河流流速上的可行性與精確性,相 較於另一常用非接觸式量測法—連續式或脈衝式雷達測速法,PIV 有可遠距離偵測、 具彈性的偵測範圍、裝置價格便宜等特性,亦有多篇研究表示質點影像流速法是 具有前瞻性與潛力的非接觸式流速量測技術。但是在河流上使用 PIV 測量流速, 目前仍存在兩個主要問題,導致 PIV 的操作性與機動性不佳,第一,難以找尋適 當設備架設點:架設攝影機與放置運算分析用電腦,需要一個穩定安全之處,若 需長期觀測水流則需架設觀測站,此建置與維護費用不低;第二,影像參考點找 尋困難:現地與影像尺度轉換需要現場定位參考點座標測量與水位量測,但在洪 災或大流量時,參考點不易維持,且測量作業的人力需求大。本研究考慮上述困 難點,開發一行動式 PIV 流速測量裝置,可有效解決 PIV 操作性與機動性不佳的 缺點。 本裝置有三個主要核心技術:1.雷射光點投影分析技術、2.流速影像辨識演算 法以及 3.行動手機照相計算與通訊。在雷射光點投影分析技術方面,我們是利用 四點平行的雷射光點作為參考點,而雷射參考點有不易被破壞與操作性佳的特性, 目前第一版原型機的平行雷射輸出是以校正螺絲手動調整,第二版則是考慮利用 萬向輪軸進行調整,或以光學方式進行平行輸出;此外,我們已能透過手機藍芽 通訊無線控制雷射光點開關,以增加安裝便利性,並考慮未來能夠透過網路做遠 距控制。而在流速影像辨識技術方面,其主要是利用兩相同位置水流影像來計算 互相關性,並進而算出水流質點的速度,本演算法在未搭配雷射參考點前,已使 1 國立台灣大學土木工程所電腦輔助工程組,學生 2 國家高速網路與計算中心,助理研究員 3 國立台灣大學土木工程所電腦輔助工程組,學生 4 國家高速網路與計算中心,副研究員 5 國立台灣大學土木工程所,副教授
  2. 2. 用傳統定位參考點,經過水槽與模擬影像的驗證。最後,在行動手機照相計算與通訊 技術方面,由於開發手機的攝影與計算功能時需要考慮維持手機的功能性,我們透過 Java Native Interface(JNI),將在 C++開發環境開發的程式植入手機程式中,利用此種隔離式開 發方式,有助於確認演算法正確性與手機功能性。本裝置經過雷射平行測試、雷射點定位 測試和流場方向偵測測試,證實此方法具可行性。 關鍵字:影像辨識、表面流速、行動裝置、雷射參考點、裝置整合、非接觸式 Development of a Mobile Surface Flow Measuring Device Using Image Analysis Yao-Yu, Yang6 、Franco, Lin7 、Min-Cheng, Wen8 、Wen-Yi, Chang9 、Shih-Chung, Kang10 Abstract During flooding events, the traditional velocity measurement in the river may put the surveyors in danger, hence the development of non-contact measurements is necessary. The particle image velocimetry (PIV) has been recognized as one of the potential and precise methods in the recent studies. However, an on-site PIV has two main difficulties: 1. the difficulty for camera and computer installation in the field; and 2. the high labor needed for conducting the field survey and system calibration. In this study, we developed a mobile PIV device, which includes techniques of the laser projection as ground reference points, the flow image recognition method and the integration of communication, computation and display on the mobile phone. Now, the mobile PIV device has been validated in the laboratory experiments. In the future, we would like to extend this study to practical applications. Keywords: image recognition、surface flow velocity、mobile device、laser reference point、device integration、non-contact 6 Computer-Aided Engineering Group, Department of Civil Engineering, National Taiwan University, student 7 National Center for High-performance Computing, National Applied Research Laboratories,Assistant research fellow 8 Computer-Aided Engineering Group, Department of Civil Engineering, National Taiwan University, student 9 National Center for High-performance Computing, National Applied Research Laboratories,Associate research fellow 10 Computer-Aided Engineering Group, Department of Civil Engineering, National Taiwan University, Associate professor
  3. 3. 一、前言 1.1、洪災流量量測之必要性 洪災在極端氣候中,為主要影響人類生命 財產安全的災難之一,有效的河川水位、流速 與流量的觀測,對研判水情與水利工程規畫上 相當重要(李戎威,2007),一般而言,目前是使 用水位與流量關係推估河川流量(經濟部中水 局,2007),此方法,在大流量時,計算之數據信 任度不高(Chih-Weiempty C.,2012),而目前已有 研究利用水流之表面流速搭配水流數值模型推 導 出 較 精 確 的 河 川 流 量 (Ying-Chih Lin et. al.,2011),因此在河川大流量時,進行流速測量 有其必要性。 1.2、質點影像流速法之優勢與困難 非接觸式測量方式屬於遠距離的施測方 法,在大流量時較能確保施測人員安全;質點 影像流速法(particle image velocimetry, PIV)為 直接且連續的非接觸式測量方法,此法是利用 河流影像上許多微小的質點特徵,在同一位置 上的兩張影像進行傅立葉互相關性計算,分析 出該位置的流速方向與大小;PIV 在現地使用 上,已有研究證實其可行性與精確性(Fujita et. al. 2003)( Wen-Cheng Liu et.al.,2008)( Zhang, Z.et.al.,2013),並且指出質點影像流速法為具前 瞻性與潛力的非接觸式流速量測方法 (Lee M.C.,2003),相較於另外兩種常用的非接觸式量 測法:連續式雷達都卜勒測速法或脈衝式雷達 都卜勒測速法,PIV 具彈性偵測範圍、不須考 慮結構物影響訊號之問題、裝置價格便宜、影 像運算技術漸趨成熟等特性。然而,目前在現 地使用 PIV 量測河流流速仍存在兩個主要問題, 導致現地 PIV 測流法的操作性與機動性不佳, 第一,難以尋找適當設備架設點:架設攝影機 與放置運算分析用電腦,需要一安全且穩定的 位置,若考慮長期觀測水流,則需架設觀測站, 此建置與維護費用不低;第二,影像參考點找 尋困難:現地與影像尺度轉換,需要現場定位 參考點座標,實施現地測量與水位量測,但在 洪災或大流量,需要機動量測時,施測困難, 在未來校正影像上,參考點維持不易且測量作 業人力需求大。 1.3、行動式流速偵測裝置之研發 本研究主要關注解決 PIV 在現場參考點 設置與觀測站架設的高成本與繁雜程序,操作 性與機動性不佳的問題,因此開發一行動式影 像流速偵測裝置。 二、方法/理論與研究方法 此裝置分為三個主要技術:1.雷射光點投影分 析技術、2.流速影像辨識演算法以及 3.行動手 機照相計算與通訊;本節將先介紹此裝置開發 環境的架構,以了解軟硬體之間的關係,之後 將切入計算核心,三個主要技術的部分做說 明。 2.1、裝置開發環境架構 硬體上使用消費型 Android 手機,搭配 Arduino 控制板控制雷射模組,軟體上,使用 Java 架構的 Android 開發環境,開發一個手機 程式當作操作介面,並內含透過 Java Native Interface 所包覆的 C++程式作為運算核心,C++ 程式撰寫,是搭配現有成熟且開放的影像處理 開發介面OpenCV作為雷射點偵測、影像校正、 流速影像辨識計算與繪製流場使用。
  4. 4. 公式一 公式三 2.2、雷射光點投影分析 2.2.1、雷射光平行輸出 雷射光平行輸出機構,設計的目的為:校 正一次即可多次使用,之後只需要在一定使用 週期後,測試平行程度並微調即可;為此,雷 射模組在本研究中以機械方式調整,以四個方 向的螺絲固定在鋁柱上,再將鋁柱以懸臂梁方 式固定於手機架上,此方式使用者可用鋁柱較 粗略的調整雷射輸出方向,再以螺絲微調至平 行位置。 2.2.2、無線控制雷射裝置 雷射裝置是使用市面上購買的四個紅點 雷射模組,搭配具有快速開發控制電路的 Arduino 控制板,開發出一個獨立供應電源並可 程式化的雷射裝置;智慧型手機與雷射裝置的 通訊,若以有線方式傳輸訊號,則安裝手機於 雷射裝置之程序較為複雜,操作性不佳,因此 本研究是使用藍芽通訊,作為無線控制雷射光 源啟動的方式,達到簡單操作的效果。 2.2.3、雷射點搜尋定位 將取得之彩色圖片依照公式一的方式做 二值化處理,接著定義變數 D,為影像雷射點 間最小距離,判斷每個有雷射點的像素是否距 離某一群集在 D 以內,若是,則存入該群集中, 若不是,則建立一新群集。 2.2.4、雷射點變形計算 平行雷射點的好處為,主動產生一已知參 考坐標,在使用此裝置時除了要確保四點雷射 光平行輸出產生一矩形頂點形狀外,亦需知道 四個雷射光點的實際相對位置,使用者操作時 會因姿態不同,使光點相對位置也不同,因此 由公式二,旋轉角α與俯仰角β為變數,寬(W)、 高(H)為常數可推導出四個雷射光點的相對位 置。                              cos/,0, tantancos/,cos/, tantan,cos/, 0,0, Hyx WHWyx WWyx yx D C B A 公式二 2.2.5、影像正交校正 將影像中,四個雷射光點作為參考點,經 過直接線性轉換(Direct Linear Transformation), 可得影像實際尺寸進而計算出實際流速。設(x,y) 為實際座標位置,(u,v)為影像畫素位置,將四 個已知點相對座標與影像對應的像素座標代入 公式三,並由矩陣求係數 L1 到 L8 的解, 公式四 圖 1、開發環境架構圖
  5. 5. 若要由已知影像位置 u、v 得知影像位置 x、y, 則將 L1 到 L8 係數代回原公式求 x、y, 公式五 將公式四簡化為 ,以 將係數 求出,影像各點位置就能以公式五轉換為實際 位置。 2.3、流速影像辨識演算法 本裝置使用傳統 PIV 演算法,此法是用同 大小(32x32)的分析區塊(Interrogation Area)同位 置不同時間之影像,進行下列互相關係數計 算。    M x N y fg nymxgyxfnm 1 1 ),(),(),( 公式五 f(x,y):時間 t 的像素值。 g(x,y):時間(t+Δt)的像素值。 圖片中fg(m' ,n')最大值的位置為時間 t 的特徵 於時間(t+Δt)的位置,此位置座標減去中心點座 標即為該區域特徵位移,因而可算出流速方向 與大小。 2.4、行動手機照相計算與通訊 手機程式開發環境是 Android,手機影像 處 理 的 部 分 則 是 使 用 開 放 原 始 碼 函 式 庫 OpenCV;為了快速開發並測試,應用程式是以 OpenCV 手機範例程式碼架構進行更改。 Android 是以 Java 為基礎,本研究利用 Java Native Interface 使手機程式介接 C++程式,此 方式可使影像處理可以先利用電腦測試演算法 正確性,再寫入手機測試可行性,此外 C++在 影像處理上,已有許多研究開發的演算法可使 用,未來再更換演算法或開發新的演算法上有 較佳的便利性。 影像計算與繪製方向向量的方法,由手機 影像存成灰階圖與彩色圖傳入 C++函式中運算, 使用灰階圖施作流速偵測計算後,各點的向量 存入一矩陣中,並在彩色圖片上依照向量矩陣 繪製箭頭,傳回 Android 架構使手機顯示流場 影像。 三、結果與討論 本研究對裝置進行了三個測試實驗:雷射 平行測試、雷射點搜尋測試和手機計算之流場 方向驗證,所使用的智慧型手機為 HTC One SV, 以下將說明三項測試的結果並討論其現象與可 能改進的方向。 3.1、雷射平行測試 在實驗室中,將裝置架設於攝影機角架上, 平行面向五公尺外的平面牆上,利用裝置上固 定雷射模組的螺絲與固定雷射模組於手機架上 之懸臂梁進行平行調整,調整至五公尺處雷射 點相對位置與雷射模組相對位置約略相同,再 利用與裝置平行之方格板,分別在距離裝置零 公尺、一公尺與五公尺,以左上角光點為原點, 量測各點之相對座標,結果如下:
  6. 6. 圖 2、不同距離雷射點投影座標圖 圖 3、距五公尺雷射光點偏移量 我們發現利用螺絲與懸臂梁校正雷射光 平行的機制,假設攝影機與投影牆面平行,且 畫面扭曲現象很小可忽略的話,在畫面上 X、Y 方向最大偏移像素算法為公式五: 公式五 由此方式計算,X 方向最大偏移為 ,Y 方向最大偏移為 。若雷射裝置垂直 平面輸出雷射點時,影像上雷射點偏移量與施 測距離並沒有關係,減少相機畫素或增加相機 廣角程度,皆會造成特徵之解析度不佳,使水 流分析困難,因此要減少雷射點畫面偏移量, 只能增加雷射平行輸出的精度; 此平行裝置為 機械式,並使用螺絲與調整懸臂梁方式進行平 行調整,但調整時只能進行粗略調整,為了增 加平行精度、調整的操作性,未來將使用可固 定的萬向輪軸作為雷射模組與手機的固定機構, 並考慮利用擴束鏡、分光鏡、反射鏡,等透面 鏡組,使雷射光能平行輸出。 3.2、雷射點搜尋測試 本研究測試了三個狀態下,雷射點搜尋的 效果,白色背景偵測、垂直水面偵測與側向水 面偵測。此測試設定雷射點定位演算法中的群 集最短距離參數 D=40,即相距 40 個像素以內 則為同個雷射點,若在單純環境下,如圖 4 所 示,四個雷射點都能正確定位;另外,本裝置 在水利規劃試驗所之試驗水槽做測試,側向使 用本裝置時,如圖 6 所示,畫面上會有八個雷 射光點打在水面上,四個穩定出現且紅色亮度 低的紅色斑,另外四個為閃爍亮度高的小紅點, 演算法偵測到六個光點;測試裝置與水面平行 偵測狀況時,如圖 5 所示,鏡頭與雷射光輸出 裝置前有一不光滑的壓克力板離水面約 50 公 分距離拍攝,須調整參數 D=220,才可正確偵 測到四個光點。此演算法考慮雷射紅色區塊擷 取與紅色群集分組,此效果佳,若水面背景複 雜程度提升時,可嘗試利用雷射點為圓形且四 點分布接近矩形的幾何判斷,偵測雷射點;側 向雷射投影於水面所產生的八個點的問題,可 嘗試用雷射點群集亮度大於另外四組群集且閃 爍的特徵做搜尋。 X Y
  7. 7. 圖 4、單純環境雷射光點搜尋結果 圖 5、垂向水面環境雷射光點搜尋結果 圖 6、側向水面環境雷射光點搜尋結果 3.3、流場方向驗證 質點影像流速法與一般水流量測法不同 在於能夠顯示水流表面速度與小區塊的方向, 流場為影像上一個偵測大區域內所計算出所有 小區域的速度與方向,在此用箭頭當作方向標 記、長短代表速度大小。本研究已將雷射裝置 與手機整合,開發出基本流場畫面呈現介面, 在流場方向驗證測試中,因為用螢幕呈現模擬 流況的畫面較為便利,我們使用螢幕作為使手 機程式判斷的畫面(如圖 7 所示),也因是模擬流 況,沒有實際速度,本測試單純對演算法計算 出的流場方向做驗證,並無加入雷射投影;目 前以國網中心開發之 PIV 分析系統與寫入本裝 置之 PIV 演算法程式於電腦運行做 PIV challenge 之渦流流場方向計算結果驗證,此模 擬的渦流流況為越靠近中心速度越快,並且呈 現逆時針轉動狀態,驗證結果如圖 8 與圖 9, 圖 8 為國網中心開發之 PIV 分析系統所顯示的 渦流流場,在圖中,速度值為假設之值非實際 之值,圖 9 為本裝置 PIV 在電腦運算分析之結 果,兩流場在視覺上,顯示方向並無顯著差異。 另外,亦測試模擬邊界層流圖片與水槽水流影 片,模擬之邊界層流下層為邊界,在下層的流 體速度慢接近零,上層流體速度快,而水槽水 流則為定床穩流的水流流況;觀察此手機程式 分析之結果,模擬邊界層流計算結果畫面中(圖 11),與渦流結果(圖 10)相似處在於,右上角畫 面流場顯示結果有誤,並且比較以同樣演算法 在電腦上運算之圖 9 之結果與演算法在手機上 運算之圖 10 之結果,推論可能原因為,使用螢 幕顯示影像,導致手機擷取之畫面減少了原來 的特徵、增加了拍攝螢幕產生的特徵或 IA 設定 不適當等,經過 IA 從 32x32 調整為 48x48 則沒 有特別突兀的方向出現;水流影面播放測試手 機程式計算效果時(圖 12),發現須以慢速撥放 才能顯示較正確的流場,而流場中包含一些錯 誤的判斷方向,推測其原因可能為手機運行影 像處理計算時,手機影像取樣頻率從 29fps 降 低到 3~4 fps 以下有關,此效應讓特徵無法在相 鄰影格上偵測到,使流場誤判,並且還需考慮 裝置與水面的距離是否足夠辨識出特徵,未來 將分析此裝置可偵測的範圍,並可能可利用非 即時的處理解決影像取樣頻率低的問題;偵測
  8. 8. 錯誤也可能為手機擷取螢幕畫面產生多餘的特 徵所導致,但使用手機程式偵測水流流場,大 致上是能表現且偵測出來。此測試證實了演算 法能夠正確的呈現流場的各區域流速與方向的 相對關係,並能讓使用者看出整體流況趨勢。 圖 7、利用螢幕測試手機運算流場效果 圖 8、國網中心 PIV System 渦流流況分析結果 圖 9、本研究手機程式渦流流況分析結果 圖 10、手機應用程式渦流計算結果畫面 圖 11、手機應用程式邊界層流計算結果畫面 圖 12、手機應用程式水流計算結果畫面 四、結論與建議 本篇論文呈現開發此可攜式 PIV 影像流 速測量裝置的方法,並且驗證其計算流場方向 與以四個雷射點當作參考點的可行性,並加以 討論此裝置未來進步之空間與方法,此裝置以 雷射點為參考點,此構想為 PIV 在機動性上開 啟新的討論領域,並且目前研發狀況已經可以 顯示出正確的流場,接下來目標為,將平行校
  9. 9. 正方式改為萬向輪軸校正,使雷射平行精度提 升,並以延時計算的方式解決手機影像取樣頻 率低的問題,再以計算實驗水流與實際河流流 速做測試,以完整研究與開發此裝置。 五、誌謝 本研究承蒙行政院國家科學委員會計 畫補助(NSC 101-2625-M-492 -006)及財團法 人國家實驗研究院國家高速網路與計算中心 提供計算資源,謹此致謝。 六、參考文獻 李戎威,「淡水河即時洪水預測模式之建立及實 務應用」,Taiwan Association of Hydraulic Engineer,第 9 期,第 1-37 頁 (2006)。 「中水局轄區測站流量測定成果報告」,經濟部 水利署中區水資源局 (2007)。 Chih-Weiempty, C.,” The study of velocity distribution measurement by using ADCP for natural river - a case study on Zengwun discharge gauging station,” Master Dissertation, Department of Hydraulics and Ocean Engineering, National Cheng Kung University (2012). Ying-Chih Lin, Mu-Shou Chu, Hsun-Chuan Chan, Shen-Ching Kao, Jan-Mou Leu , "Estimation of High Discharge Using Measured Surface Velocity," Journal of Chinese Soil and Water Conservation, 42(1), 23-36 (2011). Fujita, I. and T. Hino, "Unseeded and seeded PIV measurements of river flows videotaped from a helicopter," Journal of Visualization, 6(3), 245-252 (2003). 「即時三維立體影像技術量測河川高流量研究 計畫」,第十河川局,台灣水利署 (2008)。 Zhang, Y. and Z. Wang. “A Flexible Camera Calibration Method for Computer Visual 3D Reconstruction System,”, 8th International Conference on Signal Processing (2006). Ming-Ching Lee, ” Development of Non-contact Methods for Water Surface Velocity and River Discharge Measurements,” Ph.D. Dissertation, Department of Hydraulic and Ocean Engineering, National Cheng Kung University (2003).

×