1、.PAGE ：.；基于圖像處置的環(huán)境廢水流量、色度和懸浮物檢測系統(tǒng)浙江工商大學(xué)摘要：如今的廢水處置系統(tǒng)是由處置單元、管線、機械設(shè)備和土木構(gòu)造等組成，在各處置單元的相互配合下，使處置后的流放水可以到達“符合法規(guī)排放規(guī)范，并維護接受的水體和環(huán)境。其處置程序由不同的物理、化學(xué)、生物等處置單元組成，其設(shè)備程序和普通的工業(yè)消費流程一樣很復(fù)雜。因此，為了到達提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高處置效率以及減少操作本錢，部分或全面自動監(jiān)控已是一個不可逆轉(zhuǎn)的開展趨勢,。然而現(xiàn)有的監(jiān)測設(shè)備大多采用接觸式量測原理，安頓在較為惡劣的環(huán)境下，使監(jiān)測儀器遭到廢水的污染與干擾，容易產(chǎn)生設(shè)備維護與監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的問題。利用光學(xué)圖像監(jiān)測技

2、術(shù)可排除傳統(tǒng)接觸式傳感器流體特性的干擾，減少溫度、濕度等環(huán)境要素的干擾。因此，開發(fā)新的非接觸式光學(xué)圖像監(jiān)測設(shè)備有其必要性，具有技術(shù)先進性和現(xiàn)實的社會效益。 從另一個方面說，污水處置程序的進流水流量隨時間不斷改動，而以往所采用的穩(wěn)態(tài)操作方式，無法掌握系統(tǒng)動態(tài)進流和反響動態(tài)變化，而導(dǎo)致資源浪費與操作本錢提高。所以在各項監(jiān)測工程中，實時掌握流量、廢水顏色具有關(guān)鍵性，如何應(yīng)對進流流量的變動，以滿足自動控制戰(zhàn)略與操作最正確化戰(zhàn)略的需求，或是進展計算而產(chǎn)生信號來驅(qū)動設(shè)備進展系統(tǒng)程序的控制，這些是反映系統(tǒng)程序處置效率的高低。本設(shè)計的廢水監(jiān)測系統(tǒng)將上述以往監(jiān)測系統(tǒng)的缺陷和缺乏思索在內(nèi)，利用數(shù)字圖像處置與分析的

3、方法,，經(jīng)過攝像頭和圖像采集卡以非接觸的方式對廢水圖像進展拍攝和采集后傳輸?shù)接嬎銠C處置。經(jīng)處置后可直觀地在系統(tǒng)任務(wù)界面上得到關(guān)于廢水顏色的實時監(jiān)測信息；懸浮物數(shù)量、最大面積、總面積和比例的相關(guān)信息；設(shè)定時間內(nèi)懸浮物的變化趨勢信息；廢水流量的信息。關(guān)鍵字：數(shù)字圖像處置；實時監(jiān)測；流量監(jiān)測；懸浮物監(jiān)測目錄課題的研討背景和意義.課題的廢品系統(tǒng)的任務(wù)環(huán)境系統(tǒng)的功能引見系統(tǒng)的任務(wù)原理實時監(jiān)測懸浮物監(jiān)測定時監(jiān)測流速監(jiān)測系統(tǒng)的改良和完善.總結(jié)與展望.文獻參考一、課題的研討背景和意義如今的很多廢水處置系統(tǒng)其設(shè)備、程序和普通的工業(yè)消費流程一樣都太復(fù)雜，處置效率不高且操作廢品偏高。同時，很多的廢水監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測設(shè)

4、備大多采用接觸式丈量的原理，且安裝在惡劣的環(huán)境下，這樣很容易使監(jiān)測器遭到污水的干擾和影響，從而產(chǎn)生出一些列關(guān)于設(shè)備維護和監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大誤差的問題。且以往的廢水處置系統(tǒng)大多采取穩(wěn)態(tài)操作方式，而污水處置程序的進流水流量隨時間不斷改動因此，往往無法掌握系統(tǒng)動態(tài)進流和反響動態(tài)變化，而導(dǎo)致資源浪費與操作本錢提高。因此，在思索這些要素的情況下，本文的廢水監(jiān)測系統(tǒng)采用計算機自動控制的原理，經(jīng)過攝像頭和圖像采集卡以非接觸式丈量的方式拍攝和采集圖像，并經(jīng)過數(shù)字圖像處置后直觀地在系統(tǒng)界面上顯示所需監(jiān)測的相關(guān)信息。 本文的廢水監(jiān)測系統(tǒng)較以往的一些監(jiān)測系統(tǒng)具有以下的優(yōu)越性和獨特性：光學(xué)圖像監(jiān)測技術(shù)的非接觸與非破壞特

5、性，處理傳統(tǒng)接觸式傳感器流體特性的干擾問題。非接觸式數(shù)字圖像法,可準確量測水位、色度等的變化，排除接觸式量測的問題，提升量測的準確度。由圖像分析自在水面的顏色值，可得知水中真色色度值變化情形。利用光學(xué)監(jiān)測技術(shù)可現(xiàn)場實時監(jiān)測水量水質(zhì)情況，完全防止樣品在采集與傳輸過程中能夠引入的誤差因子，可有效滿足廢水處置系統(tǒng)或其它類似系統(tǒng)的實時檢測需求。懸浮物的圖像提取識別，改動人工及傳統(tǒng)方法取樣分析，實如今線實時、延續(xù)監(jiān)測，從而提供自動控制去除懸浮固體的根據(jù)。二、課題的廢品本文的廢水監(jiān)測系統(tǒng)意在監(jiān)測廢水管排放廢水的流量、色度和懸浮物。限于實驗室的條件，本系統(tǒng)在實驗室模擬的環(huán)境由小型水缸、攝像頭、圖像采集卡和計

6、算機組成。如圖和圖即為系統(tǒng)的實物圖。圖、系統(tǒng)實物圖圖、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，小型水缸起到的作用是模擬廢水排放管；攝像頭的作用是實時拍攝廢水圖像；圖像采集卡的作用是將攝像頭拍攝的圖像從模擬圖像轉(zhuǎn)換到數(shù)字圖像并傳輸?shù)接嬎銠C儲存；計算機的作用是對廢水圖像進展處置、識別、檢測并將結(jié)果顯示。如下圖為系統(tǒng)的任務(wù)流程圖。圖、系統(tǒng)的任務(wù)流程圖如以下圖所示是系統(tǒng)的任務(wù)主界面。圖、系統(tǒng)的任務(wù)主界面由系統(tǒng)主界面圖可以直觀地看到本系統(tǒng)具有的功能為：廢水的實時監(jiān)測，廢水的定時監(jiān)測，廢水的懸浮物監(jiān)測和廢水的流量監(jiān)測。如以下圖所示是系統(tǒng)處于任務(wù)形狀時的主界面圖。圖、任務(wù)形狀時

7、的主界面圖三、系統(tǒng)的任務(wù)環(huán)境系統(tǒng)由小型水缸，攝像頭，圖像采集卡，計算機組成。小型水缸的規(guī)格：*cm(長)cm(寬)cm(高)。攝像頭的規(guī)格：*參數(shù)/型號：DS-CCP/N(-A)(-K)；*傳感器類型：/“SONY Super HAD CCD；*信號系統(tǒng)：PAL/NTSC；*有效像素：PAL:程度垂直，NTSC:程度垂直；*最小照度：.Lux F.；*快門：/秒至/,秒；*自動光圈鏡頭：DC/Video；*鏡頭類型：C/CS mount；*程度解析度：TVL；*同步方式：內(nèi)同步；*視頻輸出：Vp-p Composite Output歐姆/BNC；*信噪比：大于dB；*背光補償：ON/OFF；*

8、任務(wù)溫度：prefix = st ns = urn:schemas-microsoft-com:offic e:smarttags-C-C；*電源：DCV%“-A表示支持DCV/ACV；*功耗：W MAX；*尺寸(mm)：；*分量：g；圖像采集卡的規(guī)格和相關(guān)信息：* USB . 接口，支持熱插拔，無需拆機箱；* 支持內(nèi)置 USB . 接口的筆記本電腦；* FULL DL高分辨率，PAL： X、X、 X 或全 屏明晰高像素顯示；* 可捕捉高質(zhì)量動態(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：mm x mm x mm； 該圖像采集卡還具

9、有如下特性：高技術(shù)規(guī)格，高明晰畫面；系統(tǒng)資源占用率低；高明晰影響采集。計算機的環(huán)境： 本文廢水檢測系統(tǒng)任務(wù)在Windows XP SP操作系統(tǒng)下VC.+環(huán)境下,，,，經(jīng)過調(diào)用Open Cv,和DirectShow庫函數(shù)進展編程實現(xiàn)功能。四、系統(tǒng)的功能引見 本文的廢水監(jiān)測系統(tǒng)共具有四項根本功能，從上文中的系統(tǒng)初始界面中可以直觀地看出。它們分別是：實時監(jiān)測；懸浮物監(jiān)測；定時監(jiān)測；流速監(jiān)測。下面將對各功能做詳細詳細地引見。實時監(jiān)測：該功能主要是對廢水從顏色上進展實時地監(jiān)測。在系統(tǒng)的主界面上點擊“實時監(jiān)測按鍵即可看到如下圖的“實時監(jiān)測界面。圖、“實時監(jiān)測界面 在該界面上，他們可以看到“開場、“暫停、“

10、停頓、“截圖和“前往五個按鍵。五個按鍵的功能都與它們的命名相對應(yīng)。按下“開場鍵，系統(tǒng)便開場實時監(jiān)測，可得到如下圖的任務(wù)界面。 圖、“實時監(jiān)測任務(wù)界面 在該任務(wù)界面中，他們可以看到“顏色直方圖，“H通道圖像和“直方圖精細度?！邦伾狈綀D顯示的是圖像的整體顏色分布，其中橫坐標代表的是HSV顏色空間中的H值顏色從到度的分布，縱坐標代表的是到的不同顏色等級。從該圖中可以直觀地觀測出廢水的整體顏色趨向，便于方便監(jiān)測廢水成分?！癏通道圖像顯示的是廢水圖像在HSV顏色空間下H通道的成像圖?！爸狈綀D精細度可用于調(diào)理顏色直方圖的精細化程度，便于H值更細化的觀測。懸浮物監(jiān)測 該功能是對廢水中的懸浮物及其數(shù)量、面積

11、等參數(shù)進展實時地監(jiān)測。在系統(tǒng)主界面上點擊“懸浮物監(jiān)測按鍵，即可得到如下圖的“懸浮物監(jiān)測界面。圖、“懸浮物監(jiān)測界面 在該“懸浮物監(jiān)測界面上，可以點擊“開場按鍵使系統(tǒng)對懸浮物進展實時地監(jiān)測，得到如下圖的任務(wù)界面。圖、“懸浮物監(jiān)測任務(wù)界面 從該任務(wù)界面中，他們可以直觀地得到關(guān)于懸浮物的相關(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。界面中的圖像是原廢水圖像經(jīng)過二值化、邊緣監(jiān)測等處置后的灰度圖。其中，“分辨率一欄可對二值化的閾值從到進展人為地調(diào)理，表達在左邊的灰度圖上即懸浮物的數(shù)量會隨著分辨率的提高而增多。這樣可以減小在對實踐情況和詳細要求下監(jiān)測懸浮物的誤差。定時監(jiān)測 該功能是對懸

12、浮物的數(shù)量進展定時監(jiān)測，以便于觀測所設(shè)定時間內(nèi)懸浮物數(shù)量的走勢。在系統(tǒng)主界面上點擊“定時監(jiān)測按鍵即可得到如下圖的“定時監(jiān)測界面。圖、“定時監(jiān)測界面 在該界面中，他們可以經(jīng)過對“定時欄中的“時、“分、“秒按需求進展設(shè)定。然后，點擊“開場按鍵使系統(tǒng)對懸浮物進展定時監(jiān)測，可得到如下圖的“定時監(jiān)測任務(wù)界面。圖、“定時監(jiān)測任務(wù)界面 在該任務(wù)界面中，位于左邊的動態(tài)折線圖是懸浮物數(shù)量的走勢圖。在圖中，橫軸代表時間的走勢，縱軸代表懸浮物數(shù)量的走勢。較懸浮物的實時監(jiān)測，從定時監(jiān)測圖中，他們可以得到懸浮物數(shù)量的變化趨勢，以便于對廢水進展及時地處置。其中的“分辨率一欄起到的效果等同于“實時監(jiān)測中的。流速監(jiān)測該功能的

13、主要作用是對廢水流量進展實時地檢測。在系統(tǒng)主界面上點擊“流速監(jiān)測按鍵即可得到如下圖的“流速監(jiān)測界面。圖、“流速監(jiān)測界面 在該界面上，可以看到參數(shù)設(shè)置窗口和流量圖顯示窗口。按照實踐情況對參數(shù)進展設(shè)置，點擊“開場按鍵，便可得到如下圖的任務(wù)界面。圖、“流速監(jiān)測任務(wù)界面 在該任務(wù)界面中，他們可以直觀地得到廢水的流量值和流量變化圖。五、系統(tǒng)的任務(wù)原理一實時監(jiān)測經(jīng)圖像采集卡采集傳輸?shù)接嬎銠C的圖像是RGB顏色空間的。但是，RGB雖然適宜機器采樣，卻不適宜人的直觀覺得。人們往往在表達顏色時會說這個顏色是有點濃的暗紅色，而不會說R紅占了多少，G綠占了多少，B藍占了多少。因此，他們將圖像采集卡采集的RGB圖轉(zhuǎn)換到

14、便于人們覺得的HSV顏色空間下的圖像以便于察看。HSV顏色空間中的H代表色相即顏色，取值范圍是到，代表不同的顏色。S代表飽和度，表示所選顏色的純度和該顏色最大的純度之間的比率，取值范圍是到，當S=時，表示只需灰度。V代表亮度，即顏色的亮堂程度，取值范圍是到,。 左圖所示是實時監(jiān)測功能的任務(wù)流程圖。在這里他們經(jīng)過調(diào)用Open Cv函數(shù)庫中的 void cvThreshold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)if R = max, H = (G-B)/(max-min) if G = max, H = + (B-R)/(max

15、-min) if B = max, H = + (R-G)/(max-min)H = H * if H , H = H + V=max(R,G,B)S=(max-min)/max 在本文系統(tǒng)的實時監(jiān)測功能中，將HSV圖像的H通道的值進展了提取，并以直方圖的方式顯示在任務(wù)界面中，便于直觀地從廢水顏色觀色其受污染程度。二懸浮物監(jiān)測在對懸浮物進展監(jiān)測這個功能中，為到達預(yù)期的效果，他們對采集到的原始廢水圖像做了以下三個操作：RGB圖轉(zhuǎn)換為灰度圖；灰度圖去背景；灰度圖二值化處置；計算懸浮物的數(shù)量、面積、比例。左圖是懸浮物監(jiān)測功能的任務(wù)流程圖。RGB圖轉(zhuǎn)換為灰度圖：在對懸浮物進展監(jiān)測時，他們需求監(jiān)測的數(shù)據(jù)

16、是懸浮物的數(shù)量、面積和比例。監(jiān)測這些參數(shù)，他們需求根據(jù)懸浮物的灰度值與水面環(huán)境灰度值之間的落差進展邊緣檢測。因此，需求將經(jīng)圖像采集卡采集出來的RGB彩色圖像先轉(zhuǎn)換成灰度圖。 在這里他們經(jīng)過調(diào)用Open Cv函數(shù)庫中的 void cvCvtColor函數(shù)進展轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換公式為：Y = .R + .G + .B； 式中，Y為圖像像素的灰度值。 如以下圖所示是將RBG圖轉(zhuǎn)換到灰度圖的效果圖。 圖、RBG圖轉(zhuǎn)換到灰度圖的效果圖灰度圖去背景： 經(jīng)轉(zhuǎn)換后的廢水圖像已是灰度圖，為便于之后對懸浮物的檢測，接著調(diào)用Open Cv函數(shù)庫中的void cvErode，void cvDilate，void cvSub這

17、三個函數(shù)經(jīng)過數(shù)學(xué)形狀學(xué)等算法將灰度圖進展去背景操作。在灰度圖像中，懸浮物為目的，水面為背景，經(jīng)過 函數(shù)，即將作為背景的水面的灰度值去掉，置為?；叶葓D二值化處置,： 經(jīng)過灰度圖去背景操作后，圖像中的背景的灰度值已全置為，而作為目的的懸浮物的灰度值仍是經(jīng)RGB轉(zhuǎn)換后的值。因此，為便于之后對懸浮物進展數(shù)量和面積上的統(tǒng)計，在這里調(diào)用Open Cv函數(shù)庫中的Void threshold函數(shù)進展二值化處置，得到背景灰度值為，目的灰度值為的二值灰度圖。計算懸浮物的數(shù)量、面積、比例： 經(jīng)二值化處置后的廢水圖像，圖像中像素的灰度值只需和，即懸浮物的灰度值為，水面背景的灰度值為。再經(jīng)過調(diào)用Open Cv函數(shù)庫中的

18、int cvFindContours函數(shù)對懸浮物進展檢測，計算出其數(shù)量、最大面積、總面積和比例，并在任務(wù)界面上顯示。三定時監(jiān)測定時監(jiān)測功能是在懸浮物監(jiān)測功能的根底上對時間進展時、分、秒的設(shè)置，并將指定時間內(nèi)檢測到的懸浮物數(shù)量以動態(tài)折線圖的方式表現(xiàn)出來。四流速監(jiān)測流速監(jiān)測功能主要是實時監(jiān)測廢水管放排廢水的流量。在本文系統(tǒng)中，他們自創(chuàng)量水堰測定水流量的方法，在實驗室進展模擬實驗。 量水堰為運用于明槽中的流量測定元件，是一個平直隔壁，其上邊緣都有一特殊外形的缺口，包括矩形、梯形、型等。它放置于敞開流體流注中，當流量添加時，將迫使流體溢過缺口，從而來監(jiān)測流量。在實驗室，他們模擬型量水堰來進展對廢水流量

19、的監(jiān)測，由于型缺口堰的水理公式曾經(jīng)變得規(guī)范化。并運用ISO、ASTM、USBR等組織單位及國內(nèi)水利署都建議運用的Kindsvater-Shen公式計算水流量。公式如下所示：式中： ：流量； ：流量系數(shù)； ：型槽缺口的角度； ：溢出液位高于型槽底端的高度；：的修正系數(shù)；：重力加速度； 以下圖是計算流量的原理圖，也可籠統(tǒng)地講解公式中的某些變量。圖、計算流量的原理圖用Kindsvater-Shen公式計算水流量應(yīng)符合以下一些條件：*型明槽的缺口角度應(yīng)介于到之間；*的丈量點應(yīng)該在堰板上游間隔 至少倍位置處；*的高度范圍應(yīng)滿足；*時，應(yīng)不大于.，；在實驗室模擬的環(huán)境下，他們采用選取一塊型板夾在水缸中間，

20、經(jīng)過向一邊注水讓水溢過型板來模擬監(jiān)測廢水的流量。因此，可以說對應(yīng)某一特定的廢水監(jiān)測儀器，型槽的缺口角度是確定的。當時，和的值可在以下圖中由與相關(guān)的曲線內(nèi)插求得。圖、和與的相關(guān)曲線 因此，只需經(jīng)過計算機檢測出值，便可利用Kindsvater-Shen公式計算出廢水的流量。 在求值時，采用了一樣的以下操作：RGB轉(zhuǎn)換為灰度圖；灰度圖二值化處置；圖像邊緣檢測；檢測水位落差。六、系統(tǒng)的改良與完善光源的改良：在實驗?zāi)M的過程中，攝像頭拍攝廢水圖像直接在自然光下進展。由于在自然光下照射下，很多物體的影子會直接影響到攝像頭拍攝到的圖片的質(zhì)量。因此，他們思索到在攝像頭前加偏正片起到濾除反射光線的目的。并且經(jīng)過

21、實驗，獲得了不錯的效果。流量監(jiān)測的角度影響： 在流量監(jiān)測的過程中，由于攝像頭對廢水的拍攝并不是筆直的，而是傾斜的，存在一定的角度的。這樣會呵斥從圖像上得到的關(guān)于型明槽溢出水位的值和實踐中的值存在一定的誤差，從而呵斥測得的水流量值不準確。 改良的方法是卻在計算機對圖像的處置過程中將傾斜的角度思索進去，采取有效的方法對傾斜呵斥的誤差進展校正。這個任務(wù)有待于在日后的繼續(xù)研討中對系統(tǒng)進展改良和完善。Kindsvater-Shen公式中的值： 重力加速度在不同的地方是不同的，在丈量時需根據(jù)實踐情況人為地設(shè)定，不然將會對監(jiān)測的結(jié)果呵斥較大的誤差。七、總結(jié)與展望 本文廢水監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)過計算機自動控制，采用非接

22、觸式丈量原理，運用了數(shù)字圖像處置的方法對廢水的顏色進展實時監(jiān)測；對廢水中的懸浮物進展識別檢測，以各種直方圖、動態(tài)曲線圖等直觀的方式反映懸浮物的數(shù)量、最大面積、總面積和比例等相關(guān)信息；對廢水的流量采用Kindsvater-Shen公式進展丈量,。 本文的廢水檢測系統(tǒng)較以往的廢水監(jiān)測系統(tǒng)文獻參考【】 邱立萍. 水質(zhì)監(jiān)測分析的系統(tǒng)問題J. 交通環(huán)保 , ,() 【】 賈國珍, 曲錦艷, 頂峰. 關(guān)于加強水質(zhì)監(jiān)測任務(wù)的討論J. 東北水利水電 , ,() 【】 周良偉. 安徽省水質(zhì)監(jiān)測任務(wù)的思緒與實際J. 水資源維護 , ,() 【】李鎮(zhèn)西. 漫話水質(zhì)監(jiān)測J. 水利天地 , ,()【】何應(yīng)輝, 蔡光程.

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