基于图像处理的环境废水流量色度和悬浮物检测系统样本

基于图像解决环境废水流量、色度和悬浮物检测系统浙江工商大学摘要：当前废水解决系统是由解决单元、管线、机械设备和土木构造等构成，在各解决单元互相配合下，使解决后流放水可以达到“符合法规排放原则”，并保护承受水体和环境。其解决程序由不同物理、化学、生物等解决单元构成，其设备程序和普通工业生产流程同样很复杂。因而，为了达到提高系统稳定性，提高解决效率以及减少操作成本，某些或全面自动监控已是一种不可逆转发展趋势[1,2]。然而既有监测设备大多采用接触式量测原理，安顿在较为恶劣环境下，使监测仪器受到废水污染与干扰，容易产生设备维护与监测数据质量控制问题。运用光学图像监测技术可排除老式接触式传感器流体特性干扰，减少温度、湿度等环境因素干扰。因而，开发新非接触式光学图像监测设备有其必要性，具备技术先进性和现实社会效益[3]。从另一种方面说，污水解决程序进流水流量随时间不断变化，而以往所采用稳态操作模式，无法掌握系统动态进流和反映动态变化，而导致资源挥霍与操作成本提高[4]。因此在各项监测项目中，实时掌握流量、废水颜色具备核心性，如何应对进流流量变动，以满足自动控制方略与操作最佳化方略需求，或是进行计算而产生信号来驱动设备进行系统程序控制，这些是反映系统程序解决效率高低。本设计废水监测系统将上述以往监测系统缺陷和局限性考虑在内，运用数字图像解决与分析办法[5,6]，通过摄像头和图像采集卡以非接触方式对废水图像进行拍摄和采集后传播到计算机解决。经解决后可直观地在系统工作界面上得到关于废水颜色实时监测信息；悬浮物数量、最大面积、总面积和比例有关信息；设定期间内悬浮物变化趋势信息；废水流量信息。核心字：数字图像解决；实时监测；流量监测；悬浮物监测目录课题研究背景和意义……..4课题成品……………………5系统工作环境………………7系统功能简介………………9系统工作原理实时监测……………………15悬浮物监测…………………16定期监测……………………18流速监测……………………19系统改进和完善…………….21总结与展望…………………….22文献参照………23一、课题研究背景和意义如今诸多废水解决系统其设备、程序和普通工业生产流程同样都太复杂，解决效率不高且操作成品偏高。同步，诸多废水监测系统监测设备大多采用接触式测量原理，且安装在恶劣环境下，这样很容易使监测器受到污水干扰和影响，从而产生出某些列关于设备维护和监测数据浮现较大误差问题。且以往废水解决系统大多采用稳态操作模式，而污水解决程序进流水流量随时间不断变化因而，往往无法掌握系统动态进流和反映动态变化，而导致资源挥霍与操作成本提高。因而，在考虑这些因素状况下，本文废水监测系统采用计算机自动控制原理，通过摄像头和图像采集卡以非接触式测量方式拍摄和采集图像，并通过数字图像解决后直观地在系统界面上显示所需监测有关信息。本文废水监测系统较以往某些监测系统具备如下优越性和独特性：1）光学图像监测技术非接触与非破坏特性，解决老式接触式传感器流体特性干扰问题。非接触式数字图像法[7,8,9]可精准量测水位、色度等变化，排除接触式量测问题，提高量测精确度。2）由图像分析自由水面颜色值，可得知水中真色色度值变化情形。运用光学监测技术可现场实时监测水量水质状况，完全避免样品在采集与传播过程中也许引入误差因子，可有效满足废水解决系统或其他类似系统实时检测需求。3）悬浮物图像提取辨认，变化人工及老式办法取样分析，实当前线实时、持续监测，从而提供自动控制去除悬浮固体根据。二、课题成品本文废水监测系统旨在监测废水管排放废水流量、色度和悬浮物。限于实验室条件，本系统在实验室模仿环境由小型水缸、摄像头、图像采集卡和计算机构成。如图1和图2即为系统实物图。图1、系统实物图图2、系统实物图由两幅图像中可见小型水缸，摄像头，图像采集卡，计算机。其中，小型水缸起到作用是模仿废水排放管；摄像头作用是实时拍摄废水图像；图像采集卡作用是将摄像头拍摄图像从模仿图像转换到数字图像并传播到计算机储存；计算机作用是对废水图像进行解决、辨认、检测并将成果显示。如图3所示为系统工作流程图。图3、系统工作流程图如下图4所示是系统工作主界面。图4、系统工作主界面由系统主界面图可以直观地看到本系统具备功能为：废水实时监测，废水定期监测，废水悬浮物监测和废水流量监测。如下图5所示是系统处在工作状态时主界面图。图5、工作状态时主界面图三、系统工作环境系统由1）小型水缸，2）摄像头，3）图像采集卡，4）计算机构成。1）小型水缸规格：*38cm(长)×22cm(宽)×26cm(高)。2）摄像头规格：*参数/型号：DS-2CC172P/172N(-A)(-K)；*传感器类型：1/3“SONYSuperHADCCD；*信号系统：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；*快门：1/50（1/60）秒至1/100,000秒；*自动光圈镜头：DC/Video；*镜头类型：C/CSmount；*水平解析度：540TVL；*同步方式：内同步；*视频输出：1Vp-pCompositeOutput（75欧姆/BNC）；*信噪比：不不大于48dB；*背光补偿：ON/OFF；*工作温度：prefix=st1ns="urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags”-10°*电源：DC12V±10%（“-A”表达支持DC12V/AC24V）；*功耗：2WMAX；*尺寸(mm)：63×59×114；*重量：550g；3）图像采集卡规格和有关信息：*USB2.0接口，支持热插拔，无需拆机箱；

*支持内置USB2.0接口笔记本电脑；

*FULLDL高辨别率，PAL：352X288、640X480、720X576或全屏清晰高像素显示；

*可捕获高品质动态及静态画面；

*兼容Win/XP/VISTA；

*一路AV及一路S端子视频输入，一路USB输出；

*尺寸：103mmx60mmx19mm；该图像采集卡还具备如下特性：1）高技术规格，高清晰画面；2）系统资源占用率低；3）高清晰影响采集。4）计算机环境：本文废水检测系统工作在WindowsXPSP3操作系统下VC6.0++环境下[10,11，12,13,14]，通过调用OpenCv[15,16,17]和DirectShow库函数进行编程实现功能。四、系统功能简介本文废水监测系统共具备四项基本功能，从上文中系统初始界面中可以直观地看出。它们分别是：（1）实时监测；（2）悬浮物监测；（3）定期监测；（4）流速监测。下面将对各功能做详细详细地简介。（1）实时监测：该功能重要是对废水从颜色上进行实时地监测。在系统主界面上点击“实时监测”按键即可看到如图6所示“实时监测”界面。图6、“实时监测”界面在该界面上，咱们可以看到“开始”、“暂停”、“停止”、“截图”和“返回”五个按键。五个按键功能都与它们命名相相应。按下“开始”键，系统便开始实时监测，可得到如图7所示工作界面。图7、“实时监测”工作界面在该工作界面中，咱们可以看到“色调直方图”，“H通道图像”和“直方图精细度”。“色调直方图”显示是图像整体色调分布，其中横坐标代表是HSV色彩空间中H值（色调）从0到360度分布，纵坐标代表是0到255不同色彩级别。从该图中可以直观地观测出废水整体色调趋向，便于以便监测废水成分。“H通道图像”显示是废水图像在HSV色彩空间下H通道成像图。“直方图精细度”可用于调节色调直方图精细化限度，便于H值更细化观测。（2）悬浮物监测该功能是对废水中悬浮物及其数量、面积等参数进行实时地监测。在系统主界面上点击“悬浮物监测”按键，即可得到如图8所示“悬浮物监测”界面。图8、“悬浮物监测”界面在该“悬浮物监测”界面上，可以点击“开始”按键使系统对悬浮物进行实时地监测，得到如图9所示工作界面。图9、“悬浮物监测”工作界面从该工作界面中，咱们可以直观地得到关于悬浮物有关信息，如：悬浮物数量，最大悬浮物面积，悬浮物总面积和悬浮物比例。界面中图像是原废水图像通过二值化、边沿监测等解决后灰度图。其中，“辨别率”一栏可对二值化阈值从1到200进行人为地调节，体当前左边灰度图上即悬浮物数量会随着辨别率提高而增多。这样可以减小在对实际状况和详细规定下监测悬浮物误差。（3）定期监测该功能是对悬浮物数量进行定期监测，以便于观测所设定期间内悬浮物数量走势。在系统主界面上点击“定期监测”按键即可得到如图10所示“定期监测”界面。图10、“定期监测”界面在该界面中，咱们可以通过对“定期”栏中“时”、“分”、“秒”按需要进行设定。然后，点击“开始”按键使系统对悬浮物进行定期监测，可得到如图11所示“定期监测”工作界面。图11、“定期监测”工作界面在该工作界面中，位于左边动态折线图是悬浮物数量走势图。在图中，横轴代表时间走势，纵轴代表悬浮物数量走势。较悬浮物实时监测，从定期监测图中，咱们可以得到悬浮物数量变化趋势，以便于对废水进行及时地解决。其中“辨别率”一栏起到效果等同于“实时监测”中。（4）流速监测该功能重要作用是对废水流量进行实时地检测。在系统主界面上点击“流速监测”按键即可得到如图12所示“流速监测”界面。图12、“流速监测”界面在该界面上，可以看到参数设立窗口和流量图显示窗口。按照实际状况对参数进行设立，点击“开始”按键，便可得到如图13所示工作界面。图13、“流速监测”工作界面在该工作界面中，咱们可以直观地得到废水流量值和流量变化图。五、系统工作原理（一）实时监测经图像采集卡采集传播到计算机图像是RGB色彩空间。但是，RGB虽然适合机器采样，却不适合人直观感觉。人们往往在表达颜色时会说这个颜色是有点浓暗红色，而不会说R（红）占了多少，G（绿）占了多少，B（蓝）占了多少。因而，咱们将图像采集卡采集RGB图转换到便于人们感觉HSV色彩空间下图像以便于观测。HSV色彩空间中H代表色相即颜色，取值范畴是0°到360°，代表不同颜色。S代表饱和度，表达所选颜色纯度和该颜色最大纯度之间比率，取值范畴是0到1，当S=0时，表达只有灰度。V代表亮度，即色彩明亮限度，取值范畴是0到1[18,19,20]。左图所示是实时监测功能工作流程图。在这里咱们通过调用OpenCv函数库中voidcvThreshold函数将RGB图像转换为HSV图像，其算法显示如下：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在本文系统实时监测功能中，将HSV图像H通道值进行了提取，并以直方图形式显示在工作界面中，便于直观地从废水颜色观色其受污染限度。（二）悬浮物监测在对悬浮物进行监测这个功能中，为达到预期效果，咱们对采集到原始废水图像做了如下三个操作：1）RGB图转换为灰度图；2）灰度图去背景；3）灰度图二值化解决；4）计算悬浮物数量、面积、比例。左图是悬浮物监测功能工作流程图。1）RGB图转换为灰度图：在对悬浮物进行监测时，咱们需要监测数据是悬浮物数量、面积和比例。监测这些参数，咱们需要依照悬浮物灰度值与水面环境灰度值之间落差进行边沿检测。因而，需要将经图像采集卡采集出来RGB彩色图像先转换成灰度图。在这里咱们通过调用OpenCv函数库中voidcvCvtColor函数进行转换，转换公式为：Y=0.299R+0.587G+0.114B；式中，Y为图像像素灰度值。如下图14所示是将RBG图转换到灰度图效果图。图14、RBG图转换到灰度图效果图2）灰度图去背景：经转换后废水图像已是灰度图，为便于之后对悬浮物检测，接着调用OpenCv函数库中voidcvErode，voidcvDilate，voidcvSub这三个函数通过数学形态学等算法将灰度图进行去背景操作。在灰度图像中，悬浮物为目的，水面为背景，通过函数，即将作为背景水面灰度值去掉，置为0。3）灰度图二值化解决[21,22,23]：通过灰度图去背景操作后，图像中背景灰度值已全置为0，而作为目的悬浮物灰度值仍是经RGB转换后值。因而，为便于之后对悬浮物进行数量和面积上记录，在这里调用OpenCv函数库中Voidthreshold函数进行二值化解决，得到背景灰度值为0，目的灰度值为1二值灰度图。4）计算悬浮物数量、面积、比例：经二值化解决后废水图像，图像中像素灰度值只有0和1，即悬浮物灰度值为1，水面背景灰度值为0。再通过调用OpenCv函数库中intcvFindContours函数对悬浮物进行检测，计算出其数量、最大面积、总面积和比例，并在工作界面上显示。（三）定期监测定期监测功能是在悬浮物监测功能基本上对时间进行时、分、秒设立，并将指定期间内检测到悬浮物数量以动态折线图形式体现出来。（四）流速监测流速监测功能重要是实时监测废水管放排废水流量。在本文系统中，咱们借鉴量水堰测定水流量办法，在实验室进行模仿实验。量水堰为使用于明槽中流量测定元件，是一种平直隔壁，其上边沿均有一特殊形状缺口，涉及矩形、梯形、型等。它放置于敞开流体流注中，当流量增长时，将迫使流体溢过缺口，从而来监测流量。在实验室，咱们模仿型量水堰来进行对废水流量监测，由于型缺口堰水理公式已经变得原则化。并运用ISO、ASTM、USBR等组织单位及国内水利署都建议使用Kindsvater-Shen公式计算水流量。公式如下所示：式中：：流量；：流量系数；：型槽缺口角度；：溢出液位高于型槽底端高度；：修正系数；：重力加速度；下图15是计算流量原理图，也可形象地解说公式中某些变量。图15、计算流量原理图用Kindsvater-Shen公式计算水流量应符合如下某些条件：*型明槽缺口角度应介于20°到100°之间；*测量点应当在堰板上游距离至少4倍位置处；*高度范畴应满足；*时，应不不不大于0.35，；在实验室模仿环境下，咱们采用选用一块型板夹在水缸中间，通过向一边注水让水溢过型板来模仿监测废水流量。因而，可以说相应某一特定废水监测仪器，型槽缺口角度是拟定。当时，和值可在下图16中由与有关曲线内插求得。图16、和与有关曲线因而，只需通过计算机检测出值，便可运用Kindsvater-Shen公式计算出废水流量。在求值时，采用了相似如下操作：1）RGB转换为灰度图；2）灰度图二值化解决；3）图像边沿检测；4）检测水位落差。六、系统改进与完善（1）光源改进：在实验模仿过程中，摄像头拍摄废水图像直接在自然光下进行。由于在自然光下照射下，诸多物体影子会直接影响到摄像头拍摄到图片质量。因而，咱们考虑到在摄像头前加偏正片起到滤除反射光线目。并且通过实验，获得了不错效果。（2）流量监测角度影响：在流量监测过程中，由于摄像头对废水拍摄并不是笔直，而是倾斜，存在一定角度。这样会导致从图像上得到关于型明槽溢出水位值和实际中值存在一定误差，从而导致测得水流量值不精准。改进办法是却在计算机对图像解决过程中将倾斜角度考虑进去，采用有效办法对倾斜导致误差进行校正。这个工作有待于在日后继续研究中对系统进行改进和完善。（3）Kindsvater-Shen公式中值：重力加速度在不同地方是不同，在测量时需依照实际状况人为地设定，否则将会对监测成果导致较大误差。七、总结与展望本文废水监测系统通过计算机自动控制，采用非接触式测量原理，运用了数字图像解决办法对废水颜色进行实时监测；对废水中悬浮物进行辨认检测，以各种直方图、动态曲线图等直观方式反映悬浮物数量、最大面积、总面积和比例等有关信息；对废水流量采用Kindsvater-Shen公式进行测量[24,25,26]。本文废水检测系统较以往废水监测系统文献参照【1】邱立萍.水质监测分析系统问题[J].交通环保，1999,(03)

【2】贾国珍，曲锦艳，高峰.关于加强水质监测工作探讨[J].东北水利水电，,(02)

【3】周良伟.安徽省水质监测工作思路与实践[J].水资源保护，,(02)【4】李镇西.漫话水质监测[J].水利天地，1985,(05)【5】何应辉，蔡光程.基于数学形态学图象角点检测办法[J].红河学院学报，,(02)【6】李刚，黎燕.基于数学形态学二值图像边沿检测[J].电子产品可靠性与环境实验，,(06)【7】任安虎，张燕.一种图像形态学角点检测改进算法[J].西安工业大学学报，,(06)【8】王树文，闫成新，张天序，赵广州.数学形态学在图像解决中应用[J].计算机工程与应用，,(32)

【9】李玲玲，余文勇，陈幼平，周祖德.基于数学形态学灰度线形态辨认研究与开发[J].计算机工程与应用，,(11)【10】李龙澍.C++程序设计.清华大学出版社.(3)【11】广树建.新编C/C++程序设计教程.华南理工大学出版社.(2)【12】李振立，程玉.C/C++语言程序设计（第二版）.科学出版社(12)【13】李龙澍.C++程序设计实训.清华大学出版社.(3)【14】刘景，周玉龙.高档语言C++程序设计.（第二版）.高等教诲出版社.(12)【15】布拉德斯基,克勒著.于仕琪，刘瑞祯译.学习OpenCV（中文版）.清华大学出版社(10)【16】黎松,平西建,丁益洪;开放源代码计算机视觉类库OpenCv应用[J];计算机应用与软件;08期【17】陈磊;;计算机视觉类库OpenCV在VC中应用[J];微计算机信息;12期

【18】罗红宇，高鹏.数字图像最佳灰度门限拟定[J].吉林工程技术师范学院学报，,(09)【19】袁博宇.基于干涉原理和数字图像解决技术动态浓度监/检测