基于图像处理的环境废水流量、色度和悬浮物检测系统

基于图像处理的环境废水流量、色度和悬浮物检测系统浙江工商大学1基于图像处理的环境废水流量、色度和悬浮物检测系统浙江工商大学摘要：现在的废水处理系统是由处理单元、管线、机械设备和土木结构等组成，在各处理单元的相互配合下，使处理后的流放水能够达到“符合法规排放标准”，并保护承受的水体和环境。其处理程序由不同的物理、化学、生物等处理单元组成，其设备程序和一般的工业生产流程一样很复杂。因此，为了达到提高系统稳定性，提高处理效率以及减少操作成本，部分或全面自动监控已是一个不可逆转的发展趋势[1,2]。然而现有的监测设备大多采用接触式量测原理，安置在较为恶劣的环境下，使监测仪器受到废水的污染与干扰，容易产生设备维护与监测数据质量控制的问题。利用光学图像监测技术可排除传统接触式传感器流体特性的干扰，减少温度、湿度等环境因素的干扰。因此，开发新的非接触式光学图像监测设备有其必要性，具有技术先进性和现实的社会效益[3]。从另一个方面说，污水处理程序的进流水流量随时间不断改变，而以往所采用的稳态操作模式，无法掌握系统动态进流和反应动态变化，而导致资源浪费与操作成本提高[4]。所以在各项监测项目中，实时掌握流量、废水颜色具有关键性，如何应对进流流量的变动，以满足自动控制策略与操作最佳化策略的需求，或是进行计算而产生信号来驱动设备进行系统程序的控制，这些是反映系统程序处理效率的高低。本设计的废水监测系统将上述以往监测系统的缺点和不足考虑在内，利用数字图像处理与分析的方法[5,6]，通过摄像头和图像采集卡以非接触的基于图像处理的环境废水流量、色度和悬浮物检测系统浙江工商大学2方式对废水图像进行拍摄和采集后传输到计算机处理。经处理后可直观地在系统工作界面上得到关于废水颜色的实时监测信息；悬浮物数量、最大面积、总面积和比例的相关信息；设定时间内悬浮物的变化趋势信息；废水流量的信息。关键字：数字图像处理；实时监测；流量监测；悬浮物监测基于图像处理的环境废水流量、色度和悬浮物检测系统浙江工商大学3目录一、课题的研究背景和意义……………………………………..4二、课题的成品……………………………………………………5三、系统的工作环境………………………………………………7四、系统的功能介绍………………………………………………9五、系统的工作原理（一）实时监测……………………………………………………15（二）悬浮物监测…………………………………………………16（三）定时监测……………………………………………………18（四）流速监测……………………………………………………19六、系统的改进和完善…………………………………………….21七、总结与展望…………………………………………………….22八、文献参考………………………………………………………23基于图像处理的环境废水流量、色度和悬浮物检测系统浙江工商大学4一、课题的研究背景和意义如今的很多废水处理系统其设备、程序和一般的工业生产流程一样都太复杂，处理效率不高且操作成品偏高。同时，很多的废水监测系统的监测设备大多采用接触式测量的原理，且安装在恶劣的环境下，这样很容易使监测器受到污水的干扰和影响，从而产生出一些列关于设备维护和监测数据出现较大误差的问题。且以往的废水处理系统大多采取稳态操作模式，而污水处理程序的进流水流量随时间不断改变因此，往往无法掌握系统动态进流和反应动态变化，而导致资源浪费与操作成本提高。因此，在考虑这些因素的情况下，本文的废水监测系统采用计算机自动控制的原理，通过摄像头和图像采集卡以非接触式测量的方式拍摄和采集图像，并经过数字图像处理后直观地在系统界面上显示所需监测的相关信息。本文的废水监测系统较以往的一些监测系统具有以下的优越性和独特性：1）光学图像监测技术的非接触与非破坏特性，解决传统接触式传感器流体特性的干扰问题。非接触式数字图像法[7,8,9]可精确量测水位、色度等的变化，排除接触式量测的问题，提升量测的准确度。2）由图像分析自由水面的颜色值，可得知水中真色色度值变化情形。利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输过程中可能引入的误差因子，可有效满足废水处理系统或其它类似系统的实时检测需求。3）悬浮物的图像提取识别，改变人工及传统方法取样分析，实现在线实时、基于图像处理的环境废水流量、色度和悬浮物检测系统浙江工商大学5连续监测，从而提供自动控制去除悬浮固体的依据。二、课题的成品本文的废水监测系统意在监测废水管排放废水的流量、色度和悬浮物。限于实验室的条件，本系统在实验室模拟的环境由小型水缸、摄像头、图像采集卡和计算机组成。如图1和图2即为系统的实物图。图1、系统实物图图2、系统实物图基于图像处理的环境废水流量、色度和悬浮物检测系统浙江工商大学6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，小型水缸起到的作用是模拟废水排放管；摄像头的作用是实时拍摄废水图像；图像采集卡的作用是将摄像头拍摄的图像从模拟图像转换到数字图像并传输到计算机储存；计算机的作用是对废水图像进行处理、识别、检测并将结果显示。如图3所示为系统的工作流程图。图3、系统的工作流程图如下图4所示是系统的工作主界面。图4、系统的工作主界面基于图像处理的环境废水流量、色度和悬浮物检测系统浙江工商大学7由系统主界面图可以直观地看到本系统具有的功能为：废水的实时监测，废水的定时监测，废水的悬浮物监测和废水的流量监测。如下图5所示是系统处于工作状态时的主界面图。图5、工作状态时的主界面图三、系统的工作环境系统由1）小型水缸，2）摄像头，3）图像采集卡，4）计算机组成。1）小型水缸的规格：*38cm(长)×22cm(宽)×26cm(高)。2）摄像头的规格：*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基于图像处理的环境废水流量、色度和悬浮物检测系统浙江工商大学8（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：大于48dB；*背光补偿：ON/OFF；*工作温度：prefix=st1ns=urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags”-10°C-60°C；*电源：DC12V±10%（“-A”表示支持DC12V/AC24V）；*功耗：2WMAX；*尺寸(mm)：63×59×114；*重量：550g；3）图像采集卡的规格和相关信息：*USB2.0接口，支持热插拔，无需拆机箱；*支持内置USB2.0接口的笔记本电脑；*FULLDL高分辨率，PAL：352X288、640X480、720X576或全屏清晰高像素显示；*可捕捉高品质动态及静态画面；基于图像处理的环境废水流量、色度和悬浮物检测系统浙江工商大学9*兼容Win2000/XP/VISTA；*一路AV及一路S端子视频输入，一路USB输出；*尺寸：103mmx60mmx19mm；该图像采集卡还具有如下特性：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）计算机的环境：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、系统的功能介绍本文的废水监测系统共具有四项基本功能，从上文中的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）定时监测；（4）流速监测。下面将对各功能做具体详细地介绍。（1）实时监测：该功能主要是对废水从颜色上进行实时地监测。在系统的主界面上点击“实时监测”按键即可看到如图6所示的“实时监测”界面。基于图像处理的环境废水流量、色度和悬浮物检测系统浙江工商大学10图6、“实时监测”界面在该界面上，我们可以看到“开始”、“暂停”、“停止”、“截图”和“返回”五个按键。五个按键的功能都与它们的命名相对应。按下“开始”键，系统便开始实时监测，可得到如图7所示的工作界面。图7、“实时监测”工作界面基于图像处理的环境废水流量、色度和悬浮物检测系统浙江工商大学11在该工作界面中，我们可以看到“色调直方图”，“H通道图像”和“直方图精细度”。“色调直方图”显示的是图像的整体色调分布，其中横坐标代表的是HSV色彩空间中的H值（色调）从0到360度的分布，纵坐标代表的是0到255的不同色彩等级。从该图中可以直观地观测出废水的整体色调趋向，便于方便监测废水成分。“H通道图像”显示的是废水图像在HSV色彩空间下H通道的成像图。“直方图精细度”可用于调节色调直方图的精细化程度，便于H值更细化的观测。（2）悬浮物监测该功能是对废水中的悬浮物及其数量、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所示的“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所示的工作界面。基于图像处理的环境废水流量、色度和悬浮物检测系统浙江工商大学12图9、“悬浮物监测”工作界面从该工作界面中，我们可以直观地得到关于悬浮物的相关信息，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。界面中的图像是原废水图像经过二值化、边缘监测等处理后的灰度图。其中，“分辨率”一栏可对二值化的阈值从1到200进行人为地调节，体现在左边的灰度图上即悬浮物的数量会随着分辨率的提高而增多。这样可以减小在对实际情况和具体要求下监测悬浮物的误差。（3）定时监测该功能是对悬浮物的数量进行定时监测，以便于观测所设定时间内悬浮物数量的走势。在系统主界面上点击“定时监测”按键即可得到如图10所示的“定时监测”界面。基于图像处理的环境废水流量、色度和悬浮物检测系统浙江工商大学13图10、“定时监测”界面在该界面中，我们可以通过对“定时”栏中的“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时监测，可得到如图11所示的“定时监测”工作界面。图11、“定时监测”工作界面基于图像处理的环境废水流量、色度和悬浮物检测系统浙江工商大学14在该工作界面中，位于左边的动态折线图是悬浮物数量的走势图。在图中，横轴代表时间的走势，纵轴代表悬浮物数量的走势。较悬浮物的实时监测，从定时监测图中，我们可以得到悬浮物数量的变化趋势，以便于对废水进行及时地处理。其中的“分辨率”一栏起到的效果等同于“实时监测”中的。（4）流速监测该功能的主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所示的“流速监测”界面。图12、“流速监测”界面在该界面上，可以看到参数设置窗口和流量图显示窗口。按照实际情况对参数进行设置，点击“开始”按键，便可得到如图13所示的工作界面。基于图像处理的环境废水流量、色度和悬浮物检测系统浙江工商大学15图13、“流速监测”工作界面在该工作界面中，我们可以直观地得到废水的流量值和流量变化图。五、系统的工作原理（一）实时监测经图像采集卡采集传输到计算机的图像是RGB色彩空间的。但是，RGB虽然适合机器采样，却不适合人的直观感觉。人们往往在表达颜色时会说这个颜色是有点浓的暗红色，而不会说R（红）占了多少，G（绿）占了多少，B（蓝）占了多少。因此，我们将图像采集卡采集的RGB图转换到便于人们感觉的HSV色彩空间下的图像以便于观察。HSV色彩空间中的H代表色相即颜色，取值范围是0°到360°，基于图像处理的环境废水流量、色度和悬浮物检测系统浙江工商大学16代表不同的颜色。S代表饱和度