專利名稱：一種基于水面波浪圖像的浪級監測方法
技術領域：
本發明涉及一種基于水面波浪圖像的浪級監測方法，具體涉及一種基于矩形環內功率譜能量比的水面浪級監測方法，適用于海洋環境預報以及海洋科學研究，也可用于無人水面艇對周圍環境的監測。
背景技術：
波浪的運動與產生是海洋中最常見的物理現象之一，波浪檢測對于海上運輸和作業、海洋環境預報以及海洋科學研究都是非常重要的。
現有的波浪測量方法有加速度測量法、壓力法、波面測量法、波面粗糙度反演法等，其中除波面測量法之外其他均為間接測量。波面測量法是利用測量波面高度變化的方法來測量波浪參數的，即利用固定高度的探頭測量其至水面距離的變化來實現波浪測量，多數采用非接觸式(遙測)如激光、微波、或超聲波等測量方式；波面測量設備可以安裝在水面以上的海洋構筑物如海洋石油平臺上。這些傳統波浪監測的設備采用單點測量方式，測量范圍小。即使多點布設測量儀器，測量范圍也是有限的，且布防難度大、易丟失、維護成本聞。隨著遙感和遙測技術的發展，采用圖像測量海洋波浪參數的方法得到進一步的應用。用視頻圖像監測波浪參數，與傳統的海洋監測設備相比較，有測量范圍大、整體性強的優點。目前采用多種方式獲取圖像包括衛星遙感圖像、飛機航空拍攝圖像、船舶航行時拍攝圖像、岸邊或平臺固定攝像裝置拍攝的圖像等，可以用于波浪參數的測量。應用圖像不僅能記錄波浪的靜態信息，而且還可以記錄波浪的動態信息，能夠測量出波浪的運動參數。目前，國際上領先的海洋視頻圖像監測技術首推美國的Argus項目(Holman, R. A. and J. Stanley. The history and technical capabilities of Argus,Coastal En-gineering[J]. 2007, 54 (6-7), 477-491.)。現有文獻報導的視頻圖像波浪測量方法包括通過檢測波浪運動中產生的碎波白冠，在圖像處理中跟蹤具有較高亮度的波峰帶，來獲取運動參數的方法；通過傅里葉變換檢測波浪運動中頻譜和相關函數，獲取運動參數的方法；通過小波變換分離波浪運動頻譜各向異性獲取方向參數的方法；基于波浪爬高的檢測方法和基于波浪沖刷時空特性的波浪檢測方法。上述波浪監測技術可在一定條件下，監測一定范圍和類型的波浪，各具優點和局限性，尚不能很好解決波浪的實時監測問題。為此，有必要設計一種更有效的水面浪級監測方法。
發明內容
本發明的目的是提供一種基于水面波浪圖像的浪級監測方法，方便對一定水面區域的浪級進行實時監測。本發明為解決其技術問題所采用的技術方案是，一種基于水面波浪圖像的浪級監測方法，包括以下步驟
I)采集一定水面區域的視頻圖像并進行直方圖均衡化處理；2)對直方圖均衡化處理后的圖像進行傅立葉變換，并計算矩形環內的功率譜能量比；3)采用分段線性回歸的方法，提取矩形環內功率譜能量比曲線的兩條特征直線斜率和截距；4)根據兩條特征直線斜率和截距的關系，確定浪級的參數。在一個實施例中，圖像的分辨率為640X480。步驟2)中，傅立葉變換根據下式計算
權利要求
1.一種基于水面波浪圖像的浪級監測方法，其特征在于，包括以下步驟 1)采集一定水面區域的視頻圖像并進行直方圖均衡化處理； 2)對直方圖均衡化處理后的圖像進行傅立葉變換，并計算矩形環內的功率譜能量比； 3)采用分段線性回歸的方法，提取矩形環內功率譜能量比曲線的兩條特征直線斜率和截距； 4)根據兩條特征直線斜率和截距的關系，確定浪級的參數。
2.根據權利要求I所述的一種基于水面波浪圖像的浪級監測方法，其特征在于，步驟1)中，圖像的分辨率為640X480。
3.根據權利要求I所述的一種基于水面波浪圖像的浪級監測方法，其特征在于，步驟2)中，傅立葉變換根據下式計算式中f (x, y)是圖像的灰度值，x、y為空間域中圖像的橫、縱坐標軸，u=0, I, . . . M_1; v=0, I, . . . , N-I ;頻率u對應于X軸,頻率V對應于y軸，F(u, v)是兩個實頻率變量u和v的復值函數； 傅立葉變換的功率譜根據下式計算 P (u, V) = F (u, V) 12 = R2 (u, V) +I2 (u, V) 式中R(u, v), I (u, v)分別表示F (u, V)的實部和虛部； 每個矩形環內的功率譜能量根據下式計算 式中表示第i個矩形環內的功率譜能量，式中u, V取值為 m (i-1) ^ I u-M/2 I < m i，n (i-1) ^ | v-N/2 | < n i。
全文摘要
本發明提出一種基于水面波浪圖像的浪級監測方法，首先采集一定水面區域的視頻圖像并進行直方圖均衡化處理；然后對直方圖均衡化處理后的圖像進行傅立葉變換，并計算矩形環內的功率譜能量比；接著采用分段線性回歸的方法，提取矩形環內功率譜能量比曲線的兩條特征直線斜率和截距；最后根據兩條特征直線斜率和截距的關系，確定浪級的參數。由于本發明的浪級視頻圖像監測方法基于圖像的頻域特征，具有受環境光照條件變化影響小的優點。
文檔編號G01C13/00GK102721411SQ20121021911
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月28日 優先權日2012年6月28日
發明者馮海濤, 劉康克, 張曉杰, 李剛, 熊亞洲, 王建華 申請人:上海海事大學