本发明涉及基于机器视觉的水工模型枢纽泄流能力测量装置及方法，属于基于图像数据处理的流体压力测试的。
背景技术：
1、水工模型试验中的断面模型试验主要用于对水利枢纽设计方案下的相关水力学问题进行论证，泄流能力曲线是枢纽调度的基础特征性曲线，验证典型流量工况下枢纽的泄流能力是水工模型试验成果中最为重要的部分。泄流能力的测量对于上下游水面线测量精度和测点密度的要求十分严格。模型中水面线几毫米的误差换算为原型的误差可达几十厘米，对于枢纽泄流能力的计算造成很大影响。目前测量水面线的方法主要有：（1）在水槽底部开孔，通过水管将水槽内水体与量筒连接，采用测针测量量筒的水位；（2）采用直尺直接测量水面与水槽底部的距离。第一种方式通常出现水管被水槽中泥沙等杂质堵塞而读数误差较大，且开孔、接入水管的成本较高，难以实现在水面线沿程进行测点的大量布置。第二种方式直尺伸入水槽会影响测点处的水位，且直尺的倾斜也导致较大的测量误差。
2、为了克服水工模型试验枢纽泄流能力测量中存在的水面线测量误差较大且难以同时、快速捕捉多个测点的问题，亟需开发一套用于准确快速的测量装置及方法。
技术实现思路
1、为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种基于机器视觉的水工模型枢纽泄流能力测量装置及方法，其具体技术方案如下：
2、一种基于机器视觉的水工模型枢纽泄流能力测量装置，包括枢纽泄水闸模型、水面线捕捉系统和水面线图像后处理系统，
3、所述枢纽泄水闸模型包括循环水槽系统、泄水闸闸墩和测针式水位仪，循环水槽系统包括上游水库、输水管道、钢化玻璃水槽、下游尾门、下游水库，所述输水管道上布置有水泵、阀门和电磁流量计，输水管道连通上游水库和下游水库，且通过水泵将下游水库中的水泵送回上游水库，下游尾门设置在钢化玻璃水槽的下游端口；泄水闸闸墩安装于钢化玻璃水槽内，上游来流经过泄水闸闸墩后水位发生变化，测针式水位仪置于钢化玻璃水槽外侧一旁，用于确定待测区域水面线单点的水位，作为高速相机高度调节的参照高度；
4、所述水面线捕捉系统包括带刻度的滑轨、两个支架、激光水平仪、高速相机和相机标定物，两个所述支架可上下移动地安装在滑轨上，高速相机置于上面一个支架上，激光水平仪置于下面一个支架上，所述相机标定物贴在钢化玻璃水槽外壁面，低于水面高度，所述激光水平仪用来确定相机标定物的高程，高速相机用来拍摄测量范围内水面线，相机标定物用来换算像素坐标和物理坐标；
5、所述水面线图像后处理系统加载有水面线识别方法和水面线数据提取方法，所述水面线识别方法是通过阈值分割法对图像进行分割，识别图像中的水体、空气和相机标定物，所述水面线数据提取方法利用轮廓线提取算法对水体和相机标定物的轮廓进行提取。
6、进一步的，所述钢化玻璃水槽底部建筑有混凝土地基，混凝土地基上架设有底板，泄水闸闸墩设置在钢化玻璃水槽靠近上游端的位置。
7、进一步的，所述泄水闸闸墩包括两个闸墩，两个闸墩之间的空间为一个闸孔，两个闸墩与对应侧的钢化玻璃水槽边壁之间的空间各为半个闸孔，用于模拟泄水闸2个闸孔的泄流过程，2个闸孔是指中间一个闸孔和两侧的半个闸孔。
8、进一步的，闸室包括闸墩、闸孔和闸底板，闸室上游段的水平底板为闸底板，闸底板下游侧接斜坡，称斜坡段为连接段，斜坡下游接的水平底板为消力池底板，连接段和消力池底板的纵向中心线上沿程布置有压强测点，底板下方贴近钢化玻璃水槽侧壁面的下方采用砖砌墙支撑，底板的纵向中心线下方为空心，布置压强测点的数据传输线。
9、进一步的，所述测针式水位仪底部通过水管与水槽上游和下游底部相连，以获取上下游待测区域单点的水位，作为相机高度调节的参照高度。
10、进一步的，所述激光水平仪为面光源，在水槽边壁形成的激光水平线位于水面以下，相机标定物为矩形白色贴纸（尺寸w*h mm），贴纸的下边缘与激光水平线对齐贴于水槽边壁。
11、基于上述的基于机器视觉的水工模型枢纽泄流能力测量装置的水工断面模型枢纽泄流能力测量方法，包括以下步骤：
12、步骤一：根据枢纽泄流能力工况表获取不同设计泄流量q设计条件下枢纽上游水位设计值h设计上游和下游水位设计值h设计下游；
13、步骤二：依据模型制作的几何比尺，计算模型的流量比尺，由此得到模型试验的设计泄流量；
14、步骤三：开启枢纽泄水闸模型中循环水槽上游水泵，通过阀门和电磁流量计控制水槽中流量q试验=q设计，模型试验流量对应的原型流量为；
15、步骤四：调节激光水平仪高度，使得激光水平线与模型闸底板高度重合，将此时滑轨上刻度标记为0 mm，随后调节激光水平仪高度，使得激光水平线位于下游水面线下方附近，将相机标定物下边缘与激光水平线对齐贴于水槽边壁，以此获得标定物下边缘距离模型闸底板的距离h标定物 ；
16、步骤五：读取测针式水位仪读数，调节高速相机至测针高度，完成高速相机高度的粗调，根据高速相机视窗内的水面线和相机标定物的位置，继续微调高速相机的高度和焦距，使得水面线和相机标定物均清晰出现于视窗内；
17、步骤六：获取水面线图像后，将图像转化为灰度图像，采用阈值分割法对灰度图像进行二值化处理，以辨识图中空气、水体和相机标定物；
18、步骤七：采用matlab中bwboundaries函数获取二值化图像中的水面线轮廓和标定物轮廓，直接从图像中获取轮廓线上各点的像素坐标；
19、步骤八：以相机标定物体的一个拐角点为坐标原点，以机标标定物实际尺寸为参照，将图像中的像素坐标系转化为物理坐标系，将水面线上各点的像素坐标转化为物理坐标，通过比尺换算，获得枢纽下游水位；
20、步骤九：通过调节循环水槽下游尾门改变，直到；
21、步骤十：重复步骤四～步骤八，测量枢纽上游水位；
22、步骤十一：重复步骤三～步骤十，绘制一系列q试验-h试验上游散点，试验q试验应当在枢纽设计运行的下泄流量范围内从小到大依次取5～8个工况，q试验的取值应当包括设计流量的最小和最大值，得到枢纽的泄流能力曲线，并与q设计-h设计上游曲线进行对比，若试验得到的各下泄流量工况下h试验上游均低于h设计上游，说明枢纽泄流能力满足要求。
23、本发明的有益效果是：
24、本发明通过高速相机采集水面线图像，并通过机器视觉技术从图像中捕捉，且定量描述水面线，相比于传统的测针水位仪，本装置可准确、快速、同步获取水工模型一定范围内多个测点的水位数据，进而提高泄流能力测量过程中下游水位调节的效率和水位－流量关系曲线绘制的精度。
1.基于机器视觉的水工模型枢纽泄流能力测量装置，其特征在于，包括枢纽泄水闸模型、水面线捕捉系统和水面线图像后处理系统，
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的水工模型枢纽泄流能力测量装置，其特征在于，所述钢化玻璃水槽底部建筑有混凝土地基，混凝土地基上架设有底板，泄水闸闸墩设置在钢化玻璃水槽靠近上游端的位置。
3.根据权利要求2所述的基于机器视觉的水工模型枢纽泄流能力测量装置，其特征在于，所述泄水闸闸墩包括两个闸墩，两个闸墩之间的空间为一个闸孔，两个闸墩与对应侧的钢化玻璃水槽内壁之间的空间各为半个闸孔，用于模拟泄水闸2个闸孔的泄流过程，2个闸孔是指中间一个闸孔和两侧的半个闸孔，闸孔下方的底板称为闸底板。
4.根据权利要求3所述的基于机器视觉的水工模型枢纽泄流能力测量装置，其特征在于，所述闸墩、闸孔和闸底板共同构成闸室，位于闸室上游段的闸底板水平设置，闸底板下游侧接斜坡，称斜坡段为连接段，斜坡下游接的水平底板为消力池底板，连接段和消力池底板的纵向中心线上沿程布置有压强测点，底板下方靠近钢化玻璃水槽侧壁面的下方采用砖砌墙支撑，底板的纵向中心线下方为空心，布置压强测点的数据传输线。
5.根据权利要求1所述的基于机器视觉的水工模型枢纽泄流能力测量装置，其特征在于，所述测针式水位仪底部通过水管与水槽上游或下游底部相连，以获取上游或下游待测区域单点的水位，作为相机高度调节的参照高度。
6.根据权利要求1所述的基于机器视觉的水工模型枢纽泄流能力测量装置，其特征在于，所述激光水平仪为面光源，在钢化玻璃水槽边壁形成的激光水平线位于水面以下，相机标定物为矩形白色贴纸，贴纸的下边缘与激光水平线对齐贴于钢化玻璃水槽边壁。
7.基于权利要求1-6任一所述的基于机器视觉的水工模型枢纽泄流能力测量装置的水工断面模型枢纽泄流能力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
