海洋潮位計量是關(guān)于潮位測量的科學(xué)，實現(xiàn)海洋潮位單位統(tǒng)一、量值準確可靠是我國潮位測量的主要目標之一。目前常用的潮位測量方法主要有GPS法、遙感法、壓力法、聲學(xué)法、激光法和圖像法等[1-6]。我國水利部水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心的10 m潮位檢測裝置，其檢測精度優(yōu)于3 mm，但是該裝置不能實現(xiàn)潮位的實時自動測量。四川省水文水資源勘測局的潮位檢測裝置的檢測范圍為0～10 m，允許誤差為±2 mm，雖然測量精度有所提高，但依然無法實現(xiàn)實時檢測和自動檢測。國家海洋標準計量中心的海洋潮位檢定計量裝置的檢測范圍為0～8 m，允許誤差為±2 mm。雖然該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)自動檢測，但仍無法實現(xiàn)潮位的實時測量。本文基于以TI公司的TMS320DM642（以下簡稱DM642）數(shù)字信號處理器為核心處理器的海洋潮位檢測系統(tǒng)，采用嵌入式軟件的方式對來自電荷耦合元件CCD（Charge-Coupled Device）的海洋潮位視頻信息進行處理，并制作了試驗樣機進行相關(guān)試驗。試驗結(jié)果表明，該樣機可在保持較高測量精度的基礎(chǔ)上對潮位視頻信息進行高速采集、實時處理及自動識別，基本彌補了原有潮位檢測裝置精度低、非自動、非實時的不足，在技術(shù)上具有一定的先進性。同時，本研究成果可為濱海旅游、工程建設(shè)等業(yè)務(wù)帶來重要的經(jīng)濟效益，對海洋預(yù)報、科學(xué)研究和國防建設(shè)等公益性事業(yè)具有較高的社會效益。
1 潮位檢測裝置工作流程
    海洋潮位檢測裝置主要由水塔、儲水池、電機控制系統(tǒng)、潮位信息獲取裝置（CCD）和圖像處理系統(tǒng)（DSP）等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。檢測裝置工作流程為：海洋潮位檢測裝置通過電機控制進/排水閥模擬海水漲/落潮，以透明軟管中的水位模擬海洋潮位，由CCD自動獲取實時潮位圖像，利用圖像處理技術(shù)通過鋼尺的刻度獲取實時水位值。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計
    海洋潮位檢測裝置軟件系統(tǒng)包括嵌入式軟件和上位機軟件兩部分，其中嵌入式軟件用于控制DM642芯片實現(xiàn)潮位識別功能，上位機軟件用于完成潮位值的實時顯示、存儲與回放等功能。軟件系統(tǒng)設(shè)計流程圖如圖2所示。
2.1 嵌入式軟件設(shè)計
    嵌入式軟件設(shè)計在TI公司提供的集成代碼開發(fā)環(huán)境CCS(Code Composer Studio)下進行，主要完成圖像預(yù)處理和潮位識別兩個任務(wù)。CCD獲取的視頻采用PAL制式，每幀圖像576行，每行720個像素。
    (1)圖像預(yù)處理
    首先，對圖像進行中值濾波[7]。中值濾波本質(zhì)上是一種統(tǒng)計排序濾波器，對于原圖像中的某點(x，y)，中值濾波選擇以該點為中心的鄰域內(nèi)所有像素的統(tǒng)計排序中值作為(x，y)點的響應(yīng)，如式(1)所示：
  
    本文采用3×3的結(jié)構(gòu)元素對二值圖像反復(fù)進行腐蝕和膨脹操作，從而可以消除二值圖像噪聲，形成粗細適中的潮位線、軟管邊界線和鋼尺邊界線，以方便后續(xù)的潮位識別處理。
    (2)潮位識別
    潮位識別過程簡述如下。
    ①設(shè)計并初始化數(shù)字特征模板。根據(jù)鋼尺長度和刻度數(shù)字分布，確定數(shù)字特征模板的樣本數(shù)。每個數(shù)字樣本選取25個特征，由此得到數(shù)字樣本的特征模板。
    ②計算每個像素實際代表的物理長度。根據(jù)整幅圖像豎直方向的像素個數(shù)m和顯示屏的高度x，每個像素實際代表的物理尺寸k可由式（5）求得：
    k=x/m (mm)                                                      (5)
    ③獲取鋼尺邊界、軟管邊界和潮位線。由于此時的處理對象為二值圖像，因此，邊界提取較為簡單。如果圖像相鄰兩個像素的灰度值相等，則表示此處不存在邊界；反之，若灰度值不相等，則表示此像素即為一個邊界像素點，遍歷判斷所有像素點即可獲取鋼尺邊界、軟管邊界及潮位線。
    ④鋼尺刻度數(shù)字圖像獲取。尋找鋼尺上處于潮位線下方的第一個數(shù)字的邊界，從而提取刻度數(shù)字的圖像，進而獲取鋼尺刻度數(shù)字的數(shù)字特征。
    ⑤數(shù)字特征匹配。將第④步中獲取的鋼尺數(shù)字特征與模板中所有數(shù)字的數(shù)字特征進行比對，按照最小距離法確定鋼尺數(shù)字，從而確定潮位的粗略高度，即水位線的厘米值數(shù)字h0（cm）。
    假定count為兩個樣本數(shù)字特征之間的距離且初始值為0，s1為鋼尺刻度數(shù)字樣本，s2模板數(shù)字樣本，則鋼尺數(shù)字樣本與模板中某一樣本距離的計算方式如下：
    for(i=0;i<24;i++)
        {
        count+=(s1[i]-s2[i])*(s1[i]-s2[i]);
    }
    ⑥潮位值獲取。根據(jù)每個像素實際代表的長度k及鋼尺數(shù)字（h0）的水平中心位置至潮位線的像素數(shù)n，利用式（6）求出自鋼尺數(shù)值水平中心至潮位線的高度h1：
    

    (1)void CMy1Dlg：：OnButtonread()，打開串口，開始讀取數(shù)據(jù)。
    (2)void CMy1Dlg：：OnButtonstop()，停止讀取，關(guān)閉串口，結(jié)束數(shù)據(jù)讀取過程。
    (3)void CMy1Dlg：：ProcessDis(CString s)，對接收數(shù)據(jù)進行處理，并對小數(shù)點位進行設(shè)置，以確保滿足測量精度指標。
    (4)void CMy1Dlg：：OnButtonsave()，選擇保存路徑。
    (5)void CMy1Dlg：：OnButtonopen()，查看存儲數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的回放，方便后續(xù)的圖像處理。
3 試驗數(shù)據(jù)分析
    為了全面評價基于DSP的海洋潮位檢測裝置的檢測效果，對試驗樣機進行了準確性和穩(wěn)定性測試。試驗在實驗室正常溫度和光照（含打開/關(guān)閉室內(nèi)燈光）條件下進行，測量潮位高度范圍為0～8 m。
    CCD獲取的潮位視頻信息如圖4所示，圖中水平橫線為潮位線，左側(cè)是與水塔相連的透明軟管，右側(cè)是用于標定潮位值的鋼尺。系統(tǒng)運行后，圖3所示的上位機軟件界面中，左側(cè)顯示檢測裝置的實時測量潮位值及測量時刻，右側(cè)顯示潮位曲線圖。

3.1 準確性評價
    檢測裝置的準確性可用示值誤差E進行評價。示值誤差越小，表示樣機準確性越高。若標準計量裝置獲取的潮位值（即標準值）為X，樣機示值為x，則示值誤差可由式（8）求得：
    E=x-X(8)
    試驗選取了0 m、1 m、2 m&hellip;8 m共9個試驗點位，分為潮位上升和下降兩個過程進行試驗，試驗結(jié)果如表1所示。

    由試驗結(jié)果可以看出，樣機的最大示值誤差絕對值為1.5 mm，優(yōu)于目前海洋潮位計量檢定的準確度標準（&plusmn;2 mm）。
3.2 穩(wěn)定性評價
    檢測裝置的穩(wěn)定性可用標準偏差&sigma;進行評價，標準偏差越小，表示樣機示值的樣本值越接近平均值，從而其穩(wěn)定性越高。若樣機示值的樣本值為xi，均值為&mu;，每個試驗點位進行重復(fù)測試的次數(shù)為N，則標準偏差可由式（9）求得：
  
    選取2 m、4 m和7 m共3個試驗點位進行試驗，每個點位分別在潮位上升和下降兩個階段各重復(fù)檢測10次，即N=10，試驗結(jié)果如表2所示。

    由試驗結(jié)果可以看出，樣機的最大標準偏差為0.54 mm，檢測裝置的穩(wěn)定性良好。
    本研究將DSP技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用于海洋計量檢測領(lǐng)域，在實驗室環(huán)境下，潮位檢測裝置可檢測的潮位變化范圍為0～8 m，檢測最大示值誤差為1.5 mm，最大標準偏差為0.54 mm，性能較國內(nèi)現(xiàn)有同類系統(tǒng)有較大幅度提升。研究成果實現(xiàn)了實時、自動、高精度的潮位檢測，對提高我國海洋潮位觀測水平有一定的促進作用，應(yīng)用前景較為廣泛。但是，本文代碼包含的子函數(shù)和變量較多，函數(shù)間引用關(guān)系較為復(fù)雜，所以對運行速度和效率造成較大壓力。為進一步提高運行速度和檢測精度，需要對算法和代碼進行優(yōu)化。
參考文獻
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