Hidrológiai Közlöny 2008 (88. évfolyam)
5. szám - Gálai Antal: A web-kamerás folyami jégmegfigyelés alapjai
11 A web-kamerás folyami jégmegfigyelés alapjai Gálái Antal 6503. Baja, Mártonszállási út 4/A Kivonat: A web-kamerák lehetővé teszik egy folyó tetszőleges helyről való valósidejű megfigyelését. A kezdetben kézi, majd analóg eszközökkel folytatott dunai jégmegfigyelésnek Baján immáron 35 éves múltja van. A webkamerák elmúlt néhány évben gyűjtötte képi adatok feldolgozása újraindította az építőmérnöki alapismeretekre alapozott korai alak-felismerési, kamera kalibrációs és jégborítottság becslési módszerek továbbfejlesztését. Az eddig elért eredmények mind az oktatás, mind gyakorlati alkalmazás és a követhetőség/folytathatóság megkövetelte részletességig az alábbiakban közreadva találhatók. A rövid történeti visszatekintés és a módszerekhez felhasznált lineáris algebrai alapösszefüggések is megtalálhatók. Egy szabadalmazott új elvű kamera-kalibrációs módszer és alak-felismerési algoritmus használhatóságát a Duna bajai szelvényének felvételein illusztrálva érintettük, jégmegfigyelés, jégelháritás, fotogrammetria. Kulcsszavak: Bevezetés Az eredetileg építőmérnök bajai szerző kollégáinál egykoron picit mélyebbre gabalyodott a számítások, modellezés és oktatás világába. Jelen írás webkamerákkal foglalkozó demonstrációjának összefoglalója. Hazánkban idejét megelőző egyik 1982-es ötletem egy egyszerű s kis számításigényü alak-/minta-felismerési algoritmus volt, melyet később részletesebben terjesztettem ki zajló jég vizsgálatára, de a metódus csak hosszú idő múltával - ajegesedő folyók menti web-kamerák felállításának lehetőségével - vált fontossá. A web-kamerák felvételeire alapozott jégmegfigyelési és feldolgozási alkalmazáscsokor első eleme a kamera felvételeiből a jégfedettség értékét állapítja meg. Következő feladat a jég zajlásának megfigyelése, melyben az „individuális" jégtáblák alakfelismerésén vagy a teljes kép statisztikai elemzésén keresztül a jégzajlás elmozdulás és elfordulás kiszámításával jellemezzük a vízfelszín mozgását. Ennek statisztikai elemzése után lehet az eredményeken alapuló szimulációval - a kisminta-kísérletek költségeinél egy-két nagyságrenddel olcsóbban — a meder és egyéb rendelkezésre álló adat bevonásával az alvízi jégzajlást vizsgálni. Bármily furcsa is, a http://duna.baja.hu/ webkamera az adott helyen 3 évtizedes internet előtti hálózati múlttal rendelkezik, a Duna bajai hídszelvényénél a gabonasiló tetejéről az inventív hidrológus-matematikus dr. Zsuffa István 1971-ben fényképez(tet)ni kezdte a Dunán a mainál lényegesen gyakrabban és hevesebben zajló jeget. A fényképfelvételeket perspektivikusan torzított négyzetrács-hálón kézzel dolgozták fel, majd hamarosan a közeli városközpontban lévő védelmi központba kábelen továbbított képű TV kamerával kezdődtek meg a mai web-kamerás jégmegfigyelés előzményei, melynek analóg elektronikus kiértékeléséről a „Függelék"-ben rövid ismertető található. Jelen összefoglaló részletesebb és animált változata a http://www.water. hu/ice/ webcam/index.php?hu címen érhető el. Ma a jég megjelenésekor napokon vagy órákon belül kihelyezhetünk web-kamerákat, s a világhálón továbbított képe nem csak a helyi árvízi központokban, hanem egyben az egész világon válik elérhetővé. Az Axis 2120-as új kamera kihelyezésével számos, sok új lehetőséget lehetővé tevő, a nagy mennyiségű részletes vizuális információ tárolási módját és feldolgozását érintő kérdés merült fel, melyek megoldását az ADUKÖVIZIG-nél Ke ve Gábor mérnök [3] vezette csapat végzi. Magam a javaslattevésen túl esetenként oktatóként is felhasználom a web-kamerát, a 15-21 közötti korosztály körében a mérnöki- és természet-tudományok népszerűsítésében és terjesztésében mindig korábbi gyakorlatom „való világbéli" példáit használva kurzusaimban és rövidebb ismertetőkben egyaránt. Az érdeklődők figyelmét próbálom a kész irodai szoftver-alkalmazásokban is a programozás és modellezés iránt felkelteni, és az alkalmazás-fejlesztés irányába terelni. 1982-ben egy korai „asztali" komputerre, a lókByteos EMG666-ra kapcsolt TV kamera láttán ott rögtön ötlöttek eszembe építőmérnökként a következő gondolatok: E számítógépre kötött TV kamera jól felhasználható lenne - pl. folyók zajló jegénél való - mozgás követésre. Akkoriban, 1982-ben, a korábban hallott sejt-automatákról jutott eszembe: a jégtábla alakzatok kizáró, vagy müvelettel (XOR) való határvonal meghatározása. A jégtábla mozgások követéséhez az alapötletet a rudak kihajlása sugallta. Egy vonalzó pl. „tudja" merre hajoljon el, csavarodjon könnyebben, a kihajlás, elfordulás követi a keresztmetszet főtengelyeit, súlypontját, ergo ha mi követjük a jégtáblák súlypontját és főtengelyeit, akkor meghatározhatjuk az elmozdulás és elfordulásokat, sőt a változatlan jellemzők — kerület, felület, inerciák - lehetővé teszik a képen elmozdult, összekevert alakzatok felismerését is. Az ötlet-újdonság abból fakadt, hogy az egymást (pl. pár szekundummal) követő időpontok felvételein gyakorlatilag ugyanazon jégtáblák/alakzatok szerepelnek, de más pozíciókban. Tekintettel az alakzatok azon tulajdonságára, hogy a kerület, terület, a súlyponti főtengelyekre vonatkozó inerciák értéke a mozgás során koordináta-független, s változatlan, az egymást követő torzítatlan felvételek ugyanarra a jégtáblára vonatkoztatva a mozgás során ugyanazt a mennyiségi jellemzőket szolgáltatják. E 3-4, vagy akár több mennyiségi jellemző felismerési koordinátaként szolgálhat a képen fellelhető összes jégtáblára. Minden egyes képhez, s ezáltal időponthoz tartozó pontokat egy 3-4 dimenziós térben halmazként „ábrázolva", az egymást követő halmazok egymással azonos, vagy legközelebbi pontjait összerendelhetjük, s ezzel a mintaillesztési móddal egy jégfelismerési vagy akár OCR algoritmus alapjaihoz jutunk. Bár később számtalan egyéb innovatív ötletet fejlesztettek, nehéz találni ennél egyszerűbbet és frappánsabbat, mely ennél kevesebb előismeretet igényelne, ezért is ez a jól használható ötlet illik legjobban a komputeres látás bevezető ismertetőjének. A kép „felületén" képezve a dA ; Yy dA ; dA ; Yy 2 dA és Yxy dA. (ahol dA „végtelen" kicsivé váló/választható területegység, esetünkben a pixel) megkapjuk a súlypontot, s a többi szükséges jellemzőket. A felület, az első és másodrendű inerciák, a súlypont és a főtengelyek iránya az integrálközelítő összegekből meghatározható.
