專利名稱：基于交會攝影的橋梁水域船舶通航安全預(yù)警設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于船舶交通管理設(shè)備，具體是一種基于交會攝影的橋梁水域船舶通航安全預(yù)警、防撞設(shè)備。
背景技術(shù)：
國際上對橋區(qū)船舶航行安全問題的研究始于20世紀(jì)60年代，最初進(jìn)展緩慢，研究領(lǐng)域較小，未受到廣泛關(guān)注。1980年美國的陽光大橋被一艘散裝貨輪撞塌，造成35人死亡，直接經(jīng)濟損失超過25000萬美元，該事故喚醒了各界對橫跨通航水域橋梁安全的重視，很多國家都相繼開始開展這方面的研究和探索，使該方面的研究進(jìn)入了一個嶄新的時代。1983年，國際橋梁和結(jié)構(gòu)工程協(xié)會IABSE在哥本哈根舉行了基于船撞橋問題的橋 梁合理設(shè)計與分析專題的國際研討會，這是國際上第一次以此為專題的研討會。這次會議標(biāo)志著船撞橋問題在世界范圍內(nèi)的橋梁界得到了廣泛重視，此后，美國、歐洲的許多國家都針對船撞橋問題編制了橋梁設(shè)計規(guī)范或相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。1995年，國際航海協(xié)會常務(wù)會議PIANC成立了專門從事船撞橋事故的研究工作的第19工作小組，這是航運界第一次組織國際性的船撞橋問題專題研究。該小組經(jīng)過5年的工作，建立了一個包括151起船撞橋事故的國際數(shù)據(jù)庫，并對事故的原因等進(jìn)行了統(tǒng)計分析。至此，船撞橋問題已經(jīng)不只為橋梁設(shè)計、建筑界所重視，而且航運界也已開始重視這方面的研究工作。我國對船撞橋問題的研究主要是在20世紀(jì)90年代以后進(jìn)行的。部分專家學(xué)者結(jié)合黃石長江大橋、汕頭海灣跨海大橋、伶仃洋大橋、蘇通長江大橋等項目進(jìn)行了橋梁防船撞設(shè)施的試驗研究與實踐，對船撞力的計算、橋墩水域流場對船舶航行安全的影響等進(jìn)行了研究。同時，海事和航運等部門的專家對區(qū)域的船撞橋事故也進(jìn)行了一些研究工作。在此基礎(chǔ)上，鐵道部于1999年頒布了《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》，給出了設(shè)計船舶撞擊力的計算公式。交通部在2004年頒布的《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》中，將船舶分為輪船和內(nèi)河駁船兩類，分別根據(jù)航道等級列表給出了設(shè)計船舶撞擊力。2006年，陳國虞、王禮立等人在長期研究與實踐的基礎(chǔ)上編著出版了《船撞橋及其防御》，這是我國第一部有關(guān)船撞橋問題的專著。書中對防御船撞橋的歷史及現(xiàn)狀、船撞力、船撞概率以及橋梁防護(hù)等問題做了較全面的介紹。所有上述研究都是從被動保護(hù)橋梁的角度出發(fā)，目的是降低船撞橋事故的損失，都不具備主動預(yù)防事故的能力。目前，面對船撞橋問題時的關(guān)注點大都放在了橋梁上，而對船舶安全缺乏足夠重視，在主動預(yù)防措施上的研究較少，主要集中在以下幾個方面導(dǎo)航標(biāo)、船舶航行定線制、船載自動識別系統(tǒng)(AIS)和船舶交通管理系統(tǒng)(VTS)等。其中導(dǎo)航標(biāo)是保障水上交通安全的最基本設(shè)施，是供船舶定位、引導(dǎo)船舶航行、表示警告或者指示礙航物的助航設(shè)施，規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)航標(biāo)有助于提高船舶通過橋區(qū)的安全系數(shù)，如國際航標(biāo)協(xié)會(IALA)推薦標(biāo)準(zhǔn)《關(guān)于可航行水道上固定橋梁標(biāo)志的建議》(1987-5-14)。2007年我國交通部在對照和借鑒了美國、歐洲和日本等發(fā)達(dá)國家標(biāo)準(zhǔn)和聽取航海專業(yè)人員的意見后，頒布了《中國海區(qū)可航行水域橋梁助航標(biāo)志》(試行)，這是我國首部國家規(guī)范，旨在規(guī)范我國沿?？珊叫兴驑蛄褐綐?biāo)志的設(shè)置和管理，保障橋區(qū)船舶航行及橋梁安全。對于船舶的航行安全，導(dǎo)航標(biāo)只起到指示作用。在船舶實時自動監(jiān)控方面基于船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)和船舶交通管理系統(tǒng)(VTS)使用較廣。海事部門利用AIS/VTS對部分船舶的航行行為進(jìn)行監(jiān)控，并提供航行服務(wù)，以便增進(jìn)船舶交通安全，提高交通效率，保護(hù)水上環(huán)境。在AIS/VTS監(jiān)控水域內(nèi)，這種監(jiān)控及服務(wù)能與交通相互作用并對交通形勢變化作出反應(yīng)。自1982年我國在寧波建設(shè)了首個VTS系統(tǒng)以來，已在在沿海、長江、珠江等水域和港口相繼建成30多個VTS系統(tǒng)。國內(nèi)外大量事實已經(jīng)證明AIS/VTS系統(tǒng)是提高橋區(qū)船舶航行安全的有效措施之
一。據(jù)統(tǒng)計，管理人員可充分利用AIS/VTS雷達(dá)監(jiān)控優(yōu)勢將其管理范圍內(nèi)因違章和操作不當(dāng)所造成的碰撞等事故減少60%以上。管理人員利用VTS可以做到(I)實施合理的交通組織管理，指揮船舶有序進(jìn)出，特別是在霧季和臺風(fēng)來臨期間，及時組織船舶通過大橋；
(2)實時掌握船舶在大橋附近水域的動態(tài)，合理利用現(xiàn)有資源，提高大橋橋下航道利用率，為霧季、防臺風(fēng)應(yīng)急錨泊做好準(zhǔn)備；(3)實時監(jiān)控船舶在大橋下航道的狀況，發(fā)現(xiàn)其偏離航道，及時提醒，并采取相應(yīng)的應(yīng)急措施；(4)通過VHF及時播發(fā)危險天氣信息，提醒船舶注意安全。AIS/VTS雖然在水上交通安全方面發(fā)揮了極其重要的作用，但其作用受到一定局限，一是VTS監(jiān)控系統(tǒng)安裝及運行維護(hù)所需要的經(jīng)費很大，目前我國只在沿海及長江干線上建設(shè)了 VTS系統(tǒng)，其它內(nèi)河水域橋梁周邊的船舶航行情況無法利用VTS監(jiān)控；二是AIS/VTS不能實現(xiàn)對船舶高度的監(jiān)控，對船舶或船舶上的人員因超高撞橋不能預(yù)警；三是AIS/VTS雖然能對船舶偏離航線進(jìn)行預(yù)警，但控制精度受雷達(dá)精度約束，大致在20米 40米，無法滿足預(yù)防船橋碰撞事故的要求。綜上所述，在主動預(yù)防事故能力上，不論是導(dǎo)航標(biāo)還是AIS/VTS系統(tǒng)都存在極大缺陷，都難以預(yù)警船撞橋事故，因此，借助高新技術(shù)，研制開發(fā)一種有針對性、能實現(xiàn)自動預(yù)警的通航助航系統(tǒng)，對提高橋區(qū)通航安全系數(shù)，減少事故發(fā)生率具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對目前船撞橋事故中存在的人員失誤因素，提供一種基于交會攝影的橋梁水域船舶通航安全預(yù)警設(shè)備。即利用先進(jìn)的圖像處理技術(shù)、AIS技術(shù)和計算機技術(shù)，研究開發(fā)基于紅外圖像和AIS監(jiān)控的船舶航行安全預(yù)警設(shè)備及系統(tǒng)，對可能發(fā)生船橋碰撞事故的船舶提前預(yù)警，達(dá)到防范于未然的目的。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種基于交會攝影的橋梁水域船舶通航安全預(yù)警設(shè)備，包括檢測設(shè)備、計算機系統(tǒng)、顯示設(shè)備、AIS設(shè)備；檢測設(shè)備包括多臺紅外熱成像儀，形成交會攝影測量系統(tǒng)；計算機系統(tǒng)對檢測設(shè)備采集到的序列圖像進(jìn)行處理，并計算發(fā)現(xiàn)需要預(yù)警的船舶；顯示設(shè)備包括對所述具有碰撞危險的船只發(fā)送AIS警告信息的設(shè)備，以及直接對駕船人員進(jìn)行警告的設(shè)備；AIS設(shè)備用于獲取交會攝影測量系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的具有碰撞危險的船只的AIS信息。如上所述的一種基于交會攝影的橋梁水域船舶通航安全預(yù)警設(shè)備，其中所述計
5算機系統(tǒng)進(jìn)行如下步驟的工作(I)接收來自船舶的AIS信息；(2)在AIS數(shù)據(jù)庫中繪制進(jìn)入預(yù)警區(qū)域的船舶航跡圖；
(3)使用紅外熱成像儀對預(yù)警區(qū)域監(jiān)控，并跟蹤計算船舶信息；(4)發(fā)現(xiàn)需要預(yù)警的船舶；(5)使用紅外識別船舶信息匹配監(jiān)控區(qū)域中的船舶航跡；(6)獲取需要預(yù)警船麗SI碼；(7)利用AIS設(shè)備通知船舶預(yù)警，并進(jìn)行區(qū)域廣播，同時通過網(wǎng)絡(luò)通知橋區(qū)管理處。如上所述的一種基于交會攝影的橋梁水域船舶通航安全預(yù)警設(shè)備，其中所述交會攝影測量系統(tǒng)采用多臺紅外熱成像儀協(xié)同工作，具體步驟如下(b. I)利用外部同步信號使多紅外熱成像儀時間同步；(b. 2)獲取實際圖像；(b. 3)使用同一目標(biāo)的特征點進(jìn)行不同紅外熱成像儀圖像匹配；(b. 4)實現(xiàn)多紅外熱成像儀協(xié)同工作。如上所述的一種基于交會攝影的橋梁水域船舶通航安全預(yù)警設(shè)備，其中在所述多臺紅外熱成像儀協(xié)同工作基礎(chǔ)上識別船舶信息，其過程包括如下步驟(c. I)進(jìn)行運動船舶識別；(c. 2)在同一成像儀不同時刻獲取的同一船舶上選擇特征點；(c. 3)根據(jù)不同船舶紅外溫度分布場特征實現(xiàn)不同船舶特征點的分辨與跟蹤；(c. 4)獲取多幀圖像；(c. 5)根據(jù)成像儀拍攝幀速、成像儀角度、成像儀位置，結(jié)合所述多幀圖像信息，得到船舶速度、航向、高度信息。如上所述的一種基于交會攝影的橋梁水域船舶通航安全預(yù)警設(shè)備，其中所述船舶特征點提取的具體方法如下(d. I)對圖像進(jìn)行局域自適應(yīng)閾值分割、提取目標(biāo)和計算脫靶量；(d. 2)根據(jù)輸入圖像與預(yù)先存儲的模板圖像的相關(guān)關(guān)系確定目標(biāo)位置將預(yù)先選定的目標(biāo)作為匹配模板，求取模板和輸入圖像間的相關(guān)函數(shù)，然后找出相關(guān)函數(shù)的峰值和峰值所在位置，匹配方法為目標(biāo)輪廓匹配、二值圖像匹配、全灰度層次相關(guān)匹配或序列相似檢測法。如上所述的一種基于交會攝影的橋梁水域船舶通航安全預(yù)警設(shè)備，其中所述計算機系統(tǒng)對紅外熱成像儀獲取序列圖像進(jìn)行如下步驟(a. I)首先進(jìn)行圖像預(yù)處理，其過程包括如下步驟(a. I. I)非線性預(yù)處理去除圖像噪聲；(a. I. 2)自適應(yīng)平臺直方圖均衡化圖像增強；(a. I. 3)頻域子帶圖像增強；(a. I. 4)空域平滑濾波處理水波紋；(a. 2)然后進(jìn)行運動目標(biāo)識別，其過程包括如下步驟(a.2. I)數(shù)學(xué)形態(tài)提取法排除虛假目標(biāo)并實現(xiàn)遠(yuǎn)距離若目標(biāo)提??；(a. 2. 2)剪影法去除背景完成運動目標(biāo)檢測；(a. 2. 3)結(jié)合船舶輪廓特征、運動特征與灰度特征實現(xiàn)重疊目標(biāo)分離；(a. 2. 4)實現(xiàn)水面背景下運動船舶紅外成像識別。本發(fā)明的優(yōu)點在于提供利用先進(jìn)的圖像處理技術(shù)、AIS技術(shù)和計算機技術(shù)的基于交會攝影的橋梁水域船舶通航安全預(yù)警設(shè)備，對可能發(fā)生船橋碰撞事故的船舶提前預(yù)警，達(dá)到防范于未然的目的。
本發(fā)明所述方案符合橋梁環(huán)境，滿足全天候信息發(fā)布需求；普通天氣及夜間對超高船舶判別率能達(dá)到98%、對非超高船舶誤報率低于10% ;研究提出的AIS船舶航跡監(jiān)測方法，對偏航船舶的判別率能達(dá)到98%、對非偏航誤報率低于10%。本發(fā)明從源頭上遏制了船舶為主體的水上交通事故的發(fā)生，保障了船只、人員和橋梁的安全，在國民發(fā)展中起到減少社會經(jīng)濟損失的作用。


圖I是本發(fā)明所述設(shè)備的整體組成結(jié)構(gòu)示意圖；圖2使用紅外熱成像儀對船舶超高、偏航信息自動提取的設(shè)備的組成；圖3是本發(fā)明所述設(shè)備的工作流程圖；圖4水面背景下運動船舶紅外成像識別過程；圖5普通視頻相機和紅外熱成像相機所成圖像的對比；圖6(a) (C)是圖像預(yù)處理效果圖，其中，圖6 (a)是原始圖，圖6 (b)為預(yù)處理圖，圖6(C)為增強圖；圖7原始圖像和經(jīng)過多次處理后的圖像，其中，左上角為原始圖像，右下角為最終圖像；圖8背景圖像；圖9是船舶的原圖像；圖10是使用剪影法分割處理后的船舶剪影圖像；圖11是對圖9所示的剪影圖像進(jìn)行增強的圖像；圖12進(jìn)行運動邊緣輪廓提取后的運動部分邊緣圖像；圖13是將圖11所示圖像進(jìn)行二值化；圖14采用內(nèi)部融合等方式處理后的目標(biāo)船舶實體圖像；圖15是帶傾角安裝的交會攝影系統(tǒng)示意圖；圖16是帶傾角安裝的交會攝影系統(tǒng)測量模型；圖17多紅外熱成像儀的協(xié)同運行過程；圖18船舶位置與運動信息監(jiān)測過程。其中，I紅外熱成像儀、2攝像設(shè)備、3計算機系統(tǒng)、4顯示設(shè)備。
具體實施例以下，結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明提供的一種基于交會攝影的橋梁水域船舶通航安全預(yù)警設(shè)備做進(jìn)一步的描述。如圖I所示，一種基于交會攝影的橋梁水域船舶通航安全預(yù)警設(shè)備包括檢測設(shè)備、計算機系統(tǒng)、顯示設(shè)備、AIS設(shè)備；檢測設(shè)備包括紅外熱成像儀，形成交會攝影測量系統(tǒng)；計算機系統(tǒng)對檢測設(shè)備采集到的序列圖像進(jìn)行處理，并計算發(fā)現(xiàn)需要預(yù)警的船舶；AIS(船舶自動識別系統(tǒng))設(shè)備用于獲取交會攝影測量系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的具有碰撞危險的船只的AIS信息；顯示設(shè)備包括對所述具有碰撞危險的船只發(fā)送AIS警告信息的設(shè)備，以及直接對駕船人員進(jìn)行警告的設(shè)備，例如可以包括顯示器、VHF (甚高頻)、喇叭、探照燈等。如圖2所示，在使用紅外熱成像儀進(jìn)行圖像采集的時候，涉及到的硬件部分構(gòu)成如圖所示的閉環(huán)控制系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)通過電控系統(tǒng)、承載平臺控制紅外熱成像儀，并通過圖像采集卡采集紅外熱成像儀輸出的圖像。檢測設(shè)備得到的關(guān)于船舶的信號，傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng)，由計算機系統(tǒng)進(jìn)行處理，如圖像處理，軌跡運算等等，再顯示設(shè)備顯示相關(guān)信息。并且，根據(jù)運算處理結(jié)果判斷是否存在船橋碰撞的危險，在存在危險時，通過顯示設(shè)備進(jìn)行報警，通知目標(biāo)船只進(jìn)行規(guī)避，并同時通知橋區(qū)交通管理人員。工作過程如圖3所示，船舶進(jìn)入預(yù)警區(qū)域后，計算機系統(tǒng)利用橋區(qū)AIS設(shè)備收到船舶信息并在AIS數(shù)據(jù)庫中建立船舶航跡路徑，同時紅外監(jiān)控設(shè)備(即紅外熱成像儀)跟蹤計算船舶信息(通常船舶速度、航向、高度)；通過分析船舶航跡變化以及當(dāng)前船舶航行信息，計算機系統(tǒng)能夠直接發(fā)現(xiàn)需要預(yù)警船舶，并匹配AIS航跡，通過AIS或高音喇叭、探照燈、VHF等通知船舶規(guī)避碰撞風(fēng)險。更具體地，可分為如下步驟(I)通過AIS設(shè)備接收來自船舶的AIS信息，AIS信息為船舶根據(jù)速度以及船型按照AIS通信規(guī)范對基站和其他船舶廣播的自身信息；(2)在AIS數(shù)據(jù)庫中繪制進(jìn)入預(yù)警區(qū)域的船舶航跡圖；(3)使用紅外熱成像儀對預(yù)警區(qū)域監(jiān)控，并跟蹤計算船舶信息；(4)發(fā)現(xiàn)需要預(yù)警的船舶；(5)使用紅外識別船舶信息匹配監(jiān)控區(qū)域中的船舶航跡；AIS雖然能夠獲取船舶的位置和身份編號，但它并不能知道是哪艘船偏高，而多紅外熱像儀船舶監(jiān)測設(shè)備雖然能獲取船舶的位置、尺度和是否超高，但并不能獲知船舶的身份。因此，如果需要利用AIS設(shè)備預(yù)警超高船舶，就必須通過位置匹配算法將AIS的船舶位置信息和紅外熱像儀設(shè)備測量的船舶位置信息匹配起來，從而將船舶的超高預(yù)警信息和身份編號對應(yīng)起來，最終實現(xiàn)點對點的信息發(fā)布。(6)獲取需要預(yù)警船麗SI碼；(7)利用AIS設(shè)備通知船舶預(yù)警，并進(jìn)行區(qū)域廣播，同時通過網(wǎng)絡(luò)通知橋區(qū)管理處；計算機系統(tǒng)將需要發(fā)布的信息，以及發(fā)布對象的信息發(fā)送到發(fā)布設(shè)備。當(dāng)檢測到目標(biāo)船舶存在撞橋危險之后，預(yù)警系統(tǒng)必須能在最短的時間內(nèi)將預(yù)警信號發(fā)送給目標(biāo)船舶，同時還應(yīng)該將報警信息發(fā)送到橋梁管理部門。為了保證報警信息的迅捷有效，具有定向傳輸能力的點對點通訊設(shè)備是最佳的選擇。目前，在船舶上使用的最有效的點對點傳輸設(shè)備就是AIS。通過橋梁上安裝的AIS設(shè)備，在發(fā)現(xiàn)船舶出現(xiàn)撞橋可能性時，預(yù)警系統(tǒng)將立刻通過AIS設(shè)備向該船舶發(fā)出預(yù)警信息。雖然AIS的功能非常優(yōu)異，但只有在船舶也安裝了 AIS的情況下才能產(chǎn)生作用，對于沒有安裝AIS設(shè)備的船舶，只能通過電動云臺帶動定向射燈進(jìn)行定向光閃爍來解決點對點通訊問題。在船舶進(jìn)入預(yù)警區(qū)域后，檢測設(shè)備就能夠采集到相關(guān)的船舶圖像信息。如圖4所示，對于檢測設(shè)備采集到的序列圖像，計算機系統(tǒng)進(jìn)行如下步驟，完成在預(yù)警區(qū)域內(nèi)對目標(biāo)的識別。步驟(a. I)圖像預(yù)處理，分為(a. I. I)溫度場非線性校正預(yù)處理
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根據(jù)實際的物理規(guī)律和現(xiàn)象，在紅外成像系統(tǒng)中，相鄰行之間的溫度變化很小，由溫度場變化引起的灰度變化在相鄰行中的變化也很小，所以相鄰行之間的灰度有很強的相關(guān)性。因此采用行均值相減的方法，可以抑制溫度場的非線性影響。即式中 ^為原始圖像灰度值；為上一行的灰度均值；f, u為行均值相減后的灰度值。(a. I. 2)濾波去噪采用中值濾波算子對溫度場非線性校正預(yù)處理后的圖像進(jìn)行濾波去噪處理。(a. I. 3)自適應(yīng)平臺直方圖均衡化平臺直方圖是對直方圖的一種修正，通過選擇合適的平臺閾值T，對統(tǒng)計直方圖進(jìn)行修正。如果某灰度級的直方圖值大于平臺閾值T，將其直方圖值置為T，如果直方圖值小于T，則保持不變。平臺直方圖均衡化與直方圖均衡化相似，在直方圖均衡化中，由統(tǒng)計直方圖得到圖像的累積直方圖，而在平臺直方圖均衡化中，由平臺直方圖得到圖像的累積直方圖。當(dāng)平臺值T足夠大時，平臺直方圖均衡化轉(zhuǎn)化為統(tǒng)計直方圖。平臺值的選取是平臺直方圖均衡化的關(guān)鍵。考慮到迭代算法中計算量大，而且初始值需要憑經(jīng)驗選擇，采用一種基于直方圖的自適應(yīng)平臺值選擇方法，實現(xiàn)自適應(yīng)平臺直方圖均衡化。(a. I. 4)頻率子帶圖像增強頻域子帶圖像增強是對空域平臺直方圖均衡化的一個有效補充。子帶增強法是在小波分解與精確重建的基礎(chǔ)上，對每個分解層的圖像進(jìn)行線性運算處理，即圖像被分解為不同頻帶(子帶)的變換系數(shù)，根據(jù)所需要的子帶成份進(jìn)行增強，然后再經(jīng)過小波逆變換重建圖像。對濾波后的圖像做二維小波分解，圖像的概貌主要體現(xiàn)在低頻部分，而細(xì)節(jié)則體現(xiàn)在高頻部分，可以通過對高頻分解系數(shù)進(jìn)行增強處理，達(dá)到增強圖像輪廓線的作用。為了增強各子帶頻率成份引入增益系數(shù)。增強算法的設(shè)計可以充分利用小波分析的局部化特性，更加有效地提高圖像增強的質(zhì)量。對于平臺直方圖均衡的增強圖像，小波能較好地解決其中的噪聲放大問題，并能非線性地增強圖像的細(xì)節(jié)信息，保持圖像的邊緣特征。圖5表示了普通成像和紅外成像的區(qū)別。圖6表示了整個圖像預(yù)處理過程中圖像的變化，圖6 Ca)是一幅復(fù)雜背景下紅外原始圖像，圖像預(yù)處理效果如圖6 (b)、圖6 (C)所示。為更好的識別目標(biāo)可進(jìn)行如下步驟步驟(a. 2)運動目標(biāo)識別，分為(a. 2. I)對于復(fù)雜背景圖像，使用數(shù)學(xué)形態(tài)提取法對于背景更為復(fù)雜的圖像，采用數(shù)學(xué)形態(tài)提取法來排除虛假目標(biāo)干擾，從中提取出真正的目標(biāo)信息。圖像中的目標(biāo)信息和虛假目標(biāo)有可能會在灰度上不相上下，難以區(qū)別，只有利用
9幾何特性進(jìn)行判定。由于真正的目標(biāo)在幾何特性上和虛假目標(biāo)有區(qū)別，一般地，要跟蹤的目標(biāo)是條形或點狀，其邊緣比較規(guī)則；而背景中的建筑物、山和天空中的云等虛假目標(biāo)幾何形狀復(fù)雜不規(guī)則，邊緣不平滑。基于這一點，可采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的方法來提取真正的目標(biāo)信息，具體算法如下首先用條形或點狀結(jié)構(gòu)元素，對圖像進(jìn)行Top-Hat形態(tài)濾波處理，抑制大面積連 續(xù)分布的云團(tuán)、山等背景雜波干擾，提取出形狀類似于結(jié)構(gòu)元素并位于高亮度區(qū)的孤立目標(biāo)；然后針對殘留假目標(biāo)的特點，用長方形結(jié)構(gòu)元素對圖像進(jìn)行腐蝕運算，除去由背景雜波形成的大量虛假目標(biāo)；接著用條形或點狀結(jié)構(gòu)元素，對圖像進(jìn)行膨脹運算，獲得少量的目標(biāo)候選點；最后搜索所有的局部極大值，確定閾值即可分割出目標(biāo)。經(jīng)上述方法處理后，圖像的灰度級大大減少，而且差異較大，使得目標(biāo)分割閾值的選擇非常容易和簡單。對于目標(biāo)識別階段來說，可以通過圖像上的目標(biāo)指定區(qū)域來避免區(qū)域外虛假目標(biāo)的干擾，通過處理圖像中某一有用區(qū)域，可以有效避開大部分的干擾。針對復(fù)雜背景下遠(yuǎn)距離弱目標(biāo)的提取，在目標(biāo)識別跟蹤測量系統(tǒng)中，通過對圖像的噪聲濾除、圖像拉伸、對比度增強等處理，使對弱小目標(biāo)更易于提取。圖7表示了原始圖像和采用數(shù)學(xué)形態(tài)提取法處理后的效果。(a. 2. 2)為獲得更好的效果，可使用剪影法減去背景完成運動目標(biāo)檢測，然后對運動部分做圖像分割，增強，和形狀分析。(a. 2. 3)結(jié)合船舶輪廓特征、運動特征與灰度特征實現(xiàn)重疊目標(biāo)分離；進(jìn)而實現(xiàn)水面背景下運動船舶紅外成像識別。剪影法處理效果如圖8至圖14所示。由于單個攝像機(即單個紅外熱成像儀)的視場角總是有限的，并且不能進(jìn)行距離等參數(shù)的測量，最好需要采用多攝像機(即多臺紅外熱成像儀)構(gòu)成交會攝影測量系統(tǒng)。多臺攝像機的安裝位置與監(jiān)測區(qū)域有關(guān)。在攝像機的安裝范圍有限的情況下，即監(jiān)測范圍有限的情況下，可以根據(jù)橋區(qū)預(yù)警觀測線的距離計算安裝夾角，使預(yù)警區(qū)域的設(shè)置與盲區(qū)的大小之間取得平衡。本實施例中，以兩臺攝像機為例說明，如圖15所不。系統(tǒng)的監(jiān)測區(qū)域(圖15中雙點劃線所示)與兩攝像機的安裝高度、安裝距離以及光軸夾角都有關(guān)，通過調(diào)整安裝高度和安裝距離可以增大監(jiān)測范圍，但在實際橋梁現(xiàn)場，這兩個參數(shù)的選擇范圍都是有限的，即監(jiān)測范圍不可能無限大。和光軸夾角關(guān)系最密切的是監(jiān)測的近橋盲區(qū)，夾角越大，盲區(qū)越大，當(dāng)盲區(qū)過大時，預(yù)警系統(tǒng)將失去意義。根據(jù)圖15建立的交會攝影系統(tǒng)測量模型如圖16所
/Jn ο多攝像機測量系統(tǒng)中多攝影機的協(xié)同工作過程如圖17所示，包括如下步驟(b. I)利用外部同步信號使多臺紅外熱成像儀時間同步；(b. 2)獲取實際圖像；(b. 3)使用同一目標(biāo)的特征點進(jìn)行不同紅外熱成像儀圖像匹配；(b. 4)實現(xiàn)多紅外熱成像儀協(xié)同工作。如圖18所示，在進(jìn)行了協(xié)同工作的基礎(chǔ)上，計算船舶信息的過程如下
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(c. I)進(jìn)行運動船舶識別；(c. 2)在同一紅外熱成像儀不同時刻獲取的同一船舶上選擇特征點；(c. 3)根據(jù)不同船舶溫度分布場特征實現(xiàn)不同船舶特征點的分辨與跟蹤；(c. 4)獲取多幀圖像；(c. 5)根據(jù)熱成像儀拍攝幀速、熱成像儀角度、熱成像儀位置，結(jié)合所述多幀圖像信息，可以得到船舶速度、航向、高度等信息。實現(xiàn)對船舶速度和航向的實時監(jiān)測、以及對船舶位置、船舶超高的實時監(jiān)測。多攝像機測量系統(tǒng)的工作原理是根據(jù)不同攝像機在同一時刻拍攝的同一目標(biāo)的特征點來進(jìn)行解析計算的，所以，特征點的提取是計算三維信息的關(guān)鍵與核心。系統(tǒng)通過相關(guān)匹配算法來實現(xiàn)船舶特征點(例如協(xié)同工作中的(b. 3)、計算船舶信息中的(c. 2)的特征點計算)的提取，具體方法如下首先系統(tǒng)進(jìn)行局域自適應(yīng)閾值分割、提取目標(biāo)和計算脫靶量，這樣不僅可以抑制圖像背景的干擾，而且可以減少計算量。其次，系統(tǒng)根據(jù)檢測設(shè)備獲得的圖像與預(yù)先存儲的參考圖像的相關(guān)關(guān)系(即位置偏差)確定目標(biāo)位置。采用相關(guān)匹配識別方法，將預(yù)先選定的目標(biāo)作為匹配樣板，求取模板和輸入圖像間的相關(guān)函數(shù)，然后找出相關(guān)函數(shù)的峰值和峰值所在位置，借此來判定輸入圖像是否包含樣板選定的目標(biāo)圖像及其所在位置。匹配算法有三種①目標(biāo)輪廓匹配二值圖像匹配；③全灰度層次相關(guān)匹配，即求
權(quán)利要求
1.一種基于交會攝影的橋梁水域船舶通航安全預(yù)警設(shè)備，其特征在于包括檢測設(shè)備、計算機系統(tǒng)、顯示設(shè)備、AIS設(shè)備；檢測設(shè)備包括多臺紅外熱成像儀，形成交會攝影測量系統(tǒng)；計算機系統(tǒng)對檢測設(shè)備采集到的序列圖像進(jìn)行處理，并計算發(fā)現(xiàn)需要預(yù)警的船舶；顯示設(shè)備包括對所述具有碰撞危險的船只發(fā)送AIS警告信息的設(shè)備，以及直接對駕船人員進(jìn)行警告的設(shè)備；AIS設(shè)備用于獲取交會攝影測量系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的具有碰撞危險的船只的AIS信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于交會攝影的橋梁水域船舶通航安全預(yù)警設(shè)備，其特征在于所述計算機系統(tǒng)進(jìn)行如下步驟的工作 (1)接收來自船舶的AIS信息； (2)在AIS數(shù)據(jù)庫中繪制進(jìn)入預(yù)警區(qū)域的船舶航跡圖； (3)使用紅外熱成像儀對預(yù)警區(qū)域監(jiān)控，并跟蹤計算船舶信息； (4)發(fā)現(xiàn)需要預(yù)警的船舶； (5)使用紅外識別船舶信息匹配監(jiān)控區(qū)域中的船舶航跡； (6)獲取需要預(yù)警船麗SI碼； (7)利用AIS設(shè)備通知船舶預(yù)警，并進(jìn)行區(qū)域廣播，同時通過網(wǎng)絡(luò)通知橋區(qū)管理處。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于交會攝影的橋梁水域船舶通航安全預(yù)警設(shè)備，其特征在于所述交會攝影測量系統(tǒng)采用多臺紅外熱成像儀協(xié)同工作，具體步驟如下 (b. I)利用外部同步信號使多紅外熱成像儀時間同步；(b. 2)獲取實際圖像；(b. 3)使用同一目標(biāo)的特征點進(jìn)行不同紅外熱成像儀圖像匹配；(b. 4)實現(xiàn)多紅外熱成像儀協(xié)同工作。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于交會攝影的橋梁水域船舶通航安全預(yù)警設(shè)備，其特征在于在所述多臺紅外熱成像儀協(xié)同工作基礎(chǔ)上計算船舶信息，其過程包括如下步驟(c. I)進(jìn)行運動船舶識別；(c. 2)在同一成像儀不同時刻獲取的同一船舶上選擇特征點；(c. 3)根據(jù)不同船舶紅外溫度分布場特征實現(xiàn)不同船舶特征點的分辨與跟蹤；(c. 4)獲取多幀圖像；(c. 5)根據(jù)成像儀拍攝幀速、成像儀角度、成像儀位置，結(jié)合所述多幀圖像信息，得到船舶速度、航向、高度信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于交會攝影的橋梁水域船舶通航安全預(yù)警設(shè)備，其特征在于所述船舶特征點提取的具體方法如下 Cd. I)對圖像進(jìn)行局域自適應(yīng)閾值分割、提取目標(biāo)和計算脫靶量；(d. 2)根據(jù)輸入圖像與預(yù)先存儲的模板圖像的相關(guān)關(guān)系確定目標(biāo)位置將預(yù)先選定的目標(biāo)作為匹配模板，求取模板和輸入圖像間的相關(guān)函數(shù)，然后找出相關(guān)函數(shù)的峰值和峰值所在位置，匹配方法為目標(biāo)輪廓匹配、二值圖像匹配、全灰度層次相關(guān)匹配或序列相似檢測法。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5所述的一種基于交會攝影的橋梁水域船舶通航安全預(yù)警設(shè)備，其特征在于所述計算機系統(tǒng)對紅外熱成像儀獲取序列圖像進(jìn)行如下步驟 (a. I)首先進(jìn)行圖像預(yù)處理，其過程包括如下步驟(a. I. I)非線性預(yù)處理去除圖像噪聲；(a. 1.2)自適應(yīng)平臺直方圖均衡化圖像增強；(a. 1.3)頻域子帶圖像增強；(a. I. 4)空域平滑濾波處理水波紋； (a. 2)然后進(jìn)行運動目標(biāo)識別，其過程包括如下步驟(a. 2. I)數(shù)學(xué)形態(tài)提取法排除虛假目標(biāo)并實現(xiàn)遠(yuǎn)距離若目標(biāo)提取；(a. 2. 2)剪影法去除背景完成運動目標(biāo)檢測；(a. 2. 3)結(jié)合船舶輪廓特征、運動特征與灰度特征實現(xiàn)重疊目標(biāo)分離；(a. 2.4)實現(xiàn)水面背景下運動船舶紅外成像識別?！?br> 全文摘要
本發(fā)明屬于船舶交通管理設(shè)備，具體涉及一種基于交會攝影的橋梁水域船舶通航安全預(yù)警設(shè)備，包括檢測設(shè)備、計算機系統(tǒng)、顯示設(shè)備、AIS設(shè)備；檢測設(shè)備包括多臺紅外熱成像儀，形成交會攝影測量系統(tǒng)；計算機系統(tǒng)對檢測設(shè)備采集到的序列圖像進(jìn)行處理，并計算發(fā)現(xiàn)需要預(yù)警的船舶；顯示設(shè)備包括對所述具有碰撞危險的船只發(fā)送AIS警告信息的設(shè)備，以及直接對駕船人員進(jìn)行警告的設(shè)備；AIS設(shè)備用于獲取交會攝影測量系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的具有碰撞危險的船只的AIS信息。本發(fā)明基于紅外圖像和AIS監(jiān)控的船舶航行安全預(yù)警設(shè)備及系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對船橋碰撞事故的提前預(yù)警，達(dá)到防范于未然的目的。
文檔編號G08G3/02GK102915650SQ201210355788
公開日2013年2月6日 申請日期2012年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月21日
發(fā)明者張為, 李春里, 陶圣, 張翼, 靳瑾, 陳宓, 張路彬, 曹沫, 劉禮勇 申請人:交通運輸部科學(xué)研究院