CN104061865A - 一种航行船舶高度测量***及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航行船舶高度测量***及其测量方法，所述的***包括位置信息测定模块、摄像机、计算机、无线收发模块和水位测定模块，所述的计算机中安装有云台控制模块、图像处理模块、船舶GPS计算模块、船舶高度测定模块和标定点参数计算模块。本发明基于图象处理的机器视觉方法以及空间几何关系，在安装上只需要摄像机、标定物、电脑以及相关的连接即可，安装方便，不需要大型设备，便于维护，而且在算法上，利用船舶的GPS信息、云台控制模块获得的角度信息、背景标定点信息以及相关空间位置信息，计算出船舶的水面上高度。本发明降低了设计难度，同时又能很好的符合船舶测高的需求。而且允许调整摄像机的视野范围，实用性更好。

Description

一种航行船舶高度测量***及其测量方法

技术领域

本发明涉及机器视觉技术和GPS定位技术，航行船舶高度检测方法，尤其涉及一种航行船舶高度测量***及其测量方法。

背景技术

随着我国国民经济的发展，对交通建设的需要越来越高，这就使得在通航河流上修建桥梁的需求日益增多，新建的桥梁给两岸的交通带来的巨大的便利，但同时，一些大桥在当初设计时，桥高、桥宽、选址未充分考虑到未来的航运需要，使得一些桥梁无法满足现有船舶的通航要求，富裕高度预留不足，使得船舶因为高度超高而碰撞桥梁的事故时有发生，而且船舶一旦超高经过桥梁，往往会造成严重后果，不仅威胁着船舶自身的航行安全，危及船员生命，还会影响整个航道的畅通和其他通航船舶的安全，其危害巨大。目前国内的船舶超高检测技术较为落后，大多以引进国外的超高检测***和设备为主，而这些设备中，大多数集中在研究基于激光的超高检测方法，但激光检测方法实际是一种限高方法，可以对高于某个高度的船舶进行报警，但无法得到船舶的实际高度，而且限高方法需要根据水位变化改变限高高度，并且在河岸距离较大的情况下，效果并不是很好。

目前还有一种测高方法是采用图像处理的方法，利用机器视觉得到目标的高度，该方法本身主要是应用于测定空间位置信息，并不是针对船舶测高，并且技术难度大，设备要求高。而且，该方法本身并非对于船舶测高，对于船舶测高也存在问题，即摄像机需要标定后，才能进行高度测量，而且标定后，摄像机各参数不能发生变化，使得对摄像机的要求，以及安装都有较高的要求。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种既能测定船舶高度，又安装需求低、算法实现简单的航行船舶高度测量***及其测量方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种航行船舶高度测量***，包括标定物、位置信息测定模块、云台、摄像机、计算机、无线收发模块和水位测定模块，所述的计算机中安装有云台控制模块、图像处理模块、船舶GPS计算模块、船舶高度测定模块和标定点参数计算模块，所述的位置信息测定模块测定标定物的GPS信息以及相关的角度距离信息，并将测定结果输入到船舶GPS计算模块，所述的标定点参数计算模块分别与船舶GPS计算模块、船舶高度测定模块相连，所述的无线收发模块与船舶GPS计算模块相连，水位测定模块信息通过无线收发模块与船舶高度测定模块相连。所述的云台控制模块与标定点参数计算模块连接；所述的无线收发模块与船舶GPS计算模块相连；所述的摄像机安装在云台上方，摄像机与图像处理模块连接；所述的云台分别与云台控制模块和船舶GPS计算模块相连，云台控制模块通过控制云台与摄像机连接，所述的云台安装在距离测量船舶一定位置的河岸上。

本发明所述的云台安装在距离测量船舶300m以外位置的河岸上。

一种航行船舶高度测量***的测量方法，包括以下步骤：

A、测量前的初始化

A1、背景标定点设定

在摄像机要拍摄的背景中选择多处背景作为标定物，而标定物的个数及位置根据摄像机的视场角和需要监控的水域范围确定，最终满足摄像机无论旋转至何处都有且只有一个完整的标定物在视场中；在确定好标定物的位置后，在标定物上选择特殊位置安装标定点；

A2、摄像机初始位置设定

在标定点位置确定之后，调整摄像机的位置，确定摄像机的初始位置，并通过云台控制模块设定预置位；标定点参数计算模块通过位置信息测定模块测量各标定点的GPS信息以及距离信息，计算出各标定点的空间坐标以及各标定点与摄像机的位置关系；

A3、初始位置信息测定以及计算

当摄像机的初始位置设定了以后，通过位置信息测定模块对标定点的相对距离关系、各标定点距离摄像机的距离以及与摄像机主光轴之间的夹角进行测量。

B、正式测量

B1、对GPS信息进行处理并寻找船舶

无线收发模块接收VTS中心的船舶GPS信息，发送至船舶GPS计算模块，船舶GPS计算模块同时结合标定点参数计算模块的位置信息和摄像机的位置信息计算出船舶、摄像机以及此时摄像机主光轴之间所成的角度信息，将角度信息发送至云台控制模块控制云台的旋转，使摄像机找到目标船舶。

B2、云台旋转及信息采集

根据得到的角度信息，云台控制模块控制云台完成水平和竖直方向两个方向的旋转，同时云台控制模块记录云台旋转的角度信息，并控制云台旋转。

B3、获取现场图片

摄像机是可变焦的摄像机，通过设定后以间隔固定时间对场景进行拍照，并将图片发送至图像处理模块。

B4、图像识别

图像处理模块负责图像的采集、目标的识别、标定点的识别、各标定点在图片中的坐标信息。

B5、提取水位信息

水位测定模块对所在河段的水位信息，进行即时的测量。

B6、对测量信息进行处理计算船舶高度

船舶高度测定模块根据图像处理模块的信息以及标定点参数计算模块和船舶GPS计算模块的船舶位置信息、云台控制模块的角度信息、水位测定模块的即时水位信息，计算出船舶的高度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明以基于图象处理的机器视觉方法以及空间几何关系，在安装上只需要摄像机、云台、标定物、电脑以及相关的连接即可，安装方便，不需要大型设备，便于维护，而且算法上，利用船舶的GPS信息、云台控制模块获得的角度信息、背景标定点信息以及相关空间位置信息，计算出船舶的水面上高度。该方法是利用空间几何关系，以及基本的图像处理算法，避免了复杂的标定算法，以及双目识别算法，从而降低了设计难度，同时又能很好的符合船舶测高的需求。而且允许调整摄像机的视野范围，比其他方法更简单，实用性更好。

2、本发明提出了一种既可以固定测量又可以通过控制云台水平竖直旋转的、大视野和可变焦情况下的船舶测高***及构建方法。

3、本发明利用标定物在背景中的这个特点，结合相关的GPS信息和标定点的位置信息，实现了摄像机的变焦标定，克服了原有方法只能定焦测量的缺点，利用云台实现了摄像机的大视野测高。

附图说明

本发明共有附图11张，其中：

图1：摄像机标定物的位置选址图。

图2：摄像机所在的平面示意图。

图3：摄像机竖直方向标定以及船舶测高原理图。

图4：标定点的设定位置示意图。

图5：CCD成像平面坐标系。

图6：摄像机初始化竖直方向调整原理图。

图7：摄像机安装时产生的可能误差示意图。

图8：摄像机倾斜时对CCD各点产生的影响示意图。

图9：初始化流程图。

图10：测量流程图。

图11：测高***框图。

图中：1、云台，2、云台控制模块，3、摄像机，4、图像处理模块，5、船舶GPS计算模块，6、标定点参数计算模块，7、船舶高度测定模块，8、无线收发模块，9、水位测定模块，10、计算机，11、标定物，12、位置信息测定模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图11所示，一种航行船舶高度测量***，包括标定物11、位置信息测定模块12、云台1、摄像机3、计算机10、无线收发模块8和水位测定模块9，所述的计算机10中安装有云台控制模块2、图像处理模块4、船舶GPS计算模块5、船舶高度测定模块7和标定点参数计算模块6，所述的位置信息测定模块12测定标定物11的GPS信息以及相关的角度距离信息，并将测定结果输入到船舶GPS计算模块5，所述的标定点参数计算模块6分别与船舶GPS计算模块5、船舶高度测定模块7相连，所述的无线收发模块8与船舶GPS计算模块5相连，水位测定模块9信息通过无线收发模块8与船舶高度测定模块7相连。所述的云台控制模块2与标定点参数计算模块6连接；所述的无线收发模块8与船舶GPS计算模块5相连；所述的摄像机3安装在云台1上方，摄像机3与图像处理模块4连接；所述的云台1分别与云台控制模块2和船舶GPS计算模块5相连，云台控制模块2通过控制云台1与摄像机3连接，所述的云台1安装在距离测量船舶一定位置的河岸上。所述的云台1安装在距离测量船舶300m以外位置的河岸上。

图9为初始化流程图，图10为测量的流程图。

具体测量流程为,图9中，背景标定点设定主要是在摄像机3要拍摄的背景中选择的合适的背景作为标定物11，作为标定物11的背景应该满足有较为平整的平面，摄像机3初始设置时所对的标定面为基础标定面，并在基础标定面上根据图4所示的标有圆圈的位置设定标定点，其中3个点是在同一竖直方向上，且中间点为上下两个点之间的中点，另外两个点与3点中的一个点在同一高度，且中间点为左右两个点之间的中点。标定物11的个数确定主要是根据实际的摄像机3要求扫描的范围，摄像机3的视场角而定，如图1所示，条件是保证摄像机3在旋转时，有且只有一个标定物11出现在视场内。对于非基础标定面的标定物11，只需要在竖直方向上选择两个点作为标定点即可。

标定点设置完成后，需要对摄像机3进行位置的初始化设置，初始化之前，首先需要对摄像机3所在的平面进行说明，如图2所示，图中a为摄像机3镜头所在平面，图中b为摄像机3的CCD平面，图中c为标定物11平面，一般情况下，摄像机3镜头所在平面应平行于摄像机3的CCD平面，因此，摄像机3平面即为摄像机3CCD所在的平面。由于安装等原因，即使摄像机3在安装时尽量水平放置，但很难在安装时完全满足要求，这就要求在安装后需要对摄像机3进行初始化设置，如图7所示，图中A为理想情况，B、C、D为可能发生偏移的情况，图6所示为竖直方向上的摄像机3矫正，图中J为AE的中点，A、J、E为在同一竖直方向上的3个点，图中C点为主光轴与标定物11的交点，当摄像机3在安装时，竖直方向上发生了角度θ的旋转，矫正方法是通过调整云台1竖直方向的角度，通过图像处理模块4计算J点在图片中到A、E的距离，调整云台1直到两个距离相等时，则摄像机3竖直调平。图7中，D情况发生时即在水平方向上产生了旋转。调整方法与竖直方法类似，使水平方向在同一直线上的3个标定点在CCD中满足中间点为左右点的中点即水平调平了。图7中B情况发生时，由于摄像机3倾斜，通过调整云台1无法达到矫正目的，在尽量保证水平的同时，可以按图8所示，根据标定点以及摄像机3的对应关系，计算出图片中的等高线，进而可以在后续计算中根据等高线找到目标点在标定点所在位置的等高点，通过计算等高点进而求得目标高度。当摄像机3各参数确定之后，记录各参数并将该状态作为云台1的预置位，复位时，云台1直接回到初始位置，并且通过检查图片中水平方向和竖直方向的中间点是否为中点，确定云台1或者摄像机3是否处在正确的位置，如果不在中点，则需要人工重新设置。

摄像机3位置调整好以后，标定点参数计算模块66需要测量标定点的位置信息，基础标定面的这5个点的位置信息不需要全部了解，但在竖直方向上的3个点中，需要了解其中两个标定点的位置信息，标定点的位置信息包括两点距离地面的高度和两点的GPS信息，以及摄像机3初始位置到基础标定点的角度信息，测量方法是通过控制云台1使摄像机3从初始位置水平旋转直到基础标定点的三点位于摄像机3平面的中心所在的竖直线位置主光轴不一定在光心，但一定在光心附近，微调云台1，使得三点连线的直线距离在CCD中的距离最小，即找到了光心所在的位置，而后读出云台1的水平旋转角度即为摄像机3初始位置到基础标定点的角度。而对于非基础标定面的2个标定点，测量的信息与基础标定面相同，同时通过全站仪测得安放在摄像机3所在位置处所有标定物11上对应的标定点的水平角度信息。水位测量模块同时还要通过超声波水位测量仪器得到即时的水位信息，并计算出摄像机3到水面的距离，以及标定物11所在的地面到水面的距离。为了能够实现24小时不间断的测量，标定点位置可以安装一个穿透力较强的光源，且该光源以固定的时间间隔不断的闪灭。

当有船舶到达测量区域后，接收船舶的GPS信息，并结合摄像机3的位置信息，以及各标定物11的GPS信息，通过余弦定理，计算出∠ABC，其中A表示各个标定物11，B表示摄像机3、C表示船舶，通过比较找出∠ABC中最小的角度，进而可以确定船舶所在位置与距离它最近的标定物11的所成的角度，通过计算就可以得到船舶所在的位置与此时摄像机3主光轴的夹角，控制云台1转动相应的角度，使摄像机3找到待测船舶。

当摄像机3旋转到指定位置后，根据云台1的转动信息，重新计算摄像机3旋转后的各标定点以及船舶的空间位置信息，即由于转动导致的各标定点以及船舶到摄像机3的垂直距离发生了变化，该距离即为图3中摄像机3平面到标定物11的水平距离H。与此同时，摄像机3与船舶、标定点的夹角也发生了变化，还需计算出该位置摄像机3与各标定点的夹角以及与船舶的夹角。

当各空间位置信息确定后，通过摄像机3读入获得的图片，利用背景差值法对图片进行处理，找到图像中的船舶，以及船舶的最高点所在CCD坐标系中的坐标，同时识别标定点，记录标定点在CCD坐标系中的坐标值，并将坐标信息发送到船舶高度测定模块7。

在船舶高度测定模块7中，利用已知的标定点以及船舶的空间信息、CCD图片中的坐标信息和水位信息，即可求得船舶的高度，具体方法如下：

由于只需测定高度信息，所以只需标定竖直方向，但水平旋转会影响船舶以及标定物11到摄像机3的所在平面的距离，因此当发生水平旋转时，要通过角度信息求得距离信息，然后图3所示，当摄像机3发生竖直旋转时，在4个标定点中选择竖直方向在一条直线上的两个标定点，图中C点为主光轴与标定物11的交点，A、E点分别为标定点，距离地面的高度已知，水平方向上，距离摄像机3的距离已知，摄像机3竖直方向上旋转的角度通过云台1可以得到，已知为θ，摄像机3和船舶最高点连线交标定物11于G点，由于一般摄像机3的光轴中心不一定在CCD中心，所以需要先求得光心在CCD的位置，由于只需要测量高度，所以只需要求得Y轴方向上光心的位置。图5为CCD坐标系，其中原点为CCD的中心，即图片中的中间点，X轴平行于水平方向，Y轴垂直于水平方向。图中圆圈o表示光心的位置圆圈a表示图3中标定点A在CCD的位置，圆圈e表示图3中E点的投影，y1，y2表示标定点的Y轴坐标,y3表示光心的Y轴坐标(未知)。

由图3可见θ和H已知，可以求得OC和CF的长度，因为AE长度已知，进而可以求得AC和AB的长度，过A点做主光轴OC的垂线交于B，∠BAC＝∠θ，可以求得BC的长度，最终得到OB的长度。过e做OC的垂线，交于D，同理可以得到ED和OD的长度。由于

AB/BO＝(y1-y3)*dy/f，

ED/DO＝(y3-y2)*dy/f，

两式子相加(f表示焦距，dy表示单个CCD的尺寸)，由于(y1-y2)*dy/f＝k由于AB、BO、ED、DO长度已知，相加的结果为一常数，设为k；可以求得f(包含dy未知常量，在接下来的计算中会被约掉。并且可以进而求得光心所在的Y轴值。读取图片中船舶最高点在图片中的Y轴值，记为y4,过G点做主光轴的垂线，交于I，可知，

GI/IO＝|y4-y3|*dy/f

由于上面的计算可以知道f，y3，y4已知，dy可以约掉，设

|y4-y3|*dy/f＝K为一常数，

GI/IO＝GI/(tanθ*GI+CO)＝K

可以得到GI，进而得到GC，因此可以算出G点到水面的距离，根据GPS信息，可以知道船舶到摄像机3所在平面的距离，记为H1，根据三角形的相似△OGF∽△OLM，H1/H＝LM/GF,可以求得LM的长度,因为摄像机3到水面的高度，可以通过水位信息测得记为H2，则船舶的高度即为LM+H2，即得到了船舶的高度。

Claims (3)

1.一种航行船舶高度测量***，其特征在于：包括标定物(11)、位置信息测定模块(12)、云台(1)、摄像机(3)、计算机(10)、无线收发模块(8)和水位测定模块(9)，所述的计算机(10)中安装有云台控制模块(2)、图像处理模块(4)、船舶GPS计算模块(5)、船舶高度测定模块(7)和标定点参数计算模块(6)，所述的位置信息测定模块(12)测定标定物(11)的GPS信息以及相关的角度距离信息，并将测定结果输入到船舶GPS计算模块(5)，所述的标定点参数计算模块(6)分别与船舶GPS计算模块(5)、船舶高度测定模块(7)相连，所述的无线收发模块(8)与船舶GPS计算模块(5)相连，水位测定模块(9)信息通过无线收发模块(8)与船舶高度测定模块(7)相连；所述的云台控制模块(2)与标定点参数计算模块(6)连接；所述的无线收发模块(8)与船舶GPS计算模块(5)相连；所述的摄像机(3)安装在云台(1)上方，摄像机(3)与图像处理模块(4)连接；所述的云台(1)分别与云台控制模块(2)和船舶GPS计算模块(5)相连，云台控制模块(2)通过控制云台(1)与摄像机(3)连接，所述的云台(1)安装在距离测量船舶一定位置的河岸上。

2.根据权利要求1所述的一种航行船舶高度测量***，其特征在于：所述的云台(1)安装在距离测量船舶300m以外位置的河岸上。

3.一种航行船舶高度测量***的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、测量前的初始化

A1、背景标定点设定

在摄像机(3)要拍摄的背景中选择多处背景作为标定物(11)，而标定物(11)的个数及位置根据摄像机(3)的视场角和需要监控的水域范围确定，最终满足摄像机(3)无论旋转至何处都有且只有一个完整的标定物(11)在视场中；在确定好标定物(11)的位置后，在标定物(11)上选择特殊位置安装标定点；

A2、摄像机(3)初始位置设定

在标定点位置确定之后，调整摄像机(3)的位置，确定摄像机(3)的初始位置，并通过云台控制模块(2)设定预置位；标定点参数计算模块(6)通过位置信息测定模块(12)测量各标定点的GPS信息以及距离信息，计算出各标定点的空间坐标以及各标定点与摄像机(3)的位置关系；

A3、初始位置信息测定以及计算

当摄像机(3)的初始位置设定了以后，通过位置信息测定模块(12)对标定点的相对距离关系、各标定点距离摄像机(3)的距离以及与摄像机(3)主光轴之间的夹角进行测量；

B、正式测量

B1、对GPS信息进行处理并寻找船舶

无线收发模块(8)接收VTS中心的船舶GPS信息，发送至船舶GPS计算模块(5)，船舶GPS计算模块(5)同时结合标定点参数计算模块(6)的位置信息和摄像机(3)的位置信息计算出船舶、摄像机(3)以及此时摄像机(3)主光轴之间所成的角度信息，将角度信息发送至云台控制模块(2)控制云台(1)的旋转，使摄像机(3)找到目标船舶；

B2、云台(1)旋转及信息采集

根据得到的角度信息，云台控制模块(2)控制云台(1)完成水平和竖直方向两个方向的旋转，同时云台控制模块(2)记录云台(1)旋转的角度信息，并控制云台(1)旋转；

B3、获取现场图片

摄像机(3)是可变焦的摄像机(3)，通过设定后以间隔固定时间对场景进行拍照，并将图片发送至图像处理模块(4)；

B4、图像识别

图像处理模块(4)负责图像的采集、目标的识别、标定点的识别、各标定点在图片中的坐标信息；

B5、提取水位信息

水位测定模块(9)对所在河段的水位信息，进行即时的测量；

B6、对测量信息进行处理计算船舶高度

船舶高度测定模块(7)根据图像处理模块(4)的信息以及标定点参数计算模块(6)和船舶GPS计算模块(5)的船舶位置信息、云台控制模块(2)的角度信息、水位测定模块(9)的即时水位信息，计算出船舶的高度。