一種橋梁防撞系統(tǒng)中的虛擬航道構(gòu)建與船舶偏航檢測方法

郭乾 周曙 何信 邵華平

摘要：提出一種橋梁防撞系統(tǒng)中的虛擬航道構(gòu)建與船舶偏航檢測方法。首先在橋梁通航孔安裝攝像機(jī)，采集航道圖像視頻信息，然后對采集的視頻信息進(jìn)行處理，最后在視頻圖像上顯示出虛擬航道，通過計(jì)算船舶到虛擬航道的距離判斷輪船是否偏航。對有航標(biāo)和沒有航標(biāo)情況用不同的方法構(gòu)建虛擬航道，對不同的河道地形構(gòu)建出適應(yīng)實(shí)際地形的直線型、C型和S型虛擬航道，能夠準(zhǔn)確繞開障礙物，保證船舶航行安全。實(shí)驗(yàn)表明該方法具有較高的正確率，對提高橋梁和船舶航行安全具有重要意義。

關(guān)鍵詞：橋梁防撞；虛擬航道；偏航檢測

DOI：10.11907/rjdk.173169

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-7800（2018）007-0189-04

Abstract：Theconstructionofvirtualchannelandthemethodofshipyawdetectionareproposedinthispaper.First，Camerasareinstalledinthebridgenavigationholetocollecttheaerialimageinformationofthenavigationchannel.Thenthevideoinformationisprocessed.Finally，thevirtualchannelisshownonthevideoimage.Bycalculatingthedistanceoftheshiptothevirtualwaterway，itispossibletojudgewhethertheshiphasdeviationandthedangerofhittingthepier.Thismethodcanbeusedtoconstructthevirtualchannelindifferentways.Fordifferentrivertopography，itispossibletoconstructalinethatadaptstotheactualterrain，c-typeands-typevirtualchannel，whichcanbeusedtoavoidobstaclesaccuratelyandguaranteethenavigationsafetyofships.Experimentsshowthatthemethodhashighaccuracyinspecificapplication，whichisofgreatsignificanceforimprovingnavigationsafetyofbridgesandships.

KeyWords：bridgeanti-collision；virtualchannel；yawdetection

0引言

隨著交通運(yùn)輸業(yè)的不斷發(fā)展，大量跨海、跨江橋梁興建[1]。這種橋梁本身所處的江、海域大都是繁忙的航道，其水流、波濤、風(fēng)浪等情況復(fù)雜，不可避免地會有船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)[2-3]，因此研究橋梁防撞的預(yù)警方法很有價(jià)值。

橋梁防撞設(shè)計(jì)方法分主動(dòng)防撞和被動(dòng)防撞[4]兩種。主動(dòng)防撞是通過對船舶的航行管理和航行軌跡干預(yù)，避免船舶撞擊橋梁；被動(dòng)防撞是通過橋墩安裝輔助防撞設(shè)施抵御船舶撞擊，避免撞擊事故發(fā)生或降低受損程度。目前橋梁防撞問題研究大部分集中在被動(dòng)防撞方面，主動(dòng)防撞研究尚不多見，而一旦有船只偏離航道就可能導(dǎo)致船毀橋亡[5]。

通過航道檢測實(shí)現(xiàn)預(yù)警的方法屬于主動(dòng)防撞[6]，該方法目前主要應(yīng)用于公路交通中的車道檢測，水路交通中的航道與車道有著本質(zhì)不同，航道沒有類似公路的車道線可供檢測，雖然主要大型橋梁航道兩邊都設(shè)有航標(biāo)，但仍存在船撞橋的風(fēng)險(xiǎn)。因此，建立虛擬航道的方法實(shí)現(xiàn)船舶偏航檢測，防止發(fā)生船撞橋事故顯得尤為重要[7]。

1棋盤格標(biāo)定法

1.1棋盤格標(biāo)定算法

1999年，微軟研究院的張正友提出了基于移動(dòng)平面模板的相機(jī)標(biāo)定方法。此方法是介于傳統(tǒng)標(biāo)定方法和自標(biāo)定方法之間的一種方法，利用攝像機(jī)拍攝的圖像還原空間中的物體。

1.2張正友棋盤格標(biāo)定算法實(shí)現(xiàn)

把25個(gè)點(diǎn)的世界坐標(biāo)（齊次坐標(biāo)）進(jìn)行轉(zhuǎn)置[8]，對單應(yīng)性矩陣求解并優(yōu)化。把6幅圖的單應(yīng)矩陣求解出來后求解出B矩陣。因?yàn)槊總€(gè)單應(yīng)矩陣可得到兩個(gè)方程，通過循環(huán)對矩陣y賦值后，再對y進(jìn)行正交分解即可得到B矩陣，進(jìn)而得到相機(jī)的內(nèi)參矩陣。

先求解出相機(jī)的外參，然后對畸變系數(shù)進(jìn)行求解，得到相機(jī)坐標(biāo)（Xc，Yc，Zc）。

調(diào)用函數(shù)對內(nèi)參和畸變系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化并顯示優(yōu)化后的結(jié)果，然后根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)果求解外參矩陣。

從旋轉(zhuǎn)矩陣中分解出獨(dú)立變量（3個(gè)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)角）得到平移矩陣，最后把它們和內(nèi)參、畸變系數(shù)一起進(jìn)行最終優(yōu)化。

2虛擬航道構(gòu)建

如圖1，根據(jù)張正友棋盤標(biāo)定原理，完成攝像機(jī)的標(biāo)定與投影，得出兩條虛線航道線的4個(gè)端子圖像坐標(biāo)[9-10]。從攝像機(jī)捕獲視頻幀，定義高斯背景模型，用第一幀創(chuàng)建高斯背景模型，使用當(dāng)前幀更新高斯背景模型[11]，將高斯背景模型的背景圖像復(fù)制到事先定義的背景圖像中[12]，使用瞬時(shí)差分法獲得不包含運(yùn)動(dòng)區(qū)域的當(dāng)前幀并更新背景。當(dāng)前幀與前一幀做差分并二值化處理，找到差分圖像中的輪廓，得到輪廓的外接矩形，將面積小的矩形視為噪音拋棄，剩下的為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，基于視頻監(jiān)控與分析系統(tǒng)檢測船舶是否偏航[13]。

2.1航道兩側(cè)存在航標(biāo)情況

對捕獲圖像進(jìn)行自適應(yīng)二值化處理和高斯模糊處理，對圖像進(jìn)行邊緣檢測[14]，對圖像進(jìn)行輪廓檢測并設(shè)定為只檢測最外層輪廓，得到各航標(biāo)的最外層輪廓，獲取每個(gè)航標(biāo)輪廓的第一個(gè)像素點(diǎn)坐標(biāo)，利用點(diǎn)集的直線擬合函數(shù)對獲取的坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行擬合，在視頻上顯示由航標(biāo)點(diǎn)近似擬合的虛擬航道線。

2.2航道兩側(cè)不存在航標(biāo)情況

如圖2，橋梁附近水域?yàn)橹本€型航道情況，利用繪圖函數(shù)繪制連接兩個(gè)點(diǎn)線段，從而在4個(gè)端點(diǎn)A、B、C和D之間直接繪制出兩條直的航道線la和lb，構(gòu)建出直線型虛擬航道，該虛擬航道的寬度設(shè)定為橋梁通航孔寬度。

如圖3，橋梁附近水域地形較為曲折，在獲得端點(diǎn)A和B間用貝塞爾曲線[15]擬合出虛擬航道線cc，在獲得的端點(diǎn)C和D間用貝塞爾曲線擬合出虛擬航道線cd，虛擬航道線cc和cd的形狀根據(jù)實(shí)際地形通過改變控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)節(jié)。為保證虛擬航道線cc和cd平行，坐標(biāo)點(diǎn)A和C對應(yīng)的坐標(biāo)只有x坐標(biāo)不同，坐標(biāo)點(diǎn)B和D對應(yīng)的坐標(biāo)只有x坐標(biāo)不同，對應(yīng)的控制點(diǎn)也只有x坐標(biāo)不同，且對應(yīng)x坐標(biāo)的差值應(yīng)為通航孔在圖像坐標(biāo)系中對應(yīng)的寬度。

對于S型河道，如圖4所示，在A和B間用貝塞爾曲線擬合出虛擬航道線ce，在端點(diǎn)C和D間用貝塞爾曲線擬合出虛擬航道線cf，虛擬航道線ce和cf的形狀根據(jù)實(shí)際地形通過改變控制點(diǎn)坐標(biāo)調(diào)節(jié)[16]。

如果橋梁附近水域存在突出的水岸或小/微型島嶼等障礙物，如圖5所示，則可在A、B之間直接繪制出直的虛擬航道線lg，在C和D之間用貝塞爾曲線擬合出虛擬航道線ch，ch的控制點(diǎn)坐標(biāo)可根據(jù)障礙物所在位置適當(dāng)調(diào)節(jié)。

3船舶偏航檢測方法設(shè)計(jì)

3.1直線型航道船舶偏航檢測

對于直線型虛擬航道，對視頻幀自適應(yīng)二值化處理、高斯模糊處理，對圖像進(jìn)行邊緣檢測，再對圖像檢測輪廓，得到標(biāo)記運(yùn)動(dòng)船舶的矩形框輪廓，從而獲得矩形框左上角頂點(diǎn)坐標(biāo)（x，y），則矩形框左下角頂點(diǎn)A的坐標(biāo)為（x，y+height），右下角頂點(diǎn)B的坐標(biāo)為（x+width，y+height）。已知虛擬航道線的端點(diǎn)坐標(biāo)可求出虛擬航道線的表達(dá)式，利用點(diǎn)到直線的距離公式可求出A到左虛擬航道線的距離和B到右虛擬航道線的距離，根據(jù)求出的距離判斷船舶是否偏航。

3.2曲線型船舶偏航檢測

對于曲線型虛擬航道，對視頻幀進(jìn)行自適應(yīng)二值化處理、高斯模糊處理，對圖像進(jìn)行邊緣檢測，再對圖像檢測輪廓，得到標(biāo)記運(yùn)動(dòng)船舶的矩形框輪廓，從而獲得矩形框左上角頂點(diǎn)坐標(biāo)（x，y），則矩形框左下角頂點(diǎn)A的坐標(biāo)為（x，y+height），右下角頂點(diǎn)B的坐標(biāo)為（x+width，y+height）。提取視頻幀中與虛擬航道線相同的BGR值的所有像素點(diǎn)。本實(shí)例虛擬航道線為黃色，BGR值為（230，255，0），得到虛擬航道線輪廓，獲取虛擬航道線輪廓的所有像素點(diǎn)坐標(biāo)（xi，yi），利用勾股定理分別計(jì)算A（x，y+height）和B（x+width，y+height）到（xi，yi）的距離，取最小距離作為判斷船舶是否偏航的參考值，見圖6-圖8。

4結(jié)語

本方案基于MicrosoftVisualStudio開發(fā)環(huán)境以及opencv函數(shù)庫，主要完成的工作有：

（1）應(yīng)用張正友棋盤格標(biāo)定法進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定，將給定水面上虛擬航道四端子從世界坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到圖像坐標(biāo)，確定虛擬航道線端子坐標(biāo)。

（2）實(shí)地考察，拍攝視頻，對攝像機(jī)捕獲的圖像進(jìn)行運(yùn)動(dòng)船舶檢測。實(shí)時(shí)計(jì)算船舶與虛擬航道距離，判斷船舶是否偏航。

（3）對航道兩側(cè)存在航標(biāo)的情況，利用航標(biāo)點(diǎn)擬合直線，構(gòu)建出虛擬航道。對航道兩側(cè)不存在航標(biāo)的情況，利用貝塞爾曲線構(gòu)建出虛擬航道。

（4）通過計(jì)算船舶到虛擬航道距離，判斷船舶在靠近橋梁的過程中是否偏航。

測試證明，本仿真系統(tǒng)可靠，能根據(jù)用戶設(shè)定的通航口寬度、監(jiān)測距離、實(shí)際的河道情況，繪制相應(yīng)的虛擬航道，全天侯針對運(yùn)動(dòng)船舶的異常航行狀況及時(shí)作出反饋，提醒船員采取措施。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）