基于圖像處理的船舶水尺計重系統(tǒng)設(shè)計

(大連海事大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116026)

散裝貨船所運(yùn)輸?shù)牡V砂、煤炭、谷物等貨物都具有不易用衡器計量的特點(diǎn)，國際上通常利用水尺計重的方法進(jìn)行交接。船舶水尺計重依據(jù)阿基米德原理求取載貨量，船舶吃水深度測量是該過程中最為重要的環(huán)節(jié)，通常需要專業(yè)的水尺檢定人員觀測吃水線在水尺上的位置來實(shí)現(xiàn)[1]。由于傳統(tǒng)的人工觀測法容易受到觀測者經(jīng)驗(yàn)和海浪起伏的影響而產(chǎn)生偏差，近年來超聲波測距儀被用于測量甲板和水面之間的距離并由此換算出吃水深度，使用這種方法，溫度和濕度對測距精度造成的影響明顯[2]。其他基于電導(dǎo)、電容、光電傳感等測量方法在實(shí)際測量中的應(yīng)用也很有限，主要是因?yàn)檫@類傳感器的安裝和日常維護(hù)中的諸多不便[3-5]。為此，考慮基于圖像處理的水尺計重系統(tǒng)借助具備高清攝像功能的爬壁機(jī)器人采集水尺圖像，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)船舶吃水深度的自動分析，通過分析涵蓋多個波浪起伏的多幅水尺圖像來綜合判定吃水深度，降低風(fēng)浪所造成的影響。采用這種方法,整個測量過程都可被數(shù)字化地記錄下來，便于在發(fā)生貿(mào)易糾紛時為事后查驗(yàn)提供證據(jù)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

依據(jù)國內(nèi)通行的《駁船水尺計重技術(shù)規(guī)程》，水尺計重系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)構(gòu)成，并通過4G網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)兩者間的數(shù)據(jù)交換，見圖1。

圖1 船舶水尺計重系統(tǒng)構(gòu)成

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)在平板電腦的控制下分別實(shí)現(xiàn)水尺圖像采集、水油倉空當(dāng)高度測量和港水密度測量工作，并通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的核心是一臺高性能的數(shù)據(jù)服務(wù)器，接收平板電腦傳送的水尺圖像及其他測量數(shù)據(jù)，計算得到船舶的載重量。通過4G網(wǎng)絡(luò)回傳測量結(jié)果至平板電腦進(jìn)行顯示，利用數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序?qū)⑾嚓P(guān)測量數(shù)據(jù)和計算結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫中。

借助爬壁機(jī)器人實(shí)現(xiàn)水尺圖像的采集是數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)中的關(guān)鍵。船舶的6面水尺中，近岸側(cè)的3面水尺便于從碼頭上進(jìn)行觀察，另一側(cè)的3面水尺則通常需要借助小艇或繩梯接近觀察。傳統(tǒng)的人工觀測容易受到風(fēng)浪影響，同時對檢定人員的安全也構(gòu)成威脅[6]。借助爬壁機(jī)器人，可接近水尺進(jìn)行圖像采集來替代傳統(tǒng)的人工觀測。操作者可從船舷任意位置放下爬壁機(jī)器人，根據(jù)攝像機(jī)傳送至平板電腦的實(shí)時圖像控制機(jī)器人游走于船側(cè)板，即使在非可視區(qū)域也能順利完成水尺圖像采集[7],見圖2。由于輕微風(fēng)浪便會導(dǎo)致吃水線在水尺上的位置呈現(xiàn)起伏變化，傳統(tǒng)人工觀測法在風(fēng)浪較大時準(zhǔn)確地判斷吃水深度較為困難，因此也是檢定過程中最容易引起貨運(yùn)雙方質(zhì)疑的關(guān)鍵。利用數(shù)字圖像處理技術(shù)快速分析能夠涵蓋多個波浪起伏的水尺圖像，再對所得的吃水深度求取算術(shù)平均作為輸出結(jié)果，能夠有效提高船舶吃水深度判定的準(zhǔn)確性。

圖2 借助爬壁機(jī)器人進(jìn)行水尺圖像采集現(xiàn)場

2 圖像處理

2.1 水尺數(shù)值化

通常情況下由爬壁機(jī)器人采集的水尺圖像(圖3)并不適合直接進(jìn)行水尺數(shù)值化。主要?dú)w因于受海水侵蝕和污漬影響而產(chǎn)生的圖像噪聲，以及受拍攝位置限制而導(dǎo)致的字符形變。根據(jù)水尺字符的顏色特征和排列特點(diǎn)，利用二值化圖像垂直投影統(tǒng)計中呈現(xiàn)出的計數(shù)增高剪裁出圖4a)所示的局部圖像?？紤]到標(biāo)準(zhǔn)的米制水尺中作為吃

圖3 爬壁機(jī)器人所采集的某散貨船外側(cè)水尺圖像

圖4 水尺字符圖像的預(yù)處理結(jié)果

水深度參考的字符僅包含數(shù)字“0～9”和字母“M”，可采用處理文字圖像常用的形態(tài)學(xué)算法對圖像進(jìn)行降噪。對比圖4a)與圖4b)可以看出，降噪后圖像中的孤立噪聲明顯減少，字符邊緣變得平滑且未發(fā)生結(jié)構(gòu)上的明顯改變。在圖4b)的水平方向上做投影統(tǒng)計，同樣利用其中呈現(xiàn)出的計數(shù)增高便可得到圖4c)所示的字符圖像。字符中的錯切變形角度則可利用圖4d)所示的投影方法提取，即當(dāng)投影角度θ與錯切變形角度相等時投影長度L可取得最小值，矯正結(jié)果見圖4e)。

考慮到水尺標(biāo)注通常符合《船舶水尺標(biāo)志勘劃標(biāo)準(zhǔn)》的樣式，采用模板匹配算法對圖像中的字符進(jìn)行識別比較快捷[8]。由于該方法僅對字符的簡單特征進(jìn)行比較，在區(qū)分“6”“8”“9”幾個相似字符時的準(zhǔn)確率稍低，特別是在海水侵蝕導(dǎo)致字符局部污損的情況下。為提高字符識別的準(zhǔn)確率，采用能夠權(quán)衡字符多個特征權(quán)重來進(jìn)行判定的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法更為合適[9-11]。用于字符識別的典型三層BP-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)見圖5。

圖5 用于字符識別的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

設(shè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入為x1，x2，…，xi，…，xN，則將隱含層輸出y1，y2，…，yj，…，yL和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出o1，o2，…，ok，…，oM表示為

(1)

(2)

BP-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層由93個節(jié)點(diǎn)組成，涵蓋了水尺字符的輪廓特征、網(wǎng)格特征、投影特征等多個參數(shù)。輸出層由11個節(jié)點(diǎn)組成，分別對應(yīng)數(shù)字“0～9”和字母“M”。隱含層由48個節(jié)點(diǎn)組成，其中每個節(jié)點(diǎn)都分別與輸入層和輸出層的全部節(jié)點(diǎn)相連接。當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果o1，o2，…，ok，…，oM與期望值d1，d2，…，dk，…，dM不相符時，可將產(chǎn)生的誤差E反向傳輸至網(wǎng)絡(luò)之中。

(3)

按照梯度下降法調(diào)整層間權(quán)值vij和wjk。

(4)

(5)

經(jīng)過多次往復(fù)便可得到正確的輸出結(jié)果，進(jìn)而通過多幅典型水尺圖像的反復(fù)訓(xùn)練，最終形成適應(yīng)性較強(qiáng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2.2 吃水線識別

得益于爬壁機(jī)器人在采集水尺圖像時可以靈活地調(diào)整拍攝角度，吃水線在圖像中的位置和方向可控，給吃水線識別帶來了較多方便。識別的關(guān)鍵在于排除水面波動引起的反射光干擾，準(zhǔn)確區(qū)分船側(cè)板與水面之間的界線，常用的檢測算子包括Sobel、Log、Canny等[12-13]。在利用以上傳統(tǒng)邊緣檢測算子進(jìn)行識別時，確定濾波器的大小和閾值存在較大困難，還時常得到上下2條難辨真假的吃水線。其中的假水線是由于波浪起伏在船側(cè)板留下的水痕，見圖6a)。受到海水浸潤的船側(cè)板會發(fā)生亮度變化，造成其與相鄰區(qū)域灰度值上的不連續(xù)，這種特征在晴朗的天氣下尤為明顯。

圖6 水尺圖像的RGB空間分量及其直方圖

考慮到船側(cè)板與水面在顏色上存在明顯的差異，考慮基于彩色圖像分割算法對不同顏色空間的圖像進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)吃水線在水尺圖像中的準(zhǔn)確定位。

觀察水尺圖像6a)所對應(yīng)的灰度直方圖6e)可以看出，在灰度值分布較為集中的區(qū)域隱約存在雙峰結(jié)構(gòu)。提取RGB空間分量圖6b)、c)、d)，對比其直方圖6f)、g)、h)的分布特征發(fā)現(xiàn)，R空間直方圖中呈現(xiàn)出明顯的雙峰結(jié)構(gòu)。由于散貨船浸沒在水下部分的側(cè)板通常涂裝具有特殊防腐蝕作用的紅色油漆，而貨物碼頭的渾濁海水多呈現(xiàn)暗綠色至暗黃色，所以兩者之間在灰度值分布上會呈現(xiàn)出較明顯的差別。于是可以在R空間直方圖中選取兩峰間最低處所對應(yīng)的灰度為閾值T，對圖像中的船側(cè)板和水面進(jìn)行準(zhǔn)確分割。則對于R空間圖像中的任意像素點(diǎn)R(x,y)，根據(jù)閾值T分割得到的像素點(diǎn)RBW(x,y)表示為

(6)

式中：1為目標(biāo)；0為背景。

海水浸潤導(dǎo)致對R空間圖像影響較小，而且以直方圖中2峰間最低處對應(yīng)的灰度為閾值能夠避免局部顏色差異帶來的干擾，分割結(jié)果中未留下假水線的明顯痕跡，見圖7。

圖7 基于彩色圖像分割的吃水線識別結(jié)果

進(jìn)一步提取圖7a)所示的分割結(jié)果可得到圖7b)所示的邊緣像素點(diǎn)。所得圖像中一條由邊緣像素點(diǎn)構(gòu)成的吃水線已清晰可辨，不過圖像中的噪聲點(diǎn)也造成了吃水線的不連續(xù)，而且這種情況在吃水線橫跨過水尺字符時表現(xiàn)得尤為突出。利用霍夫變換把不連續(xù)的像素組裝成線段，并選取其中橫跨整幅圖像的那一條得到圖7c)所示的吃水線。在選取吃水線時可將其位置限定在下半部分圖像中，將其角度限定在±15°之間，以提高對其判定的速度和準(zhǔn)確率。再將吃水線重新映射到原圖中，形成圖7d)所示的吃水線位置標(biāo)記。

2.3 吃水深度計算

吃水深度計算的關(guān)鍵在于比較吃水線在數(shù)字化水尺上的位置，還應(yīng)特別注意水尺圖像中不同字符間距的變化情況。攝像機(jī)與水尺間的拍攝角度會導(dǎo)致字符間距發(fā)生變化。通常圖像中越靠近吃水線的字符間距越小，利用非線性擬合確定吃水線上下2個字符間像素所代表的吃水深度變化量?？紤]到利用霍夫變換求取的吃水線位置可達(dá)到亞像素量級，使得吃水深度最終計算精度達(dá)到1 mm，明顯高于規(guī)程中10 mm的單次觀測精度要求。此外，可進(jìn)一步求取20P連續(xù)水尺圖像的平均吃水深度作為最終輸出結(jié)果，以降低波浪起伏對吃水深度計算帶來的影響。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先在6 000 t遠(yuǎn)洋實(shí)習(xí)船“育鯤”上進(jìn)行船舶水尺計重系統(tǒng)功能測試，又在黃驊港的多條散貨船上進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)。黃驊港某57 000 t散貨船的外側(cè)三面水尺測量結(jié)果見圖8，利用裝載煤炭的15 min作業(yè)間隔時段便得以完成測量，耗時相對于借助小艇或繩梯進(jìn)行觀測的傳統(tǒng)方法優(yōu)勢明顯。20P連續(xù)水尺圖像的平均吃水深度輸出分別為3.056、5.942和8.786 m，而單幅圖像所得吃水深度的波動范圍均超過100 mm。

圖8 某散貨船外水尺測量結(jié)果

4 結(jié)論

基于圖像采集和處理的水尺計重方法能夠滿足《駁船水尺計重技術(shù)規(guī)程》的要求，并且不需要對船舶進(jìn)行改造或加裝傳感器。借助具備高清攝像功能的爬壁機(jī)器人采集水尺圖像，可以避免檢定人員攀爬繩梯接近水尺的危險。利用數(shù)字化圖像處理技術(shù)分析吃水深度，可以消除傳統(tǒng)人工觀測中主觀因素的影響。求取多幅水尺圖像的平均吃水深度作為輸出結(jié)果，更可有效降低風(fēng)浪所造成的影響，特別順應(yīng)現(xiàn)代化港口對精細(xì)化管理的需求。此外，考慮到水尺計重工作即使在夜間也應(yīng)照常進(jìn)行，此時所拍攝水尺圖像中的顏色特征會發(fā)生明顯變化。因而還需要研究權(quán)衡RGB、YUV、HSV等多種顏色空間分量來綜合判定吃水線位置的方法，以進(jìn)一步提高水尺圖像處理算法的適應(yīng)性。