浮動航標(biāo)視覺識別技術(shù)研究前瞻

李楠 張峰

摘 要：航標(biāo)設(shè)施作為水上交通運輸基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性、保障性資源，需要不斷跟進(jìn)科技發(fā)展步伐，持續(xù)發(fā)揮助航效能。浮動航標(biāo)作為最為傳統(tǒng)的助航標(biāo)志，如何在智能航運、E航海、無人船時代繼續(xù)發(fā)揮效能需要我們認(rèn)真思考和研究。而計算機(jī)視覺識別技術(shù)作為前沿科技研究成果可以引入傳統(tǒng)航標(biāo)領(lǐng)域。本文通過對浮動航標(biāo)視覺識別技術(shù)研究的成果前瞻，設(shè)想了研究的主要內(nèi)容、主要方向、主要應(yīng)用等方面，為計算機(jī)視覺識別技術(shù)引入傳統(tǒng)航標(biāo)領(lǐng)域提供了技術(shù)設(shè)想和前瞻。

關(guān)鍵詞：浮動航標(biāo) 視覺識別 航標(biāo)效能

航標(biāo)即助航標(biāo)志，是幫助船舶安全、經(jīng)濟(jì)和便利航行而設(shè)置的視覺的、音響的和無線電的有信息服務(wù)作用的設(shè)施。其中，視覺航標(biāo)在航標(biāo)系統(tǒng)中占據(jù)主要位置，也是數(shù)量最多、最為傳統(tǒng)的助航標(biāo)志。隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，船舶已經(jīng)配備了GPS、AIS、電子海圖等導(dǎo)助航信息系統(tǒng)，視覺航標(biāo)在現(xiàn)代船舶導(dǎo)助航體系中的功能有所弱化。而隨著智能航運的發(fā)展，E航海、無人船時代的來臨，依靠視覺進(jìn)行識別的航標(biāo)如何繼續(xù)發(fā)揮原有效能，在未來的信息化時代繼續(xù)占有一席之地需要我們認(rèn)真思考。而計算機(jī)視覺識別技術(shù)在其他領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用為我們提供了很好的借鑒。

1.計算機(jī)視覺識別技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

計算機(jī)視覺是一門研究如何使機(jī)器“看”的科學(xué)，更進(jìn)一步的說，就是是指用攝影機(jī)和電腦代替人眼對目標(biāo)進(jìn)行識別、跟蹤和測量等，并進(jìn)一步做圖形處理，使其成為更適合人眼觀察或傳送給儀器檢測的圖像。簡而言之，計算機(jī)視覺就是用各種成象系統(tǒng)代替視覺器官作為輸入敏感手段，由計算機(jī)來代替大腦完成處理和解釋。計算機(jī)視覺的最終研究目標(biāo)就是使計算機(jī)能象人那樣通過視覺觀察和理解世界，具有自主適應(yīng)環(huán)境的能力。目前，最為廣泛應(yīng)用的是人臉識別技術(shù)。該技術(shù)已在商業(yè)場所、住宅保安系統(tǒng)得到了深入應(yīng)用，并逐步擴(kuò)展到移動終端領(lǐng)域。物體識別技術(shù)也是計算機(jī)視覺的一項基礎(chǔ)研究，就是識別出圖像中有什么物體。其關(guān)鍵是特征提取，計算機(jī)通過不斷、反復(fù)、大量的對同一類物體圖像進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，從而提取識別物體的關(guān)鍵特征和普遍特征，進(jìn)而具備在紛亂復(fù)雜的環(huán)境中識別出物體的能力。

2.研究的主要內(nèi)容

航標(biāo)按配布的水域可分為海區(qū)航標(biāo)和內(nèi)河航標(biāo)。按配布位置的可靠性可分為固定航標(biāo)和浮動航標(biāo)。相對于固定航標(biāo)的外形不盡相同，浮動航標(biāo)外形基本上符合《浮標(biāo)通用技術(shù)條件》（JT/T 760-2009）。本研究的主要內(nèi)容即海上浮動航標(biāo)的視覺識別技術(shù)。浮動航標(biāo)是具有一定形狀、尺寸、顏色的漂浮物體，錨碇在指定位置用作助航標(biāo)志。浮動航標(biāo)包括燈浮標(biāo)、浮標(biāo)和燈船。燈浮標(biāo)主要有不同尺寸的常規(guī)燈浮標(biāo)、冰期燈浮標(biāo)和四季通用燈浮標(biāo)等。浮標(biāo)主要有棒標(biāo)及不加裝燈器的常規(guī)燈浮標(biāo)等。燈浮標(biāo)和浮標(biāo)的形狀基本有罐形、錐形、球形、柱形和桿形。最為常用的是柱形的常規(guī)燈浮標(biāo)和四季通用燈浮標(biāo)、錐形的冰期燈浮標(biāo)等。浮動航標(biāo)視覺識別技術(shù)研究的重點也是最為廣泛應(yīng)用的常規(guī)燈浮標(biāo)、冰期燈浮標(biāo)和四季通用燈浮標(biāo)等。

3.研究的主要方向

（1）浮動航標(biāo)視覺識別技術(shù)研究的第一步也是最為重要的一步是能應(yīng)用計算機(jī)視覺識別技術(shù)在復(fù)雜海洋環(huán)境背景下識別出海上浮動航標(biāo)，包括標(biāo)志主體特征、標(biāo)志種類等。相對于夜間海上特別是碼頭附近背景燈光復(fù)雜、辨識度低等特點，可以先行開展日間海上浮動航標(biāo)視覺識別技術(shù)研究。日間，海上浮動航標(biāo)主要以標(biāo)體顏色、頂標(biāo)形狀區(qū)分標(biāo)志種類。初期研究以應(yīng)用計算機(jī)視覺識別技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境中識別出海上浮動航標(biāo)，并依據(jù)標(biāo)體顏色、頂標(biāo)形狀判斷標(biāo)志種類為主要內(nèi)容。該項研究需要收集整理不同背景、不同氣象條件下各類型浮動航標(biāo)的水中姿態(tài)圖片，這項工作也是最為艱苦、時間最長的工作。在此過程中，計算機(jī)通過學(xué)習(xí)收集整理的大量圖片，提取浮動航標(biāo)的特征，進(jìn)而在復(fù)雜背景下、眾多物體中識別出浮動航標(biāo)，并判斷標(biāo)志種類。該項研究同時也需要進(jìn)行大量的海上實景測試。

（2）應(yīng)用計算機(jī)視覺識別技術(shù)對海上浮動標(biāo)志進(jìn)行有效識別后，進(jìn)一步開展視覺識別海上浮動航標(biāo)的有效距離測試。按《海區(qū)航標(biāo)效能驗收規(guī)范》（JT/T 759-2009），浮動航標(biāo)在不小于1海里顯形視距內(nèi)，肉眼能較清晰辨認(rèn)標(biāo)色。按《海區(qū)浮動助航標(biāo)志配備導(dǎo)則》（GB/T 26781-2011），沿航道軸線設(shè)置的同側(cè)標(biāo)志間的距離，在標(biāo)準(zhǔn)氣象能見度（T=0.74）條件下，對直線段的浮標(biāo)間距，原則上白天應(yīng)達(dá)到能從一座浮標(biāo)處看到同一側(cè)相鄰的下一座浮標(biāo)。 該項研究以標(biāo)準(zhǔn)氣象能見度為基準(zhǔn)，測試計算機(jī)視覺識別技術(shù)有效識別海上浮動航標(biāo)的有效距離。該項研究取決于兩個方面，一是取景攝像頭的選取及攝像頭安裝位置，通過測試尋求具備最佳效果的取景攝像頭。而對于攝像頭安裝的位置，一般應(yīng)安裝在船舶駕駛室前端，與駕駛?cè)藛T瞭望位置相符。二是計算機(jī)深度學(xué)習(xí)的效果，而通過有效距離測試也是加深計算機(jī)深度學(xué)習(xí)效果。

（3）對應(yīng)用計算機(jī)視覺識別技術(shù)對海上浮動航標(biāo)有效識別并形成有效距離測試數(shù)據(jù)后，進(jìn)一步開展視覺識別海上浮動航標(biāo)的連續(xù)性測試。按《海區(qū)浮動助航標(biāo)志配備導(dǎo)則》（GB/T 26781-2011），沿航道軸線設(shè)置的同側(cè)標(biāo)志間的距離，在標(biāo)準(zhǔn)氣象能見度（T=0.74）條件下，對直線段的浮標(biāo)間距，原則上白天應(yīng)達(dá)到能從一座浮標(biāo)處看到同一側(cè)相鄰的下一座浮標(biāo)。該項研究以視覺識別海上浮動側(cè)面標(biāo)志為主。通過有效識別出一側(cè)一座側(cè)面標(biāo)志后，測試應(yīng)用計算機(jī)識別視覺技術(shù)連續(xù)識別同類型海上浮動航標(biāo)的反應(yīng)時間。同時，可進(jìn)一步研究計算機(jī)通過對兩座及以上雙側(cè)側(cè)面標(biāo)志進(jìn)行有效識別后對航道走向的預(yù)測判斷、對下一座側(cè)面標(biāo)志位置的預(yù)測判斷。

（4）應(yīng)用計算機(jī)視覺識別技術(shù)對海上浮動航標(biāo)進(jìn)行有效識別后，進(jìn)一步研究海上浮動航標(biāo)缺陷判斷。即通過計算機(jī)的深度學(xué)習(xí)，對因碰撞、刮蹭而標(biāo)體損壞、變形的海上浮動航標(biāo)進(jìn)行缺陷判斷，形成預(yù)警信息。

4.研究的主要應(yīng)用

（1）為智能航運、e航海、無人船發(fā)展提供技術(shù)支持。隨著智能航運的發(fā)展、e航海的實踐、無人船的深入研究，作為水上交通運輸基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性、保障性資源的航標(biāo)設(shè)施需要盡快融入未來發(fā)展需求、展現(xiàn)新的發(fā)展趨勢。特別是視覺航標(biāo)需要繼續(xù)發(fā)揮傳統(tǒng)助航優(yōu)勢、跟上時代發(fā)展需求。智能航運、e航海、無人船的共同點就是廣泛應(yīng)用信息化手段、減少人為因素影響，構(gòu)建更為安全、便捷、經(jīng)濟(jì)的航運模式。海上浮動航標(biāo)視覺識別技術(shù)研究可以提供輔助航行安全信息，為船舶導(dǎo)航系統(tǒng)提供航行水域?qū)嶋H助航信息。

（2）為海上浮動航標(biāo)效能核查提供技術(shù)支持。按《海區(qū)航標(biāo)效能驗收規(guī)范》（JT/T 759-2009），視覺航標(biāo)的效能核查一般通過人眼目測的方式，對于其作用距離測試也是依人為主觀判斷。作為航標(biāo)主管機(jī)關(guān)，航標(biāo)效能核查是最為重要的一項工作，也是對航標(biāo)管理、維護(hù)水平的客觀評價。海上浮動航標(biāo)視覺識別技術(shù)研究可以提供航標(biāo)效能的客觀依據(jù)，進(jìn)而為航標(biāo)效能核查提供數(shù)據(jù)支持。

（3）為航標(biāo)視頻巡檢提供技術(shù)支持。隨著圖像獲取技術(shù)的發(fā)展，視頻航標(biāo)巡檢逐漸受到關(guān)注。視頻航標(biāo)巡檢即通過攝像頭獲取某一區(qū)域內(nèi)航標(biāo)視頻片段，從而對航標(biāo)狀況進(jìn)行分析。而分析航標(biāo)視頻片段的工作一般由人工進(jìn)行，效率低且易誤判和漏判。海上浮動航標(biāo)視覺識別技術(shù)研究可以為航標(biāo)視頻巡檢提供技術(shù)支持，通過計算機(jī)的分析判斷尋找存在外觀缺陷的航標(biāo)，進(jìn)而進(jìn)一步分析尋找存在異常狀況的航標(biāo)。若航標(biāo)標(biāo)體存在損壞等情況，及時實施航標(biāo)效能恢復(fù)工作。

5.結(jié)束語

計算機(jī)視覺技術(shù)經(jīng)過長期的發(fā)展和研究已經(jīng)逐漸應(yīng)用到現(xiàn)實，在商業(yè)場所、住宅安保等方面發(fā)揮著重要作用，并逐步擴(kuò)展到移動終端領(lǐng)域。航標(biāo)設(shè)施作為水上交通運輸最為基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性、保障性資源，需要不斷適應(yīng)科技發(fā)展，持續(xù)發(fā)揮助航效能。而通過浮動航標(biāo)視覺識別技術(shù)的研究可以為傳統(tǒng)航標(biāo)如何適應(yīng)智能航運、E航海、無人船時代的發(fā)展需求提供一定的借鑒。