基于OpenCV的船舶載重量計(jì)算

何浩 李文華 陳先國(guó) 黃達(dá) 張鈞儼

摘要：對(duì)于在內(nèi)河航道上通行的船舶，如何計(jì)算出這些船舶的載重量成為一個(gè)重要的任務(wù)，文章設(shè)計(jì)了一種基于OpenCV的船舶載重量計(jì)算系統(tǒng)，通過深度學(xué)習(xí)的方式對(duì)船舶的船舷和船舶類型進(jìn)行識(shí)別，找出船舷的上下分界線，最后根據(jù)船舶類型從類型數(shù)據(jù)庫(kù)取出船舶的基本信息（高度、空載吃水量、滿載吃水量等相關(guān)信息） 后進(jìn)行相關(guān)計(jì)算得到船舶載重量。

關(guān)鍵詞：OpenCV;船舶;船舷;載重量;深度學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào)：TP311? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）10-0100-02

1 引言

近些年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，促進(jìn)了社會(huì)的發(fā)展。為了響應(yīng)國(guó)家“十四五”提出的戰(zhàn)略方針（航道建設(shè)） ，在以數(shù)字航道建設(shè)[1]為基礎(chǔ)的前提下，建設(shè)高性能數(shù)據(jù)交換體系，來確保航道的高速發(fā)展。在智慧城市中，統(tǒng)計(jì)運(yùn)行在道路上的車輛載重量已經(jīng)不是什么難題。然而，如何有效地統(tǒng)計(jì)出每天甚至每年江面上船舶運(yùn)載量成為一項(xiàng)重要的任務(wù)。

針對(duì)這一問題，在考慮低成本的前提下，本文提出了一種現(xiàn)階段最為流行的數(shù)字圖像處理技術(shù)去計(jì)算船舶吃水線[2]的方法，通過對(duì)攝像頭采集的視頻圖像進(jìn)行處理與分析后，從而得到每艘船舶的載重量。使用該方法不僅減少了人力和財(cái)力的投入，而且在網(wǎng)絡(luò)保證的前提下，本系統(tǒng)可以被廣泛地應(yīng)用到野外環(huán)境。

2 系統(tǒng)框架

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由攝像頭（?？低暎?、邊緣計(jì)算機(jī)（Jetson Nano） 、中央服務(wù)器（Linux） 構(gòu)成。由于邊緣計(jì)算機(jī)具有尺寸小巧，處理效果較佳等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足本地視頻圖像處理的速度要求，邊緣計(jì)算機(jī)將接收到的流數(shù)據(jù)通過解碼操作還原成圖像后，利用相關(guān)技術(shù)手段對(duì)圖像進(jìn)行處理與分析得到船舷高度，再結(jié)合相關(guān)的參數(shù)計(jì)算出載重量，邊緣計(jì)算機(jī)解決了將大量視頻流數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街醒敕?wù)器這一過程中的所帶來的高帶寬、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和丟包等相關(guān)問題。實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)本地化處理，將最終的處理結(jié)果送至中央服務(wù)器中，減少了因網(wǎng)絡(luò)故障造成系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間無響應(yīng)的影響。硬件數(shù)據(jù)流向如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)是基于arm架構(gòu)上使用VS Code集成開發(fā)環(huán)境（IDE），c/c++語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，流程框圖如圖2所示。

（1） 獲取攝像頭數(shù)據(jù)

獲取攝像頭數(shù)據(jù)主要有兩種方式。第一種是使用GB28181[3]方式獲取攝像頭實(shí)時(shí)流數(shù)據(jù)，通過該方式獲取攝像頭數(shù)據(jù)的前提是需要自己實(shí)現(xiàn)視頻服務(wù)平臺(tái)，并且要遵循國(guó)標(biāo)GB28181協(xié)議，該方式的優(yōu)點(diǎn)可以對(duì)接任意品牌的攝像頭，缺點(diǎn)是通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)受帶寬影響會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和網(wǎng)絡(luò)擁塞等情況，出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，甚至可能造成長(zhǎng)時(shí)間無法取到視頻流數(shù)據(jù)。第二種是使用RTSP[4]協(xié)議直接連接攝像頭獲取數(shù)據(jù)，減少了中轉(zhuǎn)服務(wù)中專數(shù)據(jù)過程，加快了數(shù)據(jù)獲取速度。

（2） 幀數(shù)據(jù)還原成圖片

不管是通過GB28181協(xié)議的方式獲取視頻流數(shù)據(jù)還是通過RTSP協(xié)議的方式獲取視頻流數(shù)據(jù)，視頻編碼的格式都是采用H264方式進(jìn)行壓縮傳輸?shù)?，解碼的時(shí)候使用FFmpeg[5]進(jìn)行了圖像解碼，眾所周知的是在數(shù)字圖像中存在著空間冗余、時(shí)間冗余、視覺冗余、知識(shí)冗余、信息熵冗余、結(jié)構(gòu)冗余，如果將原始大小的圖片進(jìn)行傳輸，這將占用大量的帶寬，增加了成本的投入。在H264中，定義了三種幀，關(guān)鍵幀（I幀，解碼出來就是一幅完整的圖像） 、前向預(yù)測(cè)編碼幀（P幀） 、雙向預(yù)測(cè)內(nèi)插編碼幀（B幀） ，其中P幀與B幀解碼成圖像需要依賴于I幀，為了減少帶寬、降低流量，只需要傳輸I幀（44K左右） ，獲取壓縮后的I幀原始數(shù)據(jù)如左圖所示，根據(jù)H264方式編碼進(jìn)行相應(yīng)的解碼得到的是YUV格式，需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)換才能得到RGB格式的圖像。如圖3所示，左圖為待解碼的數(shù)據(jù)，右圖為解碼后的圖像。

（3） 圖像處理及分析

將上述還原后的圖像送至檢測(cè)器中可以粗略地提取出圖像中船舷的位置，這里檢測(cè)器使用人工智能、深度學(xué)習(xí)的方式實(shí)現(xiàn)，通過OpenCV將檢測(cè)器框出的船舷位置進(jìn)行切割（只保留框選處的位置，下圖的數(shù)字即是該矩形框的邊界） 處理后，這將大大減少圖像中其他因素對(duì)最終結(jié)果產(chǎn)生的干擾，再結(jié)合OpenCV邊緣檢測(cè)、霍夫曼直線檢測(cè)等技術(shù)手段，找出船舷的上邊距與下邊距位置。

根據(jù)船舶類型從船舶類型數(shù)據(jù)庫(kù)取出船舶參數(shù)，假定：型深H、空載吃水h0、空載重量T0，滿載吃水hn、滿載重量Tn。如圖5所示，綠色線為空載吃水線、紅色線為滿載吃水線、藍(lán)色虛線為當(dāng)前吃水線。同時(shí)假設(shè)：空載時(shí)船面積為S0，滿載時(shí)船面積為Sn，船底面積為Sb，船頂面積為St，則有以下關(guān)系式：

空載時(shí)載重T0 = （S0 + Sb） / 2 * h0 （1）

滿載時(shí)載重Tn = （Sn + Sb） / 2 * hn （2）

船頂面積為St可以通過激光雷達(dá)測(cè)量，假設(shè)Sn = α*St，α根據(jù)不同船舶類型指定，如：0.9。式1與2聯(lián)合，可以計(jì)算出S0和Sb。

通過側(cè)視攝像機(jī)檢測(cè)出船舷離水面的高度為h，則：

船舶載重吃水 dh = H - h - h0 （3）

船舶載重面積 St ： S = h + dh ： dh，則 S = （St * dh） / （h + dh） （4）

最后計(jì)算出船舶載重量dT = （S0 + S） / 2 * dh （5）

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用上述所提出的方案，將解碼后的圖像送至檢測(cè)器中，提取出靠近船舷部分的局部區(qū)域，減少周邊物體的干擾，可以測(cè)出船舷上邊界與下邊界的距離（distance） 、系統(tǒng)檢測(cè)所消耗的時(shí)間（detection time） 等相關(guān)信息，從下列結(jié)果可以看出，檢測(cè)的效果較佳，更加有利于在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中使用。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于OpenCV計(jì)算船舷的高度，從而計(jì)算出船舶載重量的方法。在整個(gè)系統(tǒng)中，從硬件層面看，系統(tǒng)中所使用的硬件設(shè)備可以滿足系統(tǒng)的需求，邊緣計(jì)算機(jī)保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和持久性，實(shí)時(shí)有效地對(duì)視頻流信息進(jìn)行處理與分析后，只需要將最終的處理結(jié)果上傳到中央服務(wù)器即可，從軟件架構(gòu)方面看，使用c/c++方式實(shí)現(xiàn)軟件層架構(gòu)，加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。采用邊緣化的方式部署該系統(tǒng)，一方面減少了因網(wǎng)絡(luò)故障而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓的問題，另一方面與傳統(tǒng)方式對(duì)比，該系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)、獨(dú)立性強(qiáng)、耦合度低。

參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：梁書】

收稿日期：2021-11-16

作者簡(jiǎn)介：何浩（1996—） ，男，湖北人，在讀碩士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺;李文華（1965—） ，男，湖北人，副教授，研究方向?yàn)檐浖こ?、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、GIS技術(shù)。