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标题 一种桥梁防撞系统中的虚拟航道构建与船舶偏航检测方法
范文 郭乾 周曙 何信 邵华平

摘要：提出一种桥梁防撞系统中的虚拟航道构建与船舶偏航检测方法。首先在桥梁通航孔安装摄像机，采集航道图像视频信息，然后对采集的视频信息进行处理，最后在视频图像上显示出虚拟航道，通过计算船舶到虚拟航道的距离判断轮船是否偏航。对有航标和没有航标情况用不同的方法构建虚拟航道，对不同的河道地形构建出适应实际地形的直线型、C型和S型虚拟航道，能够准确绕开障碍物，保证船舶航行安全。实验表明该方法具有较高的正确率，对提高桥梁和船舶航行安全具有重要意义。
关键词：桥梁防撞；虚拟航道；偏航检测
DOI：10.11907/rjdk.173169
中图分类号：TP319
文献标识码：A文章编号：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
隨着交通运输业的不断发展，大量跨海、跨江桥梁兴建[1]。这种桥梁本身所处的江、海域大都是繁忙的航道，其水流、波涛、风浪等情况复杂，不可避免地会有船舶碰撞风险[2-3]，因此研究桥梁防撞的预警方法很有价值。
桥梁防撞设计方法分主动防撞和被动防撞[4]两种。主动防撞是通过对船舶的航行管理和航行轨迹干预，避免船舶撞击桥梁；被动防撞是通过桥墩安装辅助防撞设施抵御船舶撞击，避免撞击事故发生或降低受损程度。目前桥梁防撞问题研究大部分集中在被动防撞方面，主动防撞研究尚不多见，而一旦有船只偏离航道就可能导致船毁桥亡[5]。
通过航道检测实现预警的方法属于主动防撞[6]，该方法目前主要应用于公路交通中的车道检测，水路交通中的航道与车道有着本质不同，航道没有类似公路的车道线可供检测，虽然主要大型桥梁航道两边都设有航标，但仍存在船撞桥的风险。因此，建立虚拟航道的方法实现船舶偏航检测，防止发生船撞桥事故显得尤为重要[7]。
1棋盘格标定法
1.1棋盘格标定算法
1999年，微软研究院的张正友提出了基于移动平面模板的相机标定方法。此方法是介于传统标定方法和自标定方法之间的一种方法，利用摄像机拍摄的图像还原空间中的物体。
1.2张正友棋盘格标定算法实现
把25个点的世界坐标（齐次坐标）进行转置[8]，对单应性矩阵求解并优化。把6幅图的单应矩阵求解出来后求解出B矩阵。因为每个单应矩阵可得到两个方程，通过循环对矩阵y赋值后，再对y进行正交分解即可得到B矩阵，进而得到相机的内参矩阵。
先求解出相机的外参，然后对畸变系数进行求解，得到相机坐标（Xc，Yc，Zc）。
调用函数对内参和畸变系数进行优化并显示优化后的结果，然后根据优化后的结果求解外参矩阵。
从旋转矩阵中分解出独立变量（3个坐标的转角）得到平移矩阵，最后把它们和内参、畸变系数一起进行最终优化。
2虚拟航道构建
如图1，根据张正友棋盘标定原理，完成摄像机的标定与投影，得出两条虚线航道线的4个端子图像坐标[9-10]。从摄像机捕获视频帧，定义高斯背景模型，用第一帧创建高斯背景模型，使用当前帧更新高斯背景模型[11]，将高斯背景模型的背景图像复制到事先定义的背景图像中[12]，使用瞬时差分法获得不包含运动区域的当前帧并更新背景。当前帧与前一帧做差分并二值化处理，找到差分图像中的轮廓，得到轮廓的外接矩形，将面积小的矩形视为噪音抛弃，剩下的为运动目标，基于视频监控与分析系统检测船舶是否偏航[13]。
2.1航道两侧存在航标情况
对捕获图像进行自适应二值化处理和高斯模糊处理，对图像进行边缘检测[14]，对图像进行轮廓检测并设定为只检测最外层轮廓，得到各航标的最外层轮廓，获取每个航标轮廓的第一个像素点坐标，利用点集的直线拟合函数对获取的坐标点进行拟合，在视频上显示由航标点近似拟合的虚拟航道线。
2.2航道两侧不存在航标情况
如图2，桥梁附近水域为直线型航道情况，利用绘图函数绘制连接两个点线段，从而在4个端点A、B、C和D之间直接绘制出两条直的航道线la和lb，构建出直线型虚拟航道，该虚拟航道的宽度设定为桥梁通航孔宽度。
如图3，桥梁附近水域地形较为曲折，在获得端点A和B间用贝塞尔曲线[15]拟合出虚拟航道线cc，在获得的端点C和D间用贝塞尔曲线拟合出虚拟航道线cd，虚拟航道线cc和cd的形状根据实际地形通过改变控制点坐标进行调节。为保证虚拟航道线cc和cd平行，坐标点A和C对应的坐标只有x坐标不同，坐标点B和D对应的坐标只有x坐标不同，对应的控制点也只有x坐标不同，且对应x坐标的差值应為通航孔在图像坐标系中对应的宽度。
对于S型河道，如图4所示，在A和B间用贝塞尔曲线拟合出虚拟航道线ce，在端点C和D间用贝塞尔曲线拟合出虚拟航道线cf，虚拟航道线ce和cf的形状根据实际地形通过改变控制点坐标调节[16]。
如果桥梁附近水域存在突出的水岸或小/微型岛屿等障碍物，如图5所示，则可在A、B之间直接绘制出直的虚拟航道线lg，在C和D之间用贝塞尔曲线拟合出虚拟航道线ch，ch的控制点坐标可根据障碍物所在位置适当调节。
3船舶偏航检测方法设计
3.1直线型航道船舶偏航检测
对于直线型虚拟航道，对视频帧自适应二值化处理、高斯模糊处理，对图像进行边缘检测，再对图像检测轮廓，得到标记运动船舶的矩形框轮廓，从而获得矩形框左上角顶点坐标（x，y），则矩形框左下角顶点A的坐标为（x，y+height），右下角顶点B的坐标为（x+width，y+height）。已知虚拟航道线的端点坐标可求出虚拟航道线的表达式，利用点到直线的距离公式可求出A到左虚拟航道线的距离和B到右虚拟航道线的距离，根据求出的距离判断船舶是否偏航。
3.2曲线型船舶偏航检测
对于曲线型虚拟航道，对视频帧进行自适应二值化处理、高斯模糊处理，对图像进行边缘检测，再对图像检测轮廓，得到标记运动船舶的矩形框轮廓，从而获得矩形框左上角顶点坐标（x，y），则矩形框左下角顶点A的坐标为（x，y+height），右下角顶点B的坐标为（x+width，y+height）。提取视频帧中与虚拟航道线相同的BGR值的所有像素点。本实例虚拟航道线为黄色，BGR值为（230，255，0），得到虚拟航道线轮廓，获取虚拟航道线轮廓的所有像素点坐标（xi，yi），利用勾股定理分别计算A（x，y+height）和B（x+width，y+height）到（xi，yi）的距离，取最小距离作为判断船舶是否偏航的参考值，见图6-图8。
4结语
本方案基于MicrosoftVisualStudio开发环境以及opencv函数库，主要完成的工作有：
（1）应用张正友棋盘格标定法进行摄像机标定，将给定水面上虚拟航道四端子从世界坐标转换到图像坐标，确定虚拟航道线端子坐标。
（2）实地考察，拍摄视频，对摄像机捕获的图像进行运动船舶检测。实时计算船舶与虚拟航道距离，判断船舶是否偏航。
（3）对航道两侧存在航标的情况，利用航标点拟合直线，构建出虚拟航道。对航道两侧不存在航标的情况，利用贝塞尔曲线构建出虚拟航道。
（4）通过计算船舶到虚拟航道距离，判断船舶在靠近桥梁的过程中是否偏航。
测试证明，本仿真系统可靠，能根据用户设定的通航口宽度、监测距离、实际的河道情况，绘制相应的虚拟航道，全天侯针对运动船舶的异常航行状况及时作出反馈，提醒船员采取措施。
参考文献：
[1]夏飞.桥梁防撞系统的发展[J].中国水运：理论版，2008（1）：68-69.
[2]邓清文，孙中懿，王端，等.桥梁桥体主动防撞报警系统设计[J].仪器仪表用户，2016，23（12）：16-19.
[3]王淑，任慧，云霄，等.通航桥梁主动防船撞系统及其性能分析[J].中国公路学报，2012（6）：94-100.
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[6]张峰.跨海大桥桥墩防撞技术[D].上海：同济大学，2007.
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[15]王学春，尚继宏.三次贝塞尔曲线拼接模型的折线式等值线曲线化应用[J].测绘科学，2011，36（2）：192-235..
[16]初晓军，刘宣华.基于贝塞尔曲线和路径的气象模式建模仿真[J].现代电子技术，2014，37（10）：12-14.
（责任编辑：杜能钢）
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更新时间：2024/12/22 18:01:58