一種橋梁防撞系統中的虛擬航道構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中的虛擬航道構建與船舶偏航檢測方法。首先在橋梁通航孔安裝攝像機，采集航道圖像視頻信息，然后對采集的視頻信息進行處理，最后在視頻圖像上顯示出虛擬航道，通過計算船舶到虛擬航道的距離判斷輪船是否偏航。對有航標和沒有航標情況用不同的方法構建虛擬航道，對不同的河道地形構建出適應實際地形的直線型、C型和S型虛擬航道，能夠準確繞開障礙物，保證船舶航行安全。實驗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

文獻標識碼：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

隨著交通運輸業的不斷發展，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、風浪等情況復雜，不可避免地會有船舶碰撞風險[2-3]，因此研究橋梁防撞的預警方法很有價值。

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

通過航道檢測實現預警的方法屬于主動防撞[6]，該方法目前主要應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有航標，但仍存在船撞橋的風險。因此，建立虛擬航道的方法實現船舶偏航檢測，防止發生船撞橋事故顯得尤為重要[7]。

1棋盤格標定法

1.1棋盤格標定算法

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

1.2張正友棋盤格標定算法實現

把25個點的世界坐標（齊次坐標）進行轉置[8]，對單應性矩陣求解并優化。把6幅圖的單應矩陣求解出來后求解出B矩陣。因為每個單應矩陣可得到兩個方程，通過循環對矩陣y賦值后，再對y進行正交分解即可得到B矩陣，進而得到相機的內參矩陣。

先求解出相機的外參，然后對畸變系數進行求解，得到相機坐標（Xc，Yc，Zc）。

調用函數對內參和畸變系數進行優化并顯示優化后的結果，然后根據優化后的結果求解外參矩陣。

從旋轉矩陣中分解出獨立變量（3個坐標的轉角）得到平移矩陣，最后把它們和內參、畸變系數一起進行最終優化。

2虛擬航道構建

如圖1，根據張正友棋盤標定原理，完成攝像機的標定與投影，得出兩條虛線航道線的4個端子圖像坐標[9-10]。從攝像機捕獲視頻幀，定義高斯背景模型，用第一幀創建高斯背景模型，使用當前幀更新高斯背景模型[11]，將高斯背景模型的背景圖像復制到事先定義的背景圖像中[12]，使用瞬時差分法獲得不包含運動區域的當前幀并更新背景。當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，剩下的為運動目標，基于視頻監控與分析系統檢測船舶是否偏航[13]。

2.1航道兩側存在航標情況

對捕獲圖像進行自適應二值化處理和高斯模糊處理，對圖像進行邊緣檢測[14]，對圖像進行輪廓檢測并設定為只檢測最外層輪廓，得到各航標的最外層輪廓，獲取每個航標輪廓的第一個像素點坐標，利用點集的直線擬合函數對獲取的坐標點進行擬合，在視頻上顯示由航標點近似擬合的虛擬航道線。

2.2航道兩側不存在航標情況

如圖2，橋梁附近水域為直線型航道情況，利用繪圖函數繪制連接兩個點線段，從而在4個端點A、B、C和D之間直接繪制出兩條直的航道線la和lb，構建出直線型虛擬航道，該虛擬航道的寬度設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的形狀根據實際地形通過改變控制點坐標進行調節。為保證虛擬航道線cc和cd平行，坐標點A和C對應的坐標只有x坐標不同，坐標點B和D對應的坐標只有x坐標不同，對應的控制點也只有x坐標不同，且對應x坐標的差值應為通航孔在圖像坐標系中對應的寬度。

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的形狀根據實際地形通過改變控制點坐標調節[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的控制點坐標可根據障礙物所在位置適當調節。

3船舶偏航檢測方法設計

3.1直線型航道船舶偏航檢測

對于直線型虛擬航道，對視頻幀自適應二值化處理、高斯模糊處理，對圖像進行邊緣檢測，再對圖像檢測輪廓，得到標記運動船舶的矩形框輪廓，從而獲得矩形框左上角頂點坐標（x，y），則矩形框左下角頂點A的坐標為（x，y+height），右下角頂點B的坐標為（x+width，y+height）。已知虛擬航道線的端點坐標可求出虛擬航道線的表達式，利用點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，對視頻幀進行自適應二值化處理、高斯模糊處理，對圖像進行邊緣檢測，再對圖像檢測輪廓，得到標記運動船舶的矩形框輪廓，從而獲得矩形框左上角頂點坐標（x，y），則矩形框左下角頂點A的坐標為（x，y+height），右下角頂點B的坐標為（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。本實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坐標（xi，yi），利用勾股定理分別計算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結語

本方案基于MicrosoftVisualStudio開發環境以及opencv函數庫，主要完成的工作有：

（1）應用張正友棋盤格標定法進行攝像機標定，將給定水面上虛擬航道四端子從世界坐標轉換到圖像坐標，確定虛擬航道線端子坐標。

（2）實地考察，拍攝視頻，對攝像機捕獲的圖像進行運動船舶檢測。實時計算船舶與虛擬航道距離，判斷船舶是否偏航。

（3）對航道兩側存在航標的情況，利用航標點擬合直線，構建出虛擬航道。對航道兩側不存在航標的情況，利用貝塞爾曲線構建出虛擬航道。

（4）通過計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，本仿真系統可靠，能根據用戶設定的通航口寬度、監測距離、實際的河道情況，繪制相應的虛擬航道，全天侯針對運動船舶的異常航行狀況及時作出反饋，提醒船員采取措施。

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（責任編輯：杜能鋼）