浮動航標視覺識別技術研究前瞻

李楠 張峰

摘 要：航標設施作為水上交通運輸基礎性、先導性、保障性資源，需要不斷跟進科技發展步伐，持續發揮助航效能。浮動航標作為最為傳統的助航標志，如何在智能航運、E航海、無人船時代繼續發揮效能需要我們認真思考和研究。而計算機視覺識別技術作為前沿科技研究成果可以引入傳統航標領域。本文通過對浮動航標視覺識別技術研究的成果前瞻，設想了研究的主要內容、主要方向、主要應用等方面，為計算機視覺識別技術引入傳統航標領域提供了技術設想和前瞻。

關鍵詞：浮動航標 視覺識別 航標效能

航標即助航標志，是幫助船舶安全、經濟和便利航行而設置的視覺的、音響的和無線電的有信息服務作用的設施。其中，視覺航標在航標系統中占據主要位置，也是數量最多、最為傳統的助航標志。隨著科技的進步和發展，船舶已經配備了GPS、AIS、電子海圖等導助航信息系統，視覺航標在現代船舶導助航體系中的功能有所弱化。而隨著智能航運的發展，E航海、無人船時代的來臨，依靠視覺進行識別的航標如何繼續發揮原有效能，在未來的信息化時代繼續占有一席之地需要我們認真思考。而計算機視覺識別技術在其他領域的蓬勃發展和廣泛應用為我們提供了很好的借鑒。

1.計算機視覺識別技術的發展現狀

計算機視覺是一門研究如何使機器“看”的科學，更進一步的說，就是是指用攝影機和電腦代替人眼對目標進行識別、跟蹤和測量等，并進一步做圖形處理，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，計算機視覺就是用各種成象系統代替視覺器官作為輸入敏感手段，由計算機來代替大腦完成處理和解釋。計算機視覺的最終研究目標就是使計算機能象人那樣通過視覺觀察和理解世界，具有自主適應環境的能力。目前，最為廣泛應用的是人臉識別技術。該技術已在商業場所、住宅保安系統得到了深入應用，并逐步擴展到移動終端領域。物體識別技術也是計算機視覺的一項基礎研究，就是識別出圖像中有什么物體。其關鍵是特征提取，計算機通過不斷、反復、大量的對同一類物體圖像進行深入學習，從而提取識別物體的關鍵特征和普遍特征，進而具備在紛亂復雜的環境中識別出物體的能力。

2.研究的主要內容

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

3.研究的主要方向

（1）浮動航標視覺識別技術研究的第一步也是最為重要的一步是能應用計算機視覺識別技術在復雜海洋環境背景下識別出海上浮動航標，包括標志主體特征、標志種類等。相對于夜間海上特別是碼頭附近背景燈光復雜、辨識度低等特點，可以先行開展日間海上浮動航標視覺識別技術研究。日間，海上浮動航標主要以標體顏色、頂標形狀區分標志種類。初期研究以應用計算機視覺識別技術在復雜環境中識別出海上浮動航標，并依據標體顏色、頂標形狀判斷標志種類為主要內容。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的水中姿態圖片，這項工作也是最為艱苦、時間最長的工作。在此過程中，計算機通過學習收集整理的大量圖片，提取浮動航標的特征，進而在復雜背景下、眾多物體中識別出浮動航標，并判斷標志種類。該項研究同時也需要進行大量的海上實景測試。

（2）應用計算機視覺識別技術對海上浮動標志進行有效識別后，進一步開展視覺識別海上浮動航標的有效距離測試。按《海區航標效能驗收規范》（JT/T 759-2009），浮動航標在不小于1海里顯形視距內，肉眼能較清晰辨認標色。按《海區浮動助航標志配備導則》（GB/T 26781-2011），沿航道軸線設置的同側標志間的距離，在標準氣象能見度（T=0.74）條件下，對直線段的浮標間距，原則上白天應達到能從一座浮標處看到同一側相鄰的下一座浮標。 該項研究以標準氣象能見度為基準，測試計算機視覺識別技術有效識別海上浮動航標的有效距離。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，一般應安裝在船舶駕駛室前端，與駕駛人員瞭望位置相符。二是計算機深度學習的效果，而通過有效距離測試也是加深計算機深度學習效果。

（3）對應用計算機視覺識別技術對海上浮動航標有效識別并形成有效距離測試數據后，進一步開展視覺識別海上浮動航標的連續性測試。按《海區浮動助航標志配備導則》（GB/T 26781-2011），沿航道軸線設置的同側標志間的距離，在標準氣象能見度（T=0.74）條件下，對直線段的浮標間距，原則上白天應達到能從一座浮標處看到同一側相鄰的下一座浮標。該項研究以視覺識別海上浮動側面標志為主。通過有效識別出一側一座側面標志后，測試應用計算機識別視覺技術連續識別同類型海上浮動航標的反應時間。同時，可進一步研究計算機通過對兩座及以上雙側側面標志進行有效識別后對航道走向的預測判斷、對下一座側面標志位置的預測判斷。

（4）應用計算機視覺識別技術對海上浮動航標進行有效識別后，進一步研究海上浮動航標缺陷判斷。即通過計算機的深度學習，對因碰撞、刮蹭而標體損壞、變形的海上浮動航標進行缺陷判斷，形成預警信息。

4.研究的主要應用

（1）為智能航運、e航海、無人船發展提供技術支持。隨著智能航運的發展、e航海的實踐、無人船的深入研究，作為水上交通運輸基礎性、先導性、保障性資源的航標設施需要盡快融入未來發展需求、展現新的發展趨勢。特別是視覺航標需要繼續發揮傳統助航優勢、跟上時代發展需求。智能航運、e航海、無人船的共同點就是廣泛應用信息化手段、減少人為因素影響，構建更為安全、便捷、經濟的航運模式。海上浮動航標視覺識別技術研究可以提供輔助航行安全信息，為船舶導航系統提供航行水域實際助航信息。

（2）為海上浮動航標效能核查提供技術支持。按《海區航標效能驗收規范》（JT/T 759-2009），視覺航標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。作為航標主管機關，航標效能核查是最為重要的一項工作，也是對航標管理、維護水平的客觀評價。海上浮動航標視覺識別技術研究可以提供航標效能的客觀依據，進而為航標效能核查提供數據支持。

（3）為航標視頻巡檢提供技術支持。隨著圖像獲取技術的發展，視頻航標巡檢逐漸受到關注。視頻航標巡檢即通過攝像頭獲取某一區域內航標視頻片段，從而對航標狀況進行分析。而分析航標視頻片段的工作一般由人工進行，效率低且易誤判和漏判。海上浮動航標視覺識別技術研究可以為航標視頻巡檢提供技術支持，通過計算機的分析判斷尋找存在外觀缺陷的航標，進而進一步分析尋找存在異常狀況的航標。若航標標體存在損壞等情況，及時實施航標效能恢復工作。

5.結束語

計算機視覺技術經過長期的發展和研究已經逐漸應用到現實，在商業場所、住宅安保等方面發揮著重要作用，并逐步擴展到移動終端領域。航標設施作為水上交通運輸最為基礎性、先導性、保障性資源，需要不斷適應科技發展，持續發揮助航效能。而通過浮動航標視覺識別技術的研究可以為傳統航標如何適應智能航運、E航海、無人船時代的發展需求提供一定的借鑒。