一种航行船舶高度测量系统及其测量方法技术方案

本发明专利技术公开了一种航行船舶高度测量系统及其测量方法，所述的系统包括位置信息测定模块、摄像机、计算机、无线收发模块和水位测定模块，所述的计算机中安装有云台控制模块、图像处理模块、船舶GPS计算模块、船舶高度测定模块和标定点参数计算模块。本发明专利技术基于图象处理的机器视觉方法以及空间几何关系，在安装上只需要摄像机、标定物、电脑以及相关的连接即可，安装方便，不需要大型设备，便于维护，而且在算法上，利用船舶的GPS信息、云台控制模块获得的角度信息、背景标定点信息以及相关空间位置信息，计算出船舶的水面上高度。本发明专利技术降低了设计难度，同时又能很好的符合船舶测高的需求。而且允许调整摄像机的视野范围，实用性更好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机器视觉技术和GPS定位技术，航行船舶高度检测方法，尤其涉及一 种航行船舶高度测量系统及其测量方法。
技术介绍
随着我国国民经济的发展，对交通建设的需要越来越高，这就使得在通航河流上 修建桥梁的需求日益增多，新建的桥梁给两岸的交通带来的巨大的便利，但同时，一些大桥 在当初设计时，桥高、桥宽、选址未充分考虑到未来的航运需要，使得一些桥梁无法满足现 有船舶的通航要求，富裕高度预留不足，使得船舶因为高度超高而碰撞桥梁的事故时有发 生，而且船舶一旦超高经过桥梁，往往会造成严重后果，不仅威胁着船舶自身的航行安全， 危及船员生命，还会影响整个航道的畅通和其他通航船舶的安全，其危害巨大。目前国内的 船舶超高检测技术较为落后，大多以引进国外的超高检测系统和设备为主，而这些设备中， 大多数集中在研究基于激光的超高检测方法，但激光检测方法实际是一种限高方法，可以 对高于某个高度的船舶进行报警，但无法得到船舶的实际高度，而且限高方法需要根据水 位变化改变限高高度，并且在河岸距离较大的情况下，效果并不是很好。 目前还有一种测高方法是采用图像处理的方法，利用机器视觉得到目标的高度， 该方法本身主要是应用于测定空间位置信息，并不是针对船舶测高，并且技术难度大，设备 要求高。而且，该方法本身并非对于船舶测高，对于船舶测高也存在问题，即摄像机需要标 定后，才能进行高度测量，而且标定后，摄像机各参数不能发生变化，使得对摄像机的要求， 以及安装都有较高的要求。
技术实现思路
为解决现有技术存在的上述问题，本专利技术要设计一种既能测定船舶高度，又安装 需求低、算法实现简单的航行船舶高度测量系统及其测量方法。 为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种航行船舶高度测量系统，包括标 定物、位置信息测定模块、云台、摄像机、计算机、无线收发模块和水位测定模块，所述的计 算机中安装有云台控制模块、图像处理模块、船舶GPS计算模块、船舶高度测定模块和标定 点参数计算模块，所述的位置信息测定模块测定标定物的GPS信息以及相关的角度距离信 息，并将测定结果输入到船舶GPS计算模块，所述的标定点参数计算模块分别与船舶GPS计 算模块、船舶高度测定模块相连，所述的无线收发模块与船舶GPS计算模块相连，水位测定 模块信息通过无线收发模块与船舶高度测定模块相连。所述的云台控制模块与标定点参数 计算模块连接；所述的无线收发模块与船舶GPS计算模块相连；所述的摄像机安装在云台 上方，摄像机与图像处理模块连接；所述的云台分别与云台控制模块和船舶GPS计算模块 相连，云台控制模块通过控制云台与摄像机连接，所述的云台安装在距离测量船舶一定位 置的河岸上。 本专利技术所述的云台安装在距离测量船舶300m以外位置的河岸上。 -种航行船舶高度测量系统的测量方法，包括以下步骤： A、测量前的初始化 A1、背景标定点设定 在摄像机要拍摄的背景中选择多处背景作为标定物，而标定物的个数及位置根据 摄像机的视场角和需要监控的水域范围确定，最终满足摄像机无论旋转至何处都有且只有 一个完整的标定物在视场中；在确定好标定物的位置后，在标定物上选择特殊位置安装标 定点； A2、摄像机初始位置设定 在标定点位置确定之后，调整摄像机的位置，确定摄像机的初始位置，并通过云台 控制模块设定预置位；标定点参数计算模块通过位置信息测定模块测量各标定点的GPS信 息以及距离信息，计算出各标定点的空间坐标以及各标定点与摄像机的位置关系； A3、初始位置信息测定以及计算 当摄像机的初始位置设定了以后，通过位置信息测定模块对标定点的相对距离关 系、各标定点距离摄像机的距离以及与摄像机主光轴之间的夹角进行测量。 B、正式测量 B1、对GPS信息进行处理并寻找船舶 无线收发模块接收VTS中心的船舶GPS信息，发送至船舶GPS计算模块，船舶GPS 计算模块同时结合标定点参数计算模块的位置信息和摄像机的位置信息计算出船舶、摄像 机以及此时摄像机主光轴之间所成的角度信息，将角度信息发送至云台控制模块控制云台 的旋转，使摄像机找到目标船舶。 B2、云台旋转及信息采集 根据得到的角度信息，云台控制模块控制云台完成水平和坚直方向两个方向的旋 转，同时云台控制模块记录云台旋转的角度信息，并控制云台旋转。 B3、获取现场图片 摄像机是可变焦的摄像机，通过设定后以间隔固定时间对场景进行拍照，并将图 片发送至图像处理模块。 B4、图像识别 图像处理模块负责图像的采集、目标的识别、标定点的识别、各标定点在图片中的 坐标信息。 B5、提取水位信息 水位测定模块对所在河段的水位信息，进行即时的测量。 B6、对测量信息进行处理计算船舶高度 船舶高度测定模块根据图像处理模块的信息以及标定点参数计算模块和船舶GPS 计算模块的船舶位置信息、云台控制模块的角度信息、水位测定模块的即时水位信息，计算 出船舶的高度。 与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果： 1、本专利技术以基于图象处理的机器视觉方法以及空间几何关系，在安装上只需要摄 像机、云台、标定物、电脑以及相关的连接即可，安装方便，不需要大型设备，便于维护，而且 算法上，利用船舶的GPS信息、云台控制模块获得的角度信息、背景标定点信息以及相关空 间位置信息，计算出船舶的水面上高度。该方法是利用空间几何关系，以及基本的图像处理 算法，避免了复杂的标定算法，以及双目识别算法，从而降低了设计难度，同时又能很好的 符合船舶测高的需求。而且允许调整摄像机的视野范围，比其他方法更简单，实用性更好。 2、本专利技术提出了一种既可以固定测量又可以通过控制云台水平坚直旋转的、大视 野和可变焦情况下的船舶测高系统及构建方法。 3、本专利技术利用标定物在背景中的这个特点，结合相关的GPS信息和标定点的位置 信息，实现了摄像机的变焦标定，克服了原有方法只能定焦测量的缺点，利用云台实现了摄 像机的大视野测高。 【附图说明】 本专利技术共有附图11张，其中： 图1 :摄像机标定物的位置选址图。 图2 :摄像机所在的平面示意图。 图3 :摄像机坚直方向标定以及船舶测高原理图。 图4 :标定点的设定位置示意图。 图5 :(XD成像平面坐标系。 图6 :摄像机初始化坚直方向调整原理图。 图7 :摄像机安装时产生的可能误差示意图。 图8 :摄像机倾斜时对C⑶各点产生的影响示意图。 图9:初始化流程图。 图10:测量流程图。 图11 :测高系统框图。 图中：1、云台，2、云台控制模块，3、摄像机，4、图像处理模块，5、船舶GPS计算模 块，6、标定点参数计算模块，7、船舶高度测定模块，8、无线收发模块，9、水位测定模块，10、 计算机，11、标定物，12、位置信息测定模块。 【具体实施方式】 下面结合附图对本专利技术进行进一步地描述。如图11所示，一种航行船舶高度测量 系统，包括标定物11、位置信息测定模块12、云台1、摄像机3、计算机10、无线收发模块8和 水位测定模块9,所述的计算机10中安装有云台控制模块2、图像处理模块4、船本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种航行船舶高度测量系统，其特征在于：包括标定物(11)、位置信息测定模块(12)、云台(1)、摄像机(3)、计算机(10)、无线收发模块(8)和水位测定模块(9)，所述的计算机(10)中安装有云台控制模块(2)、图像处理模块(4)、船舶GPS计算模块(5)、船舶高度测定模块(7)和标定点参数计算模块(6)，所述的位置信息测定模块(12)测定标定物(11)的GPS信息以及相关的角度距离信息，并将测定结果输入到船舶GPS计算模块(5)，所述的标定点参数计算模块(6)分别与船舶GPS计算模块(5)、船舶高度测定模块(7)相连，所述的无线收发模块(8)与船舶GPS计算模块(5)相连，水位测定模块(9)信息通过无线收发模块(8)与船舶高度测定模块(7)相连；所述的云台控制模块(2)与标定点参数计算模块(6)连接；所述的无线收发模块(8)与船舶GPS计算模块(5)相连；所述的摄像机(3)安装在云台(1)上方，摄像机(3)与图像处理模块(4)连接；所述的云台(1)分别与云台控制模块(2)和船舶GPS计算模块(5)相连，云台控制模块(2)通过控制云台(1)与摄像机(3)连接，所述的云台(1)安装在距离测量船舶一定位置的河岸上。...

【技术特征摘要】
1. 一种航行船舶高度测量系统，其特征在于：包括标定物（11)、位置信息测定模块 (12)、云台（1)、摄像机（3)、计算机（10)、无线收发模块（8)和水位测定模块（9)，所述的计 算机（10)中安装有云台控制模块⑵、图像处理模块（4)、船舶GPS计算模块（5)、船舶高度 测定模块（7)和标定点参数计算模块￠)，所述的位置信息测定模块（12)测定标定物（11) 的GPS信息以及相关的角度距离信息，并将测定结果输入到船舶GPS计算模块（5)，所述的 标定点参数计算模块（6)分别与船舶GPS计算模块（5)、船舶高度测定模块（7)相连，所述 的无线收发模块（8)与船舶GPS计算模块（5)相连，水位测定模块（9)信息通过无线收发 模块（8)与船舶高度测定模块（7)相连；所述的云台控制模块（2)与标定点参数计算模块 (6)连接；所述的无线收发模块（8)与船舶GPS计算模块（5)相连；所述的摄像机（3)安装 在云台（1)上方，摄像机（3)与图像处理模块（4)连接；所述的云台（1)分别与云台控制模 块⑵和船舶GPS计算模块（5)相连，云台控制模块⑵通过控制云台⑴与摄像机（3) 连接，所述的云台（1)安装在距离测量船舶一定位置的河岸上。2. 根据权利要求1所述的一种航行船舶高度测量系统，其特征在于：所述的云台（1) 安装在距离测量船舶300m以外位置的河岸上。3. -种航行船舶高度测量系统的测量方法，其特征在于：包括以下步骤： A、 测量前的初始化 A1、背景标定点设定 在摄像机（3)要拍摄的背景中选择多处背景作为标定物（11)，而标定物（11)的个数及 位置根据摄像机（3)的视场角和需要监控的水域范围确定，最终满足摄像机（3)无论旋转 至何处都有且只有一个完整的标定物（11)在视场中；在确定好标定物（11)的位置后，在标 定物（11)上选择特殊位置安装标定点； A2、摄像机（3)初始位置设定 在标定点位置确...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊木地，张同斌，黄喆，张亚冲，王璇，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21