一种基于双目摄像头式的船舶高度测量系统及方法技术方案

本发明专利技术属于船舶高度的测量领域，提供一种基于双目摄像头式的船舶高度测量系统及方法。本发明专利技术系统，包括设备安装模块、相机标定模块、图像处理模块以及船舶高度计算模块；设备安装模块包括双目摄像头和水位器；双目摄像头获取视频图像；水位器测量岸边到水面的高度并实时测量水位的变化量；相机标定模块对双目相机进行标定、非线性校正、极线约束操作，利用与相机高度一致的参照物进行标定。图像处理模块对双目摄像头获取的图像进行背景差分和二值化处理，划分出运动的船舶区域，得到船舶最高点；船舶高度计算模块计算船舶水面以上的整体高度。本发明专利技术利用视场角计算距离信息，且不需要拍摄船舶全身，只需拍摄含船舶最高点的部分图像即可完成测量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双目摄像头式的船舶高度测量系统及方法
本专利技术涉及船舶高度的测量
，具体而言，尤其涉及一种基于双目摄像头式的船舶高度测量系统及方法。
技术介绍
近些年，随着航运事业的快速发展，坝区通航量每年呈递增的趋势，同时伴随着河流上方桥梁建设工程的增加。由于地势地形、气候降雨的环境因素的影响，在雨季频发时期，坝区水位变化明显，水位上涨幅度大，致使船舶与桥梁碰撞事故发生的次数屡屡增加，这不仅威胁到船员的人身安全而且会造成巨大的经济损失。因此，确保坝区通航安全至关重要。目前，国内船舶测高技术较为落后，现有的船舶测高检测方法可分为三种：第一种采用人工检测方式，船舶停靠后工人利用角度尺高尺测量船身高度，该方式效率低易造成航运堵塞且引入人工误差。第二种采用图像检测方式测量，该测量首先需要拍摄船体的全貌，再根据图像处理检测获得船舶吃水深度从而得到水面上船舶实际高度，该方法受水面波纹以及成像距离影响导致误差大精度不够。第三种采用基于激光的发射和接受装置，将两个装置分别固定于河道两侧，检测系统能够实现船舶超高检测，该系统是通过发射端发射激光进行超高测量。但该方法并没有检测船舶的实际高度而是超高报警系统，设备价格昂贵且当河道距离过宽所需激光能量大且易形成光斑造成误差大，得不到广泛应用。
技术实现思路
根据上述提出的技术问题，本专利技术设计了一种只需通过拍摄含有船舶最高点的部分船舶图像，利用图像处理算法以及空间几何关系，提出一种基于双目摄像头式的船舶高度检测方法。本专利技术采用的技术手段如下：一种基于双目摄像头式的船舶高度测量系统，包括：设备安装模块、相机标定模块、图像处理模块以及船舶高度计算模块；其中：所述设备安装模块包括双目摄像头和水位器；双目摄像头用于获取视频图像；水位器用于测量岸边到水面的高度并实时测量水位的变化量；所述相机标定模块用于对双目相机进行标定、非线性校正、极线约束操作，利用与相机高度一致的参照物进行标定，在成像平面中标定出与相机高度一致的水平线。所述图像处理模块用于对所述双目摄像头获取的图像进行背景差分和二值化处理，划分出运动的船舶区域，得到船舶的最高点；所述船舶高度计算模块用于计算船舶水面以上的整体高度。进一步地，所述双目摄像头安装于岸边同侧等高度处，调整高度以保证船舶最高点处于成像范围内，调整两个双目摄像头的间距，以保证双目摄像头的视场中间区域重叠；所述水位器安装在水面边界处。进一步地，所述相机标定模块通过图像坐标系、像素坐标系、世界坐标系、相机坐标系之间的转换矩阵获得双目摄像头的内参、外参和畸变参数，对双目摄像机进行非线性校正和极线约束。进一步地，所述船舶高度计算模块基于获得的含有船舶最高点的部分船舶图像，计算船舶水面以上的整体高度，具体过程如下：利用物体在CCD平面像素点个数与成像的像素点个数的比例关系，由视场角θ和三角函数关系式计算双目摄像头与被测船舶的水平距离；基于得到的水平距离，利用焦距计算公式，计算船舶最高点到双目摄像头标定的水平线之间竖直方向的距离；在相机安装高度、岸边与水面高度已知的情况下，利用水位器检测被测船舶进入观测区后水位涨幅量，设双目相机安装高度为D1，岸边与水面高度C，水位上涨h，当船舶最高点位于标定水平线上方则此时船舶水面以上高度为H1+D1+C-h，当船舶最高点位于标定的水平线下方则此时船舶水面以上高度为D1-H1+C-h，最终即可求解位于水面以上的船舶高度。进一步地，所述基于双目摄像头式的船舶高度测量系统还包括数据显示模块，用于提供相应的人机交互界面，显示船舶高度检测值。本专利技术还提供了一种基于双目摄像头式的船舶高度测量方法，包括如下步骤：S1、获取视频图像以及测量岸边到水面的高度并实时测量水位的变化量；S2、对双目相机进行标定、非线性校正、极线约束操作；S3、根据船舶的远近进行变焦拍摄，焦距改变后对参照物自动进行重新标定，利用背景差分法检测运动的船舶目标，将图像进行二值化处理，找到船舶的最高点；S4、计算船舶水面以上的整体高度。进一步地，所述步骤S1具体包括：S11、在岸边同侧同高度固定两台型号完全相同的摄像头，确定焦距参数值f，调整并记录双目摄像头水平基线距离b，设双目摄像头安装高度D1，保证船舶最高点处于成像范围内，岸边与水面高度C；S12、调整两个双目摄像头的间距，以保证双目摄像头的视场中间区域重叠；S12、在无船舶通航时，在水面边界处安装水位器，测量船舶通航时水位的变化h。进一步地，所述步骤S2具体包括：S21、利用已知参照物对双目摄像头进行标定处理，分别建立图像坐标系、像素坐标系、相机坐标系、世界坐标系，通过四个坐标系转换矩阵得到相机内参和外参矩阵；S22、求解相机的内参矩阵：像素坐标系和图像坐标系之间的转换关系如下：上式中，(x,y)为图像坐标系坐标，(u,v)为像素坐标系坐标，dx,dy为图像坐标系的物理尺寸，通过上述矩阵将图像坐标系转换成像素坐标系；相机坐标系和图像坐标系转换之间的转换关系如下：上式中，(Xc,Yc,Zc)为被测点坐标；将上述两个矩阵相乘得到相机的内参矩阵：S23、求解相机的外参矩阵：世界坐标系与相机坐标系之间的转换需要旋转矩阵和平移矩阵，计算得到两坐标系转换的旋转矩阵，如下公式推导：矩阵表示为:绕x轴，y轴旋转和ω，得到：得到旋转矩阵R＝R1R2R3，为3*3矩阵，平移矩阵T为3*1矩阵；因此，相机标定后的外参矩阵为：其中，内参矩阵是将三维空间船舶降维至二维船舶图像，由外参矩阵得到相机坐标系与世界坐标系之间的相对位置关系；S24、完成相机标定后，进行双目摄像机的校正和极线约束，并利用与相机高度一致的参照物进行标定，在成像平面中标定出与相机高度一致的水平线。进一步地，所述步骤S4具体包括：S41、计算双目摄像头与被测船舶的水平距离L，利用物体在CCD平面像素点个数与成像的像素点个数的比例关系，由视场角θ和三角函数关系式计算双目摄像头与被测船舶的水平距离；S42、当船舶最高点位于标定的水平线以上，通过公式H1＝N3*dy*L/f求解船舶最高点与相机水平线之间的竖直距离H1，计算得到船舶位于水面以上的高度H＝H1+C+D1-h；S43、当船舶最高点位于标定的水平线以下，按照相同的处理方式计算双目相机与船舶的水平距离H2，此时船舶高度测量公式为H＝D1-H2+C-h。较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、本专利技术提供的基于双目摄像头式的船舶高度测量系统，与传统的人工测量相比，双目摄像头检测效率高，能够实现船舶高度的快速检测，不易造成航运的堵塞。2、本专利技术提供的基于双目摄像头式的船舶高度测量系统，与激光超高检测技术相比，设备成本以及维修低，消耗能量少，设备安装简单。3、本专利技术提供的基于双目摄像头式的船舶高度测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双目摄像头式的船舶高度测量系统，其特征在于，包括：设备安装模块、相机标定模块、图像处理模块以及船舶高度计算模块；其中：/n所述设备安装模块包括双目摄像头和水位器；双目摄像头用于获取视频图像；水位器用于测量岸边到水面的高度并实时测量水位的变化量；/n所述相机标定模块用于对双目相机进行标定、非线性校正、极线约束操作，利用与相机高度一致的参照物进行标定，在成像平面中标定出与相机高度一致的水平线。/n所述图像处理模块用于对所述双目摄像头获取的图像进行背景差分和二值化处理，划分出运动的船舶区域，得到船舶的最高点；/n所述船舶高度计算模块用于计算船舶水面以上的整体高度。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于双目摄像头式的船舶高度测量系统，其特征在于，包括：设备安装模块、相机标定模块、图像处理模块以及船舶高度计算模块；其中：
所述设备安装模块包括双目摄像头和水位器；双目摄像头用于获取视频图像；水位器用于测量岸边到水面的高度并实时测量水位的变化量；
所述相机标定模块用于对双目相机进行标定、非线性校正、极线约束操作，利用与相机高度一致的参照物进行标定，在成像平面中标定出与相机高度一致的水平线。
所述图像处理模块用于对所述双目摄像头获取的图像进行背景差分和二值化处理，划分出运动的船舶区域，得到船舶的最高点；
所述船舶高度计算模块用于计算船舶水面以上的整体高度。


2.根据权利要求1所述的基于双目摄像头式的船舶高度测量系统，其特征在于，所述双目摄像头安装于岸边同侧等高度处，调整高度以保证船舶最高点处于成像范围内，调整两个双目摄像头的间距，以保证双目摄像头的视场中间区域重叠；所述水位器安装在水面边界处。


3.根据权利要求1所述的基于双目摄像头式的船舶高度测量系统，其特征在于，所述相机标定模块通过图像坐标系、像素坐标系、世界坐标系、相机坐标系之间的转换矩阵获得双目摄像头的内参、外参和畸变参数，对双目摄像机进行非线性校正和极线约束。


4.根据权利要求1所述的基于双目摄像头式的船舶高度测量系统，其特征在于，所述船舶高度计算模块基于获得的含有船舶最高点的部分船舶图像，计算船舶水面以上的整体高度，具体过程如下：
利用物体在CCD平面像素点个数与成像的像素点个数的比例关系，由视场角θ和三角函数关系式计算双目摄像头与被测船舶的水平距离；
基于得到的水平距离，利用焦距计算公式，计算船舶最高点到双目摄像头标定的水平线之间竖直方向的距离；
在相机安装高度、岸边与水面高度已知的情况下，利用水位器检测被测船舶进入观测区后水位涨幅量，设双目相机安装高度为D1，岸边与水面高度C，水位上涨h，当船舶最高点位于标定水平线上方则此时船舶水面以上高度为H1+D1+C-h，当船舶最高点位于标定的水平线下方则此时船舶水面以上高度为D1-H1+C-h，最终即可求解位于水面以上的船舶高度。


5.根据权利要求1所述的基于双目摄像头式的船舶高度测量系统，其特征在于，所述基于双目摄像头式的船舶高度测量系统还包括数据显示模块，用于提供相应的人机交互界面，显示船舶高度检测值。


6.一种基于权利要求1-5任意一项权利要求所述船舶高度测量系统的船舶高度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、获取视频图像以及测量岸边到水面的高度并实时测量水位的变化量；
S2、对双目相机进行标定、非线性校正、极线约束操作；
S3、根据船舶的远近进行变焦拍摄，焦距改变后对参照物自动进行重新标定，利用背景差分法检测...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊木地，管兆鹏，丛俊羽，付红建，黄宝祥，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21