[發明專利]一種基于視頻圖像的船舶超長超寬檢測方法

有效

• 申請號: 201410187034.6
• 申請日: 2014-05-05
• 公開（公告）號: CN103996049B
• 公開（公告）日: 2017-02-15
• 發明（設計）人: 廖娟;李勃;王江;邱中亞;隆迪;陳星明;陳啟美
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G06K9/62
• 分類號: G06K9/62;G06T7/20;G06T5/00
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司32112
• 代理人: 奚銘

技術領域

本發明屬于機器視覺、視頻圖像處理領域，特別涉及基于視頻圖像的內河船舶超長超寬檢測方法，主要用于內河船舶超限檢測中，為一種基于視頻圖像的船舶超長超寬檢測方法。

背景技術

水路運輸在我國綜合運輸體系中占有重要的組成部分，作為傳統的且仍處于快速發展中的交通運輸方式，水路運輸在促進地區或區域經濟和社會發展方面發揮著重要作用，但是近年來隨著社會經濟的高速發展，船舶的尺寸也在增加，這個與內河的航運環境產生一定程度的沖突，嚴重影響了航段的安全暢通，需要進行船舶超長超寬檢測，并對超限的船舶進行誘導，降低事故發生，盡量保證航道的暢通。

目前，判別航行在航道中的船舶長、寬是否超限，通常是依靠監控人員的人工檢測，對檢測超限的船舶進行引導，但面對龐大的航道網，光靠監控員每天的人工檢測遠不能滿足交通的需求。為了營造快捷、安全、暢通、高效的水上運輸環境，降低水上交通安全事故發生的頻率，可根據當前的內河監控視頻圖像，采用圖像處理、計算機視覺技術，提取船舶長寬信息。

王珺等人于2006年在碩士論文《小波分析及其在船舶圖像尺寸測量中的應用》中利用小波檢測船舶邊緣，對不規則的船舶邊緣形狀構造一個圖像邊緣最小外接矩形，用該矩形的長寬表示船舶的尺寸，其測量的船舶尺寸只限于像素級，沒有得到船舶的實際尺寸。

王靜等人于2009年在碩士論文《基于圖像融合技術的智能檢測方法與應用研究》中利用數碼相機對船舶進行側面和俯視拍照，采用神經網絡提取船舶的邊緣，在側面邊緣圖中進行列掃描，得到船舶的像素級長度，在俯視邊緣圖中進行列掃描，得到船舶的像素級寬度，再根據圖像的分辨率換算出邊緣圖像中以厘米為單位的船舶長度和寬度。該方法只考慮了均靜止船舶和單一背景，而對復雜環境和運動船舶不適用。

張學武等人于2011年在中國圖象圖形學報上發表了《內河水路交通流參數視覺測量系統》，采用背景建模提取運動船舶，用外接矩形框標識該船舶，通過透視變換模型計算出船舶的實際尺寸，為船舶超長超寬檢測提供了依據，但該方法假設河道平行或者垂直于船體軸線，以河道兩邊堤岸為矩形的長，以河道寬度為寬設置矩形(不一定是正方形)，用矩形的像素長度和實際長度來獲取透視變換關系，而實際場景中，河道平行或者垂直于船體軸線的假設未必成立，影響船舶長寬計算的精度。

方秀麗等人于2013年在碩士論文《基于運動船舶視頻的背景建模算法研究》中，對水波擾動有一定適應性的經典的混合高斯模型算法、像素灰度歸類背景重構算法、碼本模型算法、視覺背景建模算法的適用性和有效性進行了比較分析，其中，視覺背景建模算法是一種通用的運動檢測算法，實現簡單，但是，它在整個檢測過程中采用固定的檢測閾值，對復雜的動態場景的魯棒性低。

上述基于圖像處理、計算機視覺技術的船舶提取及長寬檢測方法，最大的特點是實現簡單，易滿足實時處理，但是，這些算法有一定的局限性，首先它們僅采用邊緣或簡單的運動檢測方法提取船舶，對復雜的動態場景的適應性低；其次是對缺乏參考物的水面場景，沒有考慮適用的攝像機標定，攝像機標定的核心是坐標系轉換，常用的攝像機標定需要有一個標定的參考物，而河面缺乏參考物，則借助于參考物的標定方式在該場景下是運作不了的。

發明內容

本發明要解決的問題是：在判別航行船舶長、寬是否超限的現有技術中，人工檢測遠不能滿足交通的需求，而計算機檢測技術不能適合實際的復雜運動場景，也沒有有效的攝像機標定，檢測不夠精確。

本發明的技術方案為：一種基于視頻圖像的船舶超長超寬檢測方法，通過監控攝像機采集運動船舶視頻，設置所采集視頻中的有效檢測區域，采用交互式網格標定實現攝像機的像平面坐標系與世界坐標系的變換；對當前幀進行圖像預處理，包括平滑和去噪，通過視覺背景建模算法，提取視頻圖像中的船舶二值圖像區域，用最小外接矩形來擬合二值圖像區域，得到運動船舶區域；對每一幀圖像的運動船舶區域均采用Kalman濾波器跟蹤，得到各個時刻的運動船舶的質心位置，由船舶的質心位置的疊加，用最小二乘法擬合船舶運動的軌跡，確定船舶的主軸；利用Canny算子對各船舶的二值圖像區域提取二值圖像的輪廓，船舶的主軸與所述輪廓相交得到交點，取所述交點之間連線的長度為船舶的長度，取所述輪廓垂直到主軸的最長距離為船舶的寬度；將得到的船舶長度、寬度與預設的閾值比較，判斷該船舶是否超長超寬。

進一步的，當視頻圖像中包含多艘船舶時，分別對每艘船舶提取二值圖像區域，并確定各自的主軸，由船舶各自的二值圖像區域和主軸計算長度和寬度，判斷是否超長超寬。

本發明具體包括以下步驟：