CN103106396B - 一种危险区域检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于指挥自动化领域的图像处理部分。本发明包括确定缓冲区分辨率、生成危险区域缓冲区、归并危险区域缓冲区、查询结果缓冲区四个阶段。其中确定缓冲区分辨率阶段包含计算分辨率一个步骤；生成危险区域缓冲区阶段包含建立空缓冲区、映射危险区域边界、填充危险区域、二值图像膨胀变换、二值图像异或运算和三值图像归并六个步骤；归并危险区域缓冲区包含建立空缓冲区和缓冲区间归并两个步骤；查询结果缓冲区阶段包括计算舰船像素坐标和查询像素值两个步骤。本发明适应性强，大幅降低了危险区域检测的计算复杂度，支持在大量复杂的危险区域下高效检测多个舰船是否进入危险区域。

Description

一种危险区域检测方法

技术领域

本发明涉及指挥自动化领域，尤其涉及自动化领域的图像处理的危险区域检测方法。

背景技术

在航行中由于水雷、暗礁、敌舰火力射程等原因，存在一些对于舰船存在危险的区域，为保证安全，舰船需要规避已知边界线的危险区域，即保证舰船处于危险区域距离之外。参看图1，对于用实线表示的危险区域A₁、A₂和A₃，其规避距离分别为D₁、D₂和D₃，舰船需要虚线表示的在阴影区域之外才能保证安全。为及时发出预警信息，指挥中心需要高效检测多个舰船O₁、O₂和O₃相对于危险区域的位置，图中O₁在危险区域之内，O₂在危险规避距离之外，O₃进入危险区域的规避距离之中，但尚未进入危险区域。

现有的检测方法是通过计算几何方法判断点与线形的相对位置判断舰船是否在危险区域之内。例如，对于扇形危险区域，将舰船与圆心之间的距离与方位角与扇形的半径及两条边的方位角进行比较判断舰船是否在扇形危险区域之内；对于多边形危险区域，根据舰船和多边形的边之间的关系判断舰船是否在多边形危险区域之内。

这些现有技术存在以下缺点：

（2）形状适应性差，对于每种不同性质的区域形状需要不同的算法。例如扇形危险区域和多边形危险区域的检测方法均不适用于边不是直线段的形状及自相交形状等复杂危险区域。

（2）不支持设置规避距离。现有技术只能检测舰船是否在危险区域范围之内，此时的规避距离退化为0。对于其它规避距离，现有技术并未提供检测方法。

（3）计算复杂度高。在针对i个复杂度为j的危险区域检测k个舰船时，计算复杂度为O(i*j*k)。

发明内容

为了解决现有技术的问题和不足，本发明的目的在于提供了一种危险区域高效检测技术。它检测速度快、灵活准确、适应性强、大幅降低了计算复杂度，支持在大量复杂的危险区域下高效检测多个舰船是否进入危险区域。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案以如下方式实现：

一种危险区域检测方法，包括确定缓冲区分辨率、生成危险区域缓冲区、归并危险区域缓冲区、查询结果缓冲区四个阶段，所述缓冲区为二维三值[0,1,2]图像，其中0表示安全区，1表示进入危险区域的规避距离范围内，2表示进入危险区域。

上述确定缓冲区分辨率阶段的方法如下：给定平面坐标为(A_x,A_y)和（B_x，B_y）的两个点作为将危险区域检测范围的对角线，在给定的危险区域检测精度p下，缓冲区在x方向上分辨率为|A_x-B_x|/p，在y方向上分辨率为|A_y-B_y|/p。

上述生成危险区域缓冲区阶段的方法如下：建立一个空缓冲区，像素值为0；将危险区域的边界映射到空缓冲区上，像素值为2；通过区域填充算法将危险区域转化成二值图像I，危险区域的边界和内部的像素值为2，其它像素的值为0；将要求的规避距离d通过d/p转化成像素距离；对二值图像通过数学形态学变换膨胀d个像素得到二值图像J；将J和I进行异或运算，对任意坐标(x,y)，若I(x,y)=J(x,y)，运算结果为0，否则为1，从而得到二值图像K；对K和I做最大值归并，对任意坐标(x,y)，运算结果为max(K(x,y),I(x,y))，其中max为求最大值函数，得到的包含[0,1,2]的三值图像即为最终的危险区域缓冲区。所述的填充算法可以是任何区域填充算法，比如反向注入式填充算法。

上述归并危险区域缓冲区阶段的方法如下：建立一个所有像素值为0的缓冲区作为结果缓冲区I；每当一个新危险区域加入时，将其缓冲区J和结果缓冲区进行最大值归并，得到的结果作为新的结果缓冲区，规则是I(x,y)=max(I(x,y),J(x,y))，其中max为求最大值函数。

上述查询结果缓冲区阶段的方法如下：将舰船坐标根据缓冲区实际坐标和危险区域检测精度转换成结果缓冲区I中的像素点坐标（x,y）；查询I(x,y)的值，若为0，则表示舰船在所有危险区域的规避距离之外；为1则表示舰船进入危险区域的规避距离之中，但尚未进入危险区域；为2则表示舰船进入危险区域范围之内。

本发明由于使用缓冲区将几何问题转换成图像问题，并将每次检测转换成对图像值的一次查询，使任意多次检测中都只需在设定危险区域时进行一次危险区域相关的计算，在针对i个复杂度为j的危险区域检测k个舰船时，将每次检测的计算复杂度降低为O(k)；通过填充算法将危险区域的线状边界转化成面状区域，可以适应各种类型的形状；通过数学形态学变换将规避距离计算转换成二值图像的膨胀操作，从而支持了形状无关的规避距离计算。

附图说明

图1为原始危险区域示例图

图2为归并了危险区域和规避距离后的危险区域示例图

图3为归并了危险区域和规避距离并增加了危险等级后的危险区域示例图

图4为本发明的结构图

图5为本发明的流程图

图6为确定缓冲区分辨率阶段的结构图

图7为生成危险区域缓冲区阶段的结构图

图8为归并危险区域缓冲区阶段的结构图

图9为查询结果缓冲区阶段的结构图

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行说明。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对具体实施例进行详细描述。

参看图2，是归并了危险区域和规避距离后的危险区域示例图。把已知的三个危险区域，即椭圆形危险区域201、五边形危险区域202、三角形危险区域203合并为统一的危险区域。把已知的三个危险规避区域，即危险规避区域204、危险规避区域205、危险规避区域206合并为统一的危险规避区域。当对危险区域和危险规避区域归并后，在归并缓冲区时，将以归并后的结果为准进行危险区域检测。如果舰船坐标点像素在危险区域，则给出危险区域提示；如果舰船坐标点像素在危险规避区域，则给出危险规避提示。从而保证舰船的安全。

参考图3，是归并了危险区域和规避距离后并增加了危险等级后的危险区域示例图。图中301表示危险等级最高的一级危险规避区域，例如敌方舰船活动区域，危险级别高，危险等级化为一级；图中302表示危险等级次高的二级危险规避区域，例如鱼雷区域，对舰船造成的危险次高，危险等级化为二级；图中303表示危险等级较高的三级危险规避区域，例如暗礁区域，对舰船造成的危险较高，危险等级化为三级。根据危险等级的不同级别，对危险规避区域进行不同的等级划分，有助于针对不同的情况进行危险提示，更准确、有效的帮助舰船规避了危险。本发明所描述的危险等级以及划分，完全可以由用户根据实际情况自由调整，从而保证了舰船在实际使用过程中，对危险规避的灵活性和实用性。

在引入危险规避等级后，图像缓冲区原来用0、1、2三个值表示，根据引入的等级多少，分别加入多个不同的值表示不同的危险级别；例如用3表示危险级别最高的一级，用4表示危险级别次高的二级，用5表示危险级别较高的三级等。

在图3中，引入的危险规避等级，同理，危险区域也可以进入危险等级，和危险规避区域的危险等级一样处理，此处不再累述。

参看图4，一种危险区域高效检测技术，包括确定缓冲区分辨率、生成危险区域缓冲区、归并危险区域缓冲区、查询结果缓冲区四个阶段。

所述确定缓冲区分辨率阶段用来确定缓冲区在X和Y方向上的分辨率。参看图6，该阶段由计算分辨率这一个步骤组成，该步骤以检测范围和检测精度为输入，输出缓冲区分辨率。给定平面坐标为(A_x,A_y)和（B_x，B_y）的两个点作为将危险区域检测范围的对角线，在给定的危险区域检测精度p下，缓冲区在x方向上分辨率为|A_x-B_x|/p，在y方向上分辨率为|A_y-B_y|/p。

所述生成危险区域缓冲区阶段根据缓冲区分辨率、危险区域边界、检测范围和规避距离生成危险区域缓冲区。参看图7，该阶段共分为建立空缓冲区、映射危险区域边界、填充危险区域、二值图像膨胀变换、二值图像异或运算和三值图像归并六个步骤。

所述建立空缓冲区步骤以分辨率为输入，输出空缓冲区。具体方法是根据分辨率建立平面图像，所有像素值初始化为0。

所述映射危险区域边界步骤以危险区域边界、检测范围和空缓冲区为输入，输出包含危险区域编辑的缓冲区。具体方法是对危险区域边界上任意一点P点坐标(P_x,P_y)，缓冲区分辨率为(w,h)，检测范围对角线坐标为(A_x,A_y)和（B_x，B_y），则P点映射到缓冲区的像素坐标为（|P_x-A_x|*w/|B_x-A_x|，|P_y-A_y|*w/|B_y-A_y|），并将此像素的值置为2。

所述填充危险区域步骤以映射了危险区域边界的缓冲区为输入，输出填充了危险区域的缓冲区。具体方法是通过任一种区域填充算法（比如反向填充算法）将危险区域内部用2填满。

所述二值图像膨胀变换步骤以填充了危险区域的缓冲区、规避距离、规避精度为输入，输出含有规避距离信息的缓冲区。具体方法是在规避距离为d，规避精度为p时，规避距离在缓冲区上的像素距离为m=d/p，对填充了危险区域的缓冲区通过数学形态学变换膨胀d个像素即得到含有规避距离信息的缓冲区。

所述二值图像异或步骤以填充了危险区域的缓冲区和含有规避距离信息的缓冲区为输入，输出包含规避距离但不包括危险区域的缓冲区。具体方法是对任一坐标(x,y)，填充了危险区域的缓冲区I，含有规避距离信息的缓冲区J，输出缓冲区中对应的点K(x,y)的值在I(x,y)等于J(x,y)时为0，否则为1。

所述三值图像归并步骤以填充了危险区域的缓冲区I和包含规避距离但不包括危险区域的缓冲区K为输入，输出最终的危险区域缓冲区，其中I为包含[0,2]的二值图像，K为包含[0,1]的二值图像，运算结果为包含[0,1,2]的三值图像。具体方法是对K和I做如下运算：对任意坐标(x,y)，运算结果为max(K(x,y),I(x,y))，其中max为求最大值函数，得到即为最终的危险区域缓冲区。

参看图4，归并危险区域缓冲区阶段包括建立空缓冲区和缓冲区间归并两个步骤。其中建立空缓冲区步骤以缓冲区分辨率为输入，输出空缓冲区作为结果缓冲区，具体方法是根据分辨率建立平面图像，所有像素值初始化为0。缓冲区间归并步骤以结果缓冲区和危险区域缓冲区为输入，输出新的结果缓冲区，具体方法是每当一个新危险区域加入时，将前一阶段生成的危险区域缓冲区和结果缓冲区进行最大值归并，得到的结果作为新的结果缓冲区，规则是I(x,y)=max(I(x,y),J(x,y))，其中max为求最大值函数。

查询结果缓冲区阶段，包括计算舰船像素坐标和查询像素值两个步骤。所述计算舰船像素坐标步骤以舰船坐标(P_x,P_y)、检测范围对角线的两个顶点(A_x,A_y)和（B_x，B_y）和缓冲区分辨率(w,h)为输入，计算出舰船坐标在缓冲区中的坐标（|P_x-A_x|*w/|B_x-A_x|，|P_y-A_y|*w/|B_y-A_y|）。所述查询像素值步骤以舰船在缓冲区中的坐标以及结果缓冲区为输入，查询结果缓冲区中该坐标上的值，解读方法是若值为0，则表示舰船在所有危险区域的规避距离之外；值为1则表示舰船进入危险区域的规避距离之中，但尚未进入危险区域；值为2则表示舰船进入危险区域范围之内。

参看图5，是本发明的流程图。

步骤501：开始；

步骤502：设置危险区域检测精度和比例尺；

步骤503：设置已知危险区域检测范围。由于实际同一区域同时可能存在多个危险区域，所有危险区域同时可能会存在多个；

步骤504：获取目前实际舰船的坐标点；

步骤505：根据502建立图像空缓冲区；

步骤506：根据503，获得各个危险区域的规避距离；该规避距离，也可以由用户根据需要进行调整，例如危险级别高的规避距离，可以调设置大一些；危险级别低的规避距离，可以设置的小一些。

步骤507：根据505和506，使用危险区域和危险区域规避距离填充缓冲区；

步骤508：根据502和504，把目前实际舰船的坐标转换为缓冲区的像素点；

步骤509：根据507和508，根据舰船坐标像素点，在图像缓冲区里检测，即查询该像素点位置缓冲区实际的值；

步骤510：根据509的检测查询结果，通知舰船在规避距离之外，说明舰船安全；

步骤511：根据509的检测查询结果，警告舰船在规避距离之内，但是在安全区域之外，目前舰船安全，但是随着舰船的行驶，可能会很快遇到危险；

步骤512：根据509的检测查询结果，危险通知，该舰船在危险区域之内，应马上撤离或采取相关安全措施，以保证舰船的安全；

步骤513：把510、511、512的检测查询结果，输出给用户；

步骤514：根据用户的设置及相应，判断是否需要继续检测；如果否，则结束检测；如果是，则跳转到504继续检测；

步骤515：结束；

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神前提下，本领域普通工程技术人员对本发明技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种危险区域检测方法，包括确定缓冲区分辨率、生成危险区域缓冲区、归并危险区域缓冲区、查询结果缓冲区四个阶段；其中确定缓冲区分辨率阶段包含计算分辨率一个步骤；生成危险区域缓冲区阶段包含建立空缓冲区、映射危险区域边界、填充危险区域、二值图像膨胀变换、二值图像异或运算和三值图像归并六个步骤；归并危险区域缓冲区包含建立空缓冲区和缓冲区间归并两个步骤；查询结果缓冲区阶段包括计算舰船像素坐标和查询像素值两个步骤；

所述生成危险区域缓冲区阶段包括：建立一个空缓冲区，像素值为0；将危险区域的边界映射到空缓冲区上，像素值为2；通过区域填充算法将危险区域转化成二值图像I，危险区域的边界和内部的像素值为2，其它像素的值为0；将要求的规避距离d通过d/p转化成像素距离；对二值图像通过数学形态学变换膨胀d个像素得到二值图像J；将J和I进行异或运算，对任意坐标(x,y)，若I(x,y)＝J(x,y)，运算结果为0，否则为1，从而得到二值图像K；对K和I做最大值归并，对任意坐标(x,y)，运算结果为max(K(x,y),I(x,y))，其中max为求最大值函数，得到的包含[0,1,2]的三值图像即为最终的危险区域缓冲区。

2.按照权利要求1所述的危险区域检测方法，其特征在于，使用缓冲区将几何问题转换成图像问题，将每次危险区域检测转换成对图像值的一次查询，危险区域有关的计算和检测次数无关。

3.按照权利要求1所述的危险区域检测方法，其特征在于，使用二维三值图像表示危险区域检测的三种状态，一个值表示舰船处于安全区，另一个值表示进入危险区域的规避距离范围内，第三种值表示进入危险区域。

4.按照权利要求1所述的危险区域检测方法，其特征在于，通过数学形态学变换将规避距离计算转换成二值图像缓冲区的膨胀操作，并通过与原图像缓冲区的异或运算得到仅包含规避距离范围而不包含危险区域本身的缓冲区。

5.按照权利要求1所述的危险区域检测方法，其特征在于，多三值图像缓冲区间的归并规则如下：设定危险区域检测的三种状态之间的优先级为“安全区小于规避距离范围内小于危险区域”，在多缓冲区归并时选择优先级最高的值。

6.按照权利要求1所述的危险区域检测方法，其特征在于，对危险规避区域进行危险等级划分；把危险等级最高的危险区域划分为一级危险区域；把危险等级次高的危险区域划分为二级危险区域；把危险等级较高的危险区域划分为三级危险区域；以此类推,当舰船处于不同等级的危险区域，将进行不同的用户提示和措施处理。

7.按照权利要求1所述的危险区域检测方法，其特征在于，对危险规避距离即危险规避区域进行危险等级划分,把危险等级最高的危险区域划分为一级危险规避区域；把危险等级次高的危险规避区域划分为二级危险规避区域；把危险等级较高的危险规避区域划分为三级危险规避区域；以此类推,当舰船处于不同等级的危险规避区域，将进行不同的用户提示和措施处理。

8.按照权利要求1所述的危险区域检测方法，其特征在于，舰船坐标转换为坐标像素后，在图像缓冲区检测的实时性,根据用户设置的时间循环要求，将对舰船像素坐标在图像缓冲区进行检测，频率检测为1秒一次、或者1分钟一次、或者10分钟一次。

9.按照权利要求1所述的危险区域检测方法，其特征在于，在已知的危险区域里，有的是静态危险区域，包括暗礁区；有的是动态危险区域，包括敌舰区；所以图像缓冲区，即检测缓冲区需要动态生成，并根据动态危险区进行实时调整危险区，从而得到实时、有效的危险检测缓冲区。

10.按照权利要求1所述的危险区域检测方法，其特征在于，在把舰船的坐标映射到图像缓冲区的坐标点时，根据检测精度和比例尺的不同，有的时候需要映射为一个坐标点，即用一个点来表示一个舰船，有的时候需要映射为一组坐标点，即用一组点来表示一个舰船。