CN103398710A - 一种夜雾天况下的舰船进出港导航系统及其构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种夜雾天况下的舰船进出港导航系统及其构建方法，所述的系统包括港口周边海岸全景图系统、夜雾天况下彩色视频重构系统、无线请求信号发送模块、无线视频信号发送模块、无线视频信号接收模块、红外摄像机成像系统、视频显示模块和差分GPS系统；所述的方法，包括构建港口周边海岸全景图系统和构建夜雾天况下彩色视频重构系统。本发明对于经常出没于港口的舰船可以通过预先把港口周边海岸全景图存放在舰船上而达到不需要岸上控制中心的指挥依然可以清楚的知道港口海岸的细节情景，从而可以在夜雾天进出港。本发明有效利用舰船的差分GPS信息，精确定位舰船的方向、速度、位置等信息，可以给舰船发送过去最佳视场效果的地图。

Description

一种夜雾天况下的舰船进出港导航系统及其构建方法

技术领域

本发明涉及舰船进港导航、水上目标监测和岸上目标监控技术，特别是一种夜雾天况下的舰船进出港导航系统及其构建方法。

背景技术

舰船在浓雾和夜间进出港时，由于能见度低，助航标志看不清，雷达也会因为浓雾的影响导致测距不准，而舰船在进出港的时候要求走准确的航线，这时仅仅依靠雷达和电子海图，没有显著的物标进行视觉定位，很难找准航线，存在着很大的安全隐患。据海运部门不完全统计，船舶在能见度不良时发生的碰撞事故已经超过全部碰撞事故的三分之一。现在国内外在夜雾天况下船舶进出港导航主要采用如下几种方法：

一、引航员引航；

二、采用基于雷达的传统船舶交通管理系统（VTS或AIS）；

三、采用差分GPS系统进行精确定位；

四、利用数字式VHF通讯和海洋无线电信标；

五、利用电子海图。

上述方法中，方法一由于人的主观性占比例太大，在低能见度天况下不安全，只能停航；方法二在雾天测距受到影响，而且船舶操纵者不能准确感知航道周围状况，因此无法通航；方法三虽然能测出精确距离，但是却不能准确感知航道周围状况，安全无法保障，也无法通航；方法五无法实时掌握每个港口周边的变化，即使结合方法三和四也只能在已经保存好的电子海图上定位船舶信息，无法准确感知航道周围状况，也无法通航。所以现在很多港口在能见度低于一定范围的情况下，禁止船舶进出港，但是有些船舶面对来自各方面的压力，为了保证班期会采取冒险行动而盲目进出港，尤其是在舰船执行任务的时候往往需要盲目进出港，而这会给船舶的安全带来隐患。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种可以使舰船在夜间和雾天能够得到港口岸边的全景彩色视频，达到舰船在能见度低的情况下依然可以正常通行的夜雾天况下的舰船进出港导航系统及其构建方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种夜雾天况下的舰船进出港导航系统，包括港口周边海岸全景图系统、夜雾天况下彩色视频重构系统、无线请求信号发送模块、无线视频信号发送模块、无线视频信号接收模块、红外摄像机成像系统、视频显示模块和差分GPS系统；

所述的港口周边海岸全景图系统安装在岸上控制中心的电脑中，用来存储在能见度良好的天况下对港口周边海岸进行拍照取得的全景图以及拍照每张图片对应的拍照位置和红外摄像机参数信息；所述的夜雾天况下彩色视频重构系统安装在岸上控制中心的电脑中，在夜雾天况下接收到舰船发送来的视频请求信号之后，根据舰船的航向和位置信息重新构建出最适合舰船端观察视场的港口周边海岸彩色视觉视频；所述的无线视频信号发送模块安装在岸上控制中心，负责将重构好的彩色视频发送到舰船端；所述的无线请求信号发送模块和无线视频信号接收模块均安装在舰船上，当舰船在夜雾天况下进出港时，无线请求信号发送模块向岸上控制中心发出视频请求信号；无线视频信号接收模块用来接收重构的彩色视频；所述的红外摄像机成像系统安装在舰船上，用来捕获舰船周围的实时动态情况；所述的视频显示模块安装在舰船上，用来显示红外摄像机成像系统捕捉的实时视频和接收到的重构视频；所述的差分GPS系统安装在港口岸上，用来精确定位舰船的位置并向彩色视频重构系统提供舰船的准确信息。

一种夜雾天况下的舰船进港导航系统的构建方法，包括以下步骤：

A、构建港口周边海岸全景图系统

预先在晴朗的天气和海面上无船舶作业的情况下，在港口航道内对港口周边海岸进行拍照，将港口周边海岸的固定目标全部捕捉到，后期通过预处理把图片的重合区域去除，拼接成一个完整的港口周边海岸全景图；在取景过程中要保证港口周边海岸的所有固定目标都被取到；照片的最下面是水，中间是固定目标即港口基础设施，最上面是天空；在取景过程中，同时记录拍照点的位置和红外摄像机的参数信息，建立两个文件，使拍得的照片与位置信息和参数信息一一对应，即每一张图片和取景地理位置坐标以及红外摄像机拍照视场角

一一对应；假设拍照第i张图片的坐标位置点记为P_i，i=1、2…n，拍照位置距离港口周边海岸的垂直距离记为d_i，i=1、2…n，那么一副图片的宽度对应的实际宽度距离

若红外摄像机拍到的图片的分辨率为m×n，那么一列像素对应的实际宽度距离为W_i/n；每间隔一段时间重新取景一次，用来消除港口规划建设对信息库的影响；

B、构建夜雾天况下彩色视频重构系统

根据船舶进出港的类型的不同，构建不同的夜雾天况下的彩色视频重构系统：对于经常出没于本港口的舰船，转步骤B1；否则，转步骤B2；

B1、对于经常出没于本港口的舰船，预先在视频显示模块存放拼接好的港口周边海岸全景图，然后在舰船上安装红外摄像机成像系统，等到舰船进入港口航道之后，即在视频显示模块的显示屏上显示港口周边海岸全景图，同时与红外摄像机成像系统捕获的视频进行对比，很清楚地观看港口附近的情景，不需要和港口岸上的控制中心进行远程联络，只需要通过视频显示模块构建出港口周边海岸的高清晰彩色实景视频；根据需要对视图进行放大或者缩小，以便清楚的观察港口周边海岸的细节情况；所述的红外摄像机成像系统包括一台红外摄像机；结束；

B2、对于那些不是经常在本港口活动的舰船，将港口周边海岸全景图存放在岸上的控制中心，待岸上控制中心接收到舰船的无线请求信号时把重新构建好的彩色视频发送给舰船；舰船上预先只需要安装无线请求信号发送模块、无线视频信号接收模块、红外摄像机成像系统和视频显示模块即可；所述的红外摄像机成像系统包括一台红外摄像机；具体的构建步骤如下：

B21、当有舰船通过无线请求信号发送模块发出视频请求信号时，岸上控制中心接收到舰船的请求信号之后，通过差分GPS系统获取舰船的差分GPS信息，准确定位舰船的位置A（Xa，Ya）、方向角度α信息；这里的舰船位置信息是以进港处左端O点为零点之后的归一化坐标值；方向角度α是相对于进港标志线为水平线之后的偏离水平线的方向锐角；β是红外摄像机成像系统的视场角；

B22、将港口航道内的二维坐标展开为一维坐标，以港口周边海岸岸线为一维坐标轴，这样全景图就正好对应在一维坐标轴上面，根据α、β的大小划分为α≥β/2和α＜β/2两种情形；接下来是通过舰船的位置和方向信息来确定重构图片的显示宽度；

设舰船所在的位置点为A点，到岸边的垂直距离为AB，红外摄像机成像系统的视场角观看到的港口岸边场景的边界点为C、D，AC与AB之间的夹角为摄像机的视场角β和舰船方向角α之和或差，则BC和BD的长度由如下公式确定：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{BC}=\mathrm{AB}\×\tan (\mathrm{\β}/2\±\mathrm{\α})\\ \mathrm{BD}=\mathrm{AB}\×\tan (\mathrm{\β}/2\stackrel{\‾}{+}\mathrm{\α})\end{array}\right.---\left(2\right)$

由A点的Y坐标值可以得到B点到坐标原点O点的距离OB，在原先预存好的图片库中从靠近O点的第一张图片的拍照点P₁点开始统计每张图片对应的实际宽度距离，计算出B点是处于图片库中的哪张图片对应区域；当

${\mathrm{\&Sigma;}}_{i=0}^{k-1}{W}_i\&le;\mathrm{OB}<{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=0}^k{w}_i,k=\mathrm{1,2},...,n---\left(3\right)$

那么B点就位于P_k位置点的图片区域内，假设B点对应于P_k位置点图片的第f列像素点，那么就有

$f=\frac{n\&times;(\mathrm{OB}-{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=0}^{k-1}{W}_i)}{W_k},k=\mathrm{1,2},...,n---\left(4\right)$

B点左右分别取BD、BC长度，就找到需要显示的图片对应的的实际宽度距离CD，

$\mathrm{CD}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{BC}-\mathrm{BD}& \mathrm{OB}\&le;\mathrm{OD}\\ \mathrm{BC}+\mathrm{BD}& \mathrm{OB}>\mathrm{OD}\end{array}\right.---\left(5\right)$

同时需要判断两边是否超出边界点，如果超出边界点，则把超出的部分用水面灰度值补齐，这样图片的宽度就由CD确定了；

B23、根据图片中每一列像素到达A点的距离，对CD宽度内的图片进行压缩处理，以达到与人眼观察最相近的视图；假设第k列与A点的距离为L_k，那么第k列对应的实际距离OK的长度为

$\mathrm{OK}=\frac{W_i\&times;k}{n}---\left(6\right)$

则 $L_k=\sqrt{{\mathrm{OK}}^2+{(\mathrm{OD}-\mathrm{OB})}^2}---\left(7\right)$

然后，通过计算第k列到达在拍照本张图片时候的Pt点的距离与L_k的比值作为压缩比来对本列像素进行压缩，但是由于CD范围内的所有图片列数、以及所有列数的像素点都需要一次距离运算，使得运算量大大增加，计算速度变慢，实际操作起来出现困难，所以这里做了近似运算，以每幅图片为单位进行分段处理；A点到达第k幅图片的中心点的距离S_k为

$S_k=\sqrt{{\mathrm{AB}}^2+{({\mathrm{\&Sigma;}}_{i=0}^{k-1}{W}_i+\frac{W_k}{2})}^2}---\left(8\right)$

假设第k幅图片的压缩比为ρ_k，由成像原理可知

${\mathrm{\&rho;}}_k=\frac{s_k}{d_k}---\left(9\right)$

对CD范围内的每一张图片求其压缩比，根据压缩比对每一幅图片进行横向和纵向压缩，把压缩之后的图像以图像中心行为基准点进行重新拼接；由于对每一幅图片进行了压缩比不同的处理，拼接后整幅图像中有很明显的断裂情况以及空白区域，对空白区域的处理，采取灰度填充的方法，图像的上方空白区域，用图像的最上面一行天空的灰度值填充，下面的空白区域用最下面一行海水的灰度值进行填充；对断裂情况，采用低通滤波来处理，予以平滑两幅图像拼接时候的突变部分；

B24、彩色视觉视频的发送与接收

重构夜雾天况下彩色视频系统以每秒25帧的频率不断重新构建最佳视场图片，把重新构建好的加密视频图像通过无线请求信号发送模块发送给舰船，当进出港舰船接收到岸上控制中心发来的视频数据的时候，视频解密后在视频显示模块的显示器上显示，这样就很直观的在夜雾天况下观察到港口岸上的信息，然后再和红外摄像机捕捉到的视频进行对比，在红外摄像机中多出来的部分，便是海面上新增加的障碍物。

本发明步骤B1所述的的红外摄像机成像系统包括多台红外摄像机，多台红外摄像机同时对舰船周围进行全方位的实时监控，操作员在观看红外摄像机采集到的实时视频的同时，结合着观看预先存储的全景图，以便获取岸上更多的细节信息，看到与能见度良好的情况下几乎一致的视频图像。同时可以对全景图进行放大和缩小，以便看清楚更多港口周边海岸的细节信息。

本发明步骤B2所述的的红外摄像机成像系统包括多台红外摄像机，多台红外摄像机同时对舰船周围的境况进行全方位的实时监控，并发出多路视频请求信号，岸上控制中心根据舰船的位置信息和红外摄像机参数信息，按照步骤B21-B24把重构好的多路彩色视频发送给舰船上的视频显示模块中的多台显示器进行显示，这样舰船上就可以观测到港口周边海岸的整个情景视图。

本发明的优点如下：

1、本发明通过先对港口周边环境进行全景图像拼接，建立港口图片信息库，节省资源，提高运算效率。

2、本发明在舰船上安装红外摄像机对港口周边海域进行监控，由于红外成像的特点，不会受到夜雾天的影响，不受能见度的影响。

3、本发明有效利用舰船的差分GPS信息，精确定位舰船的方向、速度、位置等信息，可以给舰船发送过去最佳视场效果的地图，舰船上可以显示出高清晰彩色视频。

4、本发明可以显示港口近景海域的实时情况，能够捕捉到更多的细节，有效避免海上交通事故的发生，这是电子海图所不具备的。

5、本发明可以通过给舰船上发送多路视频和在舰船上安装多路红外摄像机的发放来获取港口周边港口周边海岸全景图。

6、本发明可以根据舰船在港口出没的频率分成两种方法构建彩色视觉视频，对于经常出没于港口的舰船可以通过预先把港口周边海岸全景图存放在舰船上而达到不需要岸上控制中心的指挥依然可以清楚的知道港口海岸的细节情景，从而可以在夜雾天进出港。

7、本发明在对航行船起到引航作用的同时，也使岸上控制中心对舰船起到了监控作用，当发现有船舶存在潜在危险的时候，可以立即给其发出警告信号。

附图说明

本发明共有附图8张，其中：

图1是港口周边模拟场景与全景构建时的扫描路线图；

图2是舰船在航道内以方向角为α进港时候的情景图；

图3是把舰船进港时候的二维坐标展开为一维坐标图时α≥β/2情景图。

图4是把舰船进港时候的二维坐标展开为一维坐标图时α＜β/2的情景图。

图5为舰船上安装三台红外摄像机，发出三路视频请求信号时的情景图。

图6为港口岸上控制中心的系统流程图；

图7为舰船端的系统流程图。

图8为本发明的结构示意图。

图中：1、港口周边海岸全景图系统，2、夜雾天况下彩色视频重构系统，3、无线请求信号发送模块，4、无线视频信号发送模块，5、无线视频信号接收模块，6、红外摄像机成像系统，7、视频显示模块，8、差分GPS系统，9、进港标志线，10、港口周边海岸，11、港口航道，12、构建全景图时的船只行驶轨迹，13、进出港舰船，14、红外摄像机。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的进行进一步地说明：

如图8所示，一种夜雾天况下的舰船进出港导航系统，包括港口周边海岸全景图系统1、夜雾天况下彩色视频重构系统2、无线请求信号发送模块3、无线视频信号发送模块4、无线视频信号接收模块5、红外摄像机成像系统6、视频显示模块7和差分GPS系统8；

所述的港口周边海岸全景图系统1安装在岸上控制中心的电脑中，用来存储在能见度良好的天况下对港口周边海岸10进行拍照取得的港口周边海岸全景图以及拍照每张图片对应的拍照位置和红外摄像机14参数信息；所述的夜雾天况下彩色视频重构系统2安装在岸上控制中心的电脑中，在夜雾天况下接收到舰船发送来的视频请求信号之后，根据舰船的航向和位置信息重新构建出最适合舰船端观察视场的港口周边海岸10彩色视觉视频；所述的无线视频信号发送模块4安装在岸上控制中心，负责将重构好的彩色视频发送到舰船端；所述的无线请求信号发送模块3和无线视频信号接收模块5均安装在舰船上，当舰船在夜雾天况下进出港时，无线请求信号发送模块3向岸上控制中心发出视频请求信号；无线视频信号接收模块5用来接收重构的彩色视频；所述的红外摄像机成像系统6安装在舰船上，用来捕获舰船周围的实时动态情况；所述的视频显示模块7安装在舰船上，用来显示红外摄像机成像系统6捕捉的实时视频和接收到的重构视频；所述的差分GPS系统8安装在港口岸上，用来精确定位舰船的位置并向彩色视频重构系统提供舰船的准确信息。

一种夜雾天况下的舰船进港导航系统的构建方法，包括以下步骤：

A、构建港口周边海岸全景图系统1

预先在晴朗的天气和海面上无船舶作业的情况下，在港口航道11内对港口周边海岸10进行拍照，将港口周边海岸10的固定目标全部捕捉到，后期通过预处理把图片的重合区域去除，拼接成一个完整的港口周边海岸全景图；在取景过程中要保证港口周边海岸10的所有固定目标都被取到；照片的最下面是水，中间是固定目标即港口基础设施，最上面是天空；在取景过程中，同时记录拍照点的位置和红外摄像机14的参数信息，建立两个文件，使拍得的照片与位置信息和参数信息一一对应，即每一张图片和取景地理位置坐标以及红外摄像机14拍照视场角

一一对应；假设拍照第i张图片的坐标位置点记为P_i，i=1、2…n，拍照位置距离港口周边海岸10的垂直距离记为d_i，i=1、2…n，那么一副图片的宽度对应的实际宽度距离

若红外摄像机14拍到的图片的分辨率为m×n，那么一列像素对应的实际宽度距离为W_i/n；每间隔一段时间重新取景一次，用来消除港口规划建设对信息库的影响；

B、构建夜雾天况下彩色视频重构系统2

根据船舶进出港的类型的不同，构建不同的夜雾天况下的彩色视频重构系统：对于经常出没于本港口的舰船，转步骤B1；否则，转步骤B2；

B1、对于经常出没于本港口的舰船，预先在视频显示模块7存放拼接好的港口周边海岸全景图，然后在舰船上安装红外摄像机成像系统6，等到舰船进入港口航道11之后，即在视频显示模块7的显示屏上显示港口周边海岸全景图，同时与红外摄像机成像系统6捕获的视频进行对比，很清楚地观看港口附近的情景，不需要和港口岸上的控制中心进行远程联络，只需要通过视频显示模块7构建出港口周边海岸10的高清晰彩色实景视频；根据需要对视图进行放大或者缩小，以便清楚的观察港口周边海岸10的细节情况；所述的红外摄像机成像系统6包括一台红外摄像机14；结束；

B2、对于那些不是经常在本港口活动的舰船，将港口周边海岸全景图存放在岸上的控制中心，待岸上控制中心接收到舰船的无线请求信号时把重新构建好的彩色视频发送给舰船；舰船上预先只需要安装无线请求信号发送模块3、无线视频信号接收模块5、红外摄像机成像系统6和视频显示模块7即可；所述的红外摄像机成像系统6包括一台红外摄像机14；具体的构建步骤如下：

B21、当有舰船通过无线请求信号发送模块3发出视频请求信号时，岸上控制中心接收到舰船的请求信号之后，通过差分GPS系统8获取舰船的差分GPS信息，准确定位舰船的位置A(Xa，Ya)、方向角度α信息；这里的舰船位置信息是以进港处左端O点为零点之后的归一化坐标值；方向角度α是相对于进港标志线差分GPS系统9为水平线之后的偏离水平线的方向锐角；β是红外摄像机成像系统6的视场角；

B22、将港口航道11内的二维坐标展开为一维坐标，以港口周边海岸10岸线为一维坐标轴，这样港口周边海岸全景图就正好对应在一维坐标轴上面，根据α、β的大小划分为α≥β/2和α＜β/2两种情形；接下来是通过舰船的位置和方向信息来确定重构图片的显示宽度；

设舰船所在的位置点为A点，到岸边的垂直距离为AB，红外摄像机成像系统6的视场角观看到的港口岸边场景的边界点为C、D，AC与AB之间的夹角为摄像机的视场角β和舰船方向角α之和或差，则BC和BD的长度由如下公式确定：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{BC}=\mathrm{AB}\&times;\tan (\mathrm{\&beta;}/2\&PlusMinus;\mathrm{\&alpha;})\\ \mathrm{BD}=\mathrm{AB}\&times;\tan (\mathrm{\&beta;}/2\stackrel{\&OverBar;}{+}\mathrm{\&alpha;})\end{array}\right.---\left(2\right)$

由A点的Y坐标值可以得到B点到坐标原点O点的距离OB，在原先预存好的图片库中从靠近O点的第一张图片的拍照点P₁点开始统计每张图片对应的实际宽度距离，计算出B点是处于图片库中的哪张图片对应区域；当

${\mathrm{\&Sigma;}}_{i=0}^{k-1}{W}_i\&le;\mathrm{OB}<{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=0}^k{W}_i,k=\mathrm{1,2},...,n---\left(3\right)$

那么B点就位于P_k位置点的图片区域内，假设B点对应于P_k位置点图片的第f列像素点，那么就有

$f=\frac{n\&times;(\mathrm{OB}-{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=0}^{k-1}{W}_i)}{W_k},k=\mathrm{1,2},...,n---\left(4\right)$

B点左右分别取BD、BC长度，就找到需要显示的图片对应的的实际宽度距离CD，

$\mathrm{CD}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{BC}-\mathrm{BD}& \mathrm{OB}\&le;\mathrm{OD}\\ \mathrm{BC}+\mathrm{BD}& \mathrm{OB}>\mathrm{OD}\end{array}\right.---\left(5\right)$

同时需要判断两边是否超出边界点，如果超出边界点，则把超出的部分用水面灰度值补齐，这样图片的宽度就由CD确定了；

B23、根据图片中每一列像素到达A点的距离，对CD宽度内的图片进行压缩处理，以达到与人眼观察最相近的视图；假设第k列与A点的距离为L_k，那么第k列对应的实际距离OK的长度为

$\mathrm{OK}=\frac{W_i\&times;k}{n}---\left(6\right)$

则 $L_k=\sqrt{{\mathrm{OK}}^2+{(\mathrm{OD}-\mathrm{OB})}^2}---\left(7\right)$

然后，通过计算第k列到达在拍照本张图片时候的Pt点的距离与L_k的比值作为压缩比来对本列像素进行压缩，但是由于CD范围内的所有图片列数、以及所有列数的像素点都需要一次距离运算，使得运算量大大增加，计算速度变慢，实际操作起来出现困难，所以这里做了近似运算，以每幅图片为单位进行分段处理；A点到达第k幅图片的中心点的距离S_k为

$S_k=\sqrt{{\mathrm{AB}}^2+{({\mathrm{\&Sigma;}}_{i=0}^{k-1}{W}_i+\frac{W_k}{2})}^2}---\left(8\right)$

假设第k幅图片的压缩比为ρ_k，由成像原理可知

${\mathrm{\&rho;}}_k=\frac{s_k}{d_k}---\left(9\right)$

对CD范围内的每一张图片求其压缩比，根据压缩比对每一幅图片进行横向和纵向压缩，把压缩之后的图像以图像中心行为基准点进行重新拼接；由于对每一幅图片进行了压缩比不同的处理，拼接后整幅图像中有很明显的断裂情况以及空白区域，对空白区域的处理，采取灰度填充的方法，图像的上方空白区域，用图像的最上面一行天空的灰度值填充，下面的空白区域用最下面一行海水的灰度值进行填充；对断裂情况，采用低通滤波来处理，予以平滑两幅图像拼接时候的突变部分；

B24、彩色视觉视频的发送与接收

重构夜雾天况下彩色视频系统以每秒25帧的频率不断重新构建最佳视场图片，把重新构建好的加密视频图像通过无线请求信号发送模块3发送给舰船，当进出港舰船13接收到岸上控制中心发来的视频数据的时候，视频解密后在视频显示模块7的显示器上显示，这样就很直观的在夜雾天况下观察到港口岸上的信息，然后再和红外摄像机14捕捉到的视频进行对比，在红外摄像机14中多出来的部分，便是海面上新增加的障碍物。

本发明步骤B1所述的的红外摄像机成像系统6包括多台红外摄像机14，多台红外摄像机14同时对舰船周围进行全方位的实时监控，操作员在观看红外摄像机14采集到的实时视频的同时，结合着观看预先存储的港口周边海岸全景图，以便获取岸上更多的细节信息，看到与能见度良好的情况下几乎一致的视频图像。同时可以对港口周边海岸全景图进行放大和缩小，以便看清楚更多港口周边海岸10的细节信息。

本发明步骤B2所述的的红外摄像机成像系统6包括多台红外摄像机14，多台红外摄像机14同时对舰船周围的境况进行全方位的实时监控，并发出多路视频请求信号，岸上控制中心根据舰船的位置信息和红外摄像机14参数信息，按照步骤B21-B24把重构好的多路彩色视频发送给舰船上的视频显示模块7中的多台显示器进行显示，这样舰船上就可以观测到港口周边海岸10的整个情景视图。

Claims (4)

1.一种夜雾天况下的舰船进出港导航系统，其特征在于：包括港口周边海岸全景图系统（1）、夜雾天况下彩色视频重构系统（2）、无线请求信号发送模块（3）、无线视频信号发送模块（4）、无线视频信号接收模块（5）、红外摄像机成像系统（6）、视频显示模块（7）和差分GPS系统（8）；

所述的港口周边海岸全景图系统（1）安装在岸上控制中心的电脑中，用来存储在能见度良好的天况下对港口周边海岸（10）进行拍照取得的港口周边海岸全景图以及拍照每张图片对应的拍照位置和红外摄像机（14）参数信息；所述的夜雾天况下彩色视频重构系统（2）安装在岸上控制中心的电脑中，在夜雾天况下接收到舰船发送来的视频请求信号之后，根据舰船的航向和位置信息重新构建出最适合舰船端观察视场的港口周边海岸（10）彩色视觉视频；所述的无线视频信号发送模块（4）安装在岸上控制中心，负责将重构好的彩色视频发送到舰船端；所述的无线请求信号发送模块（3）和无线视频信号接收模块（5）均安装在舰船上，当舰船在夜雾天况下进出港时，无线请求信号发送模块（3）向岸上控制中心发出视频请求信号；无线视频信号接收模块（5）用来接收重构的彩色视频；所述的红外摄像机成像系统（6）安装在舰船上，用来捕获舰船周围的实时动态情况；所述的视频显示模块（7）安装在舰船上，用来显示红外摄像机成像系统（6）捕捉的实时视频和接收到的重构视频；所述的差分GPS系统（8）安装在港口岸上，用来精确定位舰船的位置并向彩色视频重构系统提供舰船的准确信息。

2.一种如权利要求1所述的夜雾天况下的舰船进港导航系统的构建方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、构建港口周边海岸全景图系统（1）

预先在晴朗的天气和海面上无船舶作业的情况下，在港口航道（11）内对港口周边海岸（10）进行拍照，将港口周边海岸（10）的固定目标全部捕捉到，后期通过预处理把图片的重合区域去除，拼接成一个完整的港口周边海岸全景图；在取景过程中要保证港口周边海岸（10）的所有固定目标都被取到；照片的最下面是水，中间是固定目标即港口基础设施，最上面是天空；在取景过程中，同时记录拍照点的位置和红外摄像机（14）的参数信息，建立两个文件，使拍得的照片与位置信息和参数信息一一对应，即每一张图片和取景地理位置坐标以及红外摄像机（14）拍照视场角

一一对应；假设拍照第i张图片的坐标位置点记为P_i，i=1、2…n，拍照位置距离港口周边海岸（10）的垂直距离记为d_i，i=1、2…n，那么一副图片的宽度对应的实际宽度距离

若红外摄像机（14）拍到的图片的分辨率为m×n，那么一列像素对应的实际宽度距离为W_i/n；每间隔一段时间重新取景一次，用来消除港口规划建设对信息库的影响；

B、构建夜雾天况下彩色视频重构系统（2）

根据船舶进出港的类型的不同，构建不同的夜雾天况下的彩色视频重构系统：对于经常出没于本港口的舰船，转步骤B1；否则，转步骤B2；

B1、对于经常出没于本港口的舰船，预先在视频显示模块（7）存放拼接好的港口周边海岸全景图，然后在舰船上安装红外摄像机成像系统（6），等到舰船进入港口航道（11）之后，即在视频显示模块（7）的显示屏上显示港口周边海岸全景图，同时与红外摄像机成像系统（6）捕获的视频进行对比，很清楚地观看港口附近的情景，不需要和港口岸上的控制中心进行远程联络，只需要通过视频显示模块（7）构建出港口周边海岸（10）的高清晰彩色实景视频；根据需要对视图进行放大或者缩小，以便清楚的观察港口周边海岸（10）的细节情况；所述的红外摄像机成像系统（6）包括一台红外摄像机（14）；结束；

B2、对于那些不是经常在本港口活动的舰船，将港口周边海岸全景图存放在岸上的控制中心，待岸上控制中心接收到舰船的无线请求信号时把重新构建好的彩色视频发送给舰船；舰船上预先只需要安装无线请求信号发送模块（3）、无线视频信号接收模块（5）、红外摄像机成像系统（6）和视频显示模块（7）即可；所述的红外摄像机成像系统（6）包括一台红外摄像机（14）；具体的构建步骤如下：

B21、当有舰船通过无线请求信号发送模块（3）发出视频请求信号时，岸上控制中心接收到舰船的请求信号之后，通过差分GPS系统（8）获取舰船的差分GPS信息，准确定位舰船的位置A(Xa，Ya)、方向角度α信息；这里的舰船位置信息是以进港处左端O点为零点之后的归一化坐标值；方向角度α是相对于进港标志线差分GPS系统（9）为水平线之后的偏离水平线的方向锐角；β是红外摄像机成像系统（6）的视场角；

B22、将港口航道（11）内的二维坐标展开为一维坐标，以港口周边海岸（10）岸线为一维坐标轴，这样港口周边海岸全景图就正好对应在一维坐标轴上面，根据α、β的大小划分为α≥β/2和α＜β/2两种情形；接下来是通过舰船的位置和方向信息来确定重构图片的显示宽度；

设舰船所在的位置点为A点，到岸边的垂直距离为AB，红外摄像机成像系统（6）的视场角观看到的港口岸边场景的边界点为C、D，AC与AB之间的夹角为摄像机的视场角β和舰船方向角α之和或差，则BC和BD的长度由如下公式确定：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{BC}=\mathrm{AB}\&times;\tan (\mathrm{\&beta;}/2\&PlusMinus;\mathrm{\&alpha;})\\ \mathrm{BD}=\mathrm{AB}\&times;\tan (\mathrm{\&beta;}/2\stackrel{\&OverBar;}{+}\mathrm{\&alpha;})\end{array}\right.---\left(2\right)$

由A点的Y坐标值可以得到B点到坐标原点O点的距离OB，在原先预存好的图片库中从靠近O点的第一张图片的拍照点P₁点开始统计每张图片对应的实际宽度距离，计算出B点是处于图片库中的哪张图片对应区域；当

${\mathrm{\&Sigma;}}_{i=0}^{k-1}{W}_i\&le;\mathrm{OB}<{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=0}^k{W}_i,k=\mathrm{1,2},...,n---\left(3\right)$

那么B点就位于P_k位置点的图片区域内，假设B点对应于P_k位置点图片的第f列像素点，那么就有

$f=\frac{n\&times;(\mathrm{OB}-{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=0}^{k-1}{W}_i)}{W_k},k=\mathrm{1,2},...,n---\left(4\right)$

B点左右分别取BD、BC长度，就找到需要显示的图片对应的的实际宽度距离CD，

$\mathrm{CD}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{BC}-\mathrm{BD}& \mathrm{OB}\&le;\mathrm{OD}\\ \mathrm{BC}+\mathrm{BD}& \mathrm{OB}>\mathrm{OD}\end{array}\right.---\left(5\right)$

同时需要判断两边是否超出边界点，如果超出边界点，则把超出的部分用水面灰度值补齐，这样图片的宽度就由CD确定了；

B23、根据图片中每一列像素到达A点的距离，对CD宽度内的图片进行压缩处理，以达到与人眼观察最相近的视图；假设第k列与A点的距离为L_k，那么第k列对应的实际距离OK的长度为

$\mathrm{OK}=\frac{W_i\&times;k}{n}---\left(6\right)$

则 $L_k=\sqrt{{\mathrm{OK}}^2+{(\mathrm{OD}-\mathrm{OB})}^2}---\left(7\right)$

然后，通过计算第k列到达在拍照本张图片时候的Pt点的距离与L_k的比值作为压缩比来对本列像素进行压缩，但是由于CD范围内的所有图片列数、以及所有列数的像素点都需要一次距离运算，使得运算量大大增加，计算速度变慢，实际操作起来出现困难，所以这里做了近似运算，以每幅图片为单位进行分段处理；A点到达第k幅图片的中心点的距离S_k为

$S_k=\sqrt{{\mathrm{AB}}^2+{({\mathrm{\&Sigma;}}_{i=0}^{k-1}{W}_i+\frac{W_k}{2})}^2}---\left(8\right)$

假设第k幅图片的压缩比为ρ_k，由成像原理可知

${\mathrm{\&rho;}}_k=\frac{s_k}{d_k}---\left(9\right)$

对CD范围内的每一张图片求其压缩比，根据压缩比对每一幅图片进行横向和纵向压缩，把压缩之后的图像以图像中心行为基准点进行重新拼接；由于对每一幅图片进行了压缩比不同的处理，拼接后整幅图像中有很明显的断裂情况以及空白区域，对空白区域的处理，采取灰度填充的方法，图像的上方空白区域，用图像的最上面一行天空的灰度值填充，下面的空白区域用最下面一行海水的灰度值进行填充；对断裂情况，采用低通滤波来处理，予以平滑两幅图像拼接时候的突变部分；

B24、彩色视觉视频的发送与接收

重构夜雾天况下彩色视频系统以每秒25帧的频率不断重新构建最佳视场图片，把重新构建好的加密视频图像通过无线请求信号发送模块（3）发送给舰船，当进出港舰船（13）接收到岸上控制中心发来的视频数据的时候，视频解密后在视频显示模块（7）的显示器上显示，这样就很直观的在夜雾天况下观察到港口岸上的信息，然后再和红外摄像机（14）捕捉到的视频进行对比，在红外摄像机（14）中多出来的部分，便是海面上新增加的障碍物。

3.根据权利要求2所述的夜雾天况下的舰船进港导航系统的构建方法，其特征在于：步骤B1所述的的红外摄像机成像系统（6）包括多台红外摄像机（14），多台红外摄像机（14）同时对舰船周围进行全方位的实时监控，操作员在观看红外摄像机（14）采集到的实时视频的同时，结合着观看预先存储的港口周边海岸全景图，以便获取岸上更多的细节信息，看到与能见度良好的情况下几乎一致的视频图像，同时可以对港口周边海岸全景图进行放大和缩小，以便看清楚更多港口周边海岸（10）的细节信息。

4.根据权利要求2所述的夜雾天况下的舰船进港导航系统的构建方法，其特征在于：步骤B2所述的的红外摄像机成像系统（6）包括多台红外摄像机（14），多台红外摄像机（14）同时对舰船周围的境况进行全方位的实时监控，并发出多路视频请求信号，岸上控制中心根据舰船的位置信息和红外摄像机（14）参数信息，按照步骤B21-B24把重构好的多路彩色视频发送给舰船上的视频显示模块（7）中的多台显示器进行显示，这样舰船上就可以观测到港口周边海岸（10）的整个情景视图。

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