CN103791892B - 一种船载视场可调的海面观测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船载视场可调的海面观测装置及方法。通过船载定位装置、高清摄像机和固定机构的设计，建立船载视场可调的海面观测装置及方法，通过时间同步、装置安装、视场调节、观测和信息处理等步骤实现。本发明针基于高清摄像技术和高精度定位技术，并设计视场可调的固定机构，提出信息处理方法，实现了海面观测和面积估算。本发明可在海面赤潮、溢油、锋面和水下礁石等海洋现象和过程的现场定位观测和面积估算中发挥极大的实用价值。

Description

一种船载视场可调的海面观测装置及方法

技术领域

本发明属于海洋观测领域，具体是一种通过船载定位、高清摄像和固定机构等装置，实现视场可调的海面观测，如所希望那样对海面的粗糙度和颜色异常区域的进行定位测量和面积估算的装置及方法。

背景技术

海面上广发存在的赤潮、溢油、锋面、水下礁石等海洋现象和过程，能在海面上表现为粗糙度和颜色的异常区域。在现有海洋观测方法中，通过目视、拍照和摄像观测方法很难确定准确的位置和范围，通过卫星或航空遥感方法又存在机动性差和准确度低等缺陷。如何通过现场观测方法获取上述海面现象或过程的准确位置和范围面积等信息，在海洋观测与研究工作中具有十分迫切的需求。从检索到的公开资料看，尚未有类似的船载视场可调的海面观测装置及方法，实现对海面现象和过程的定位观测和面积估算功能。

由于赤潮、溢油、锋面、水下礁石等海洋现象和过程能在海面上表现为粗糙度和颜色的异常区域，本发明针对上述粗糙度和颜色异常区的现场观测定位和面积估算的需要，基于视频成像原理和卫星定位导航技术，通过配置船载视场可调的固定机构，建立视场可调的海面观测装置及方法，实现对海面粗糙度异常区和颜色异常区的定位观测和面积估算，可用于赤潮、溢油、锋面和水下礁石等海洋现象和环境要素的现场观测。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种船载视场可调的海面观测装置及方法。

一种船载视场可调的海面观测装置，其特征在于其包括船载定位装置、高清摄像机和固定机构，其中船载定位装置，可采用单机GPS终端、差分GPS终端或实施动态差分GPS终端，用于获取船舶的准确位置；高清摄像机，可采用具有高清摄像能力的商用摄像机，用于获取时间序列的海面信息；固定机构，用于将高清摄像机固定在船舶上，具有视场角度可调功能。

所述固定机构包括固定杆与活动杆，固定杆的一端与活动杆的一端铰接，活动杆的另一端设置高清摄像机，活动杆与固定杆之间设置有支撑杆，支撑杆的一端与活动杆铰接，支撑杆的另一端可与设置在固定杆上的多个活动螺丝中的任意一个连接，固定机构通过固定杆固定于船舶上。

使用所述装置的船载视场可调的海面观测方法，其特征在于其包括以下处理步骤：

（1）使用该装置前，需将高清摄像机和船载定位装置的时间进行同步；

（2）装置安装和测量；

（3）通过调节固定机构获得适当的视场角度；

（4）打开船载定位装置和高清摄像机的电源开关，获取船舶航行中的位置信息和时间序列的海面观测信息；

（5）基于同步的观测获取的时间序列的位置信息和海面观测信息，进行处理分析获得海洋观测目标的信息，如位置、面积。

所述的方法，其特征在于步骤（1）中，将船载定位装置的时间同步到卫星定位系统的系统时间，同时将高清摄像机的系统时间更新到船载定位装置的时间，使得两者保持时间同步。

所述的方法，其特征在于步骤（2）中，将固定机构固定到船舶上，固定机构可以采用垂直和水平两种固定方法，根据需要可选择垂直固定于船舶侧面，也可以水平固定于甲板或船舶顶棚，固定方法，可以采用焊接方法或螺丝固定的方法，完成固定机构的固定后，将高清摄像机固定于固定机构上，安装船载定位装置到船上。测量高清摄像机到海面的垂直高度h、摄像机和船载定位装置的水平距离dX和dY。

所述的方法，其特征在于步骤（3）中，根据摄像机的监视器观测视场，调节固定机构的视场角度θ和高清摄像机的焦距f，使得高清摄像机的视场范围和观测距离适当，同时记录高清摄像机的传感器垂直尺寸l和水平尺寸k、以及设定的行数m和列数n。

所述的方法，其特征在于步骤（4）中，根据海面观测任务的需要，将船载定位装置和高清摄像机开机，使两者处于同步工作状态，分别获取时间序列的位置信息和海面观测视频信息。

所述的方法，其特征在于步骤（5）中对步骤（4）获取的同步的时间序列位置信息和海面观测视频信息进行处理分析，根据连续观测获得的录像信息，获得具有海面粗糙度或色调异常区信息的录像片段，确定存在异常区域的范围，获得异常区域中像素，通过分析和计算每一个异常像素的位置和面积等信息，计算方法如下：

根据摄像机的传感器的垂直尺寸和水平尺寸和设定的摄像图像的行数m和列数n，可计算高清摄像机的倾斜视场角（垂直方向）为：

水平视场角为：

根据同步观测的船载观测装置位置（X₀,Y₀）和和步骤（2）测量获得的dX和dY, 可计算高清摄像机的位置（x₀,y₀），计算方法如下：

，

根据高清摄像机成像原理，利用步骤（2）测量获得的高清摄像机到海面的垂直高度h步骤（3）记录的固定机构的视场角度θ和高清摄像机的焦距f以及高清摄像机设定的行数m和列数n。高清摄像机获得的每一帧图像中任意位置像素（i，j）的中心位置为：

该像素的四个顶点a、b、c、d坐标、、、的计算公式分别为：

进而，该像素的面积计算公式为：

完成全部异常区域像素的计算后就能得到异常区域的位置和面积信息。

本发明的有益效果是：

海面上广发存在的赤潮、溢油、锋面、水下礁石等海洋现象和过程，能在海面上表现为粗糙度和颜色的异常区域。在现有海洋观测方法中，通过目视观测方法很难确定准确的位置和范围，通过卫星或航空遥感方法又存在机动性差和准确度低等缺陷。如何通过现场观测方法获取上述海面现象或过程的准确位置和范围面积等信息，在海洋观测与研究工作中具有十分迫切的需求。本发明基于高清摄像技术和高精度定位技术，并设计视场可调的固定机构，提出信息处理方法，实现了海面观测和面积估算，是海洋现场观测研究中的一项创新，具有极大的实用价值。

附图说明

图1是固定机构示意图（垂直安装模式）；

图2是固定机构示意图（水平安装模式）；

图3是装置安装示意图；

图4是摄像机成像视场角计算示意图。

图5是观测方向上的位置和距离计算示意图；

图6是垂直于观测方向上的位置和距离计算示意图；

图中，1—固定杆；2—支撑杆；3—活动杆；4—高清摄像机；5—活动螺丝；6—固定螺丝；7—船载定位装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

根据本发明的船载视场可调的海面观测装置及方法进行实验，具体包括如下步骤：

1）将高清摄像机4和船载定位装置7的时间进行同步：

将船载定位装置7的时间同步到定位系统所提供的卫星定位系统的系统时间，同时将高清摄像机4的系统时间更新到船载定位装置的时间，使得两者保持时间同步。

2）装置安装与测量：

将固定机构固定到船舶上。固定机构提供垂直和水平两种固定方法选择，根据需要可选择垂直固定于船舶侧面（图1），也可以水平固定于甲板或船舶顶棚（图2）。固定方法，可以采用焊接方法或则螺丝固定的方法。完成固定机构的固定后，将高清摄像机4固定于固定机构上。安装船载定位装置7，形成如图3所示的装置构成示意图。测量高清摄像机4到海面的垂直高度h、摄像机和船载定位装置7的水平距离dX和dY。

3）通过调节固定机构获得适当的视场角度：

根据摄像机的监视器观测视场，调节固定机构的视场角度θ和高清摄像机4的焦距f，如图1和图2所示，使得高清摄像机4的视场范围和观测距离适当。同时记录高清摄像机4的传感器垂直尺寸l和水平尺寸k、以及设定的行数m和列数n。

4) 打开船载定位装置7和高清摄像机4的电源开关，获取船舶航行中的位置信息和时间序列的海面观测信息：

根据海面观测任务的需要，将船载定位装置7和高清摄像机4开机，使两者处于同步工作状态，分别获取时间序列的位置信息和海面观测信息（视频信息）。其中时间序列的位置信息为设置为每秒钟获取并记录位置信息，时间序列海面观测信息为连续的视频信息。

5）基于同步的观测获取的时间序列的位置信息和海面观测信息，进行处理分析获得海洋观测目标的信息（位置、面积等）：

对步骤（4）获取的同步的时间序列位置信息和海面观测信息进行处理分析，根据连续观测获得的视频信息，获得具有海面粗糙度或色调异常区信息的视频片段，确定存在异常区域的范围，获得异常区域所在视频的每一帧图像中像素。通过分析和计算每一个异常像素的位置和面积等信息。具体每一个像素的位置和面积计算的原理图如图4、图5 和图6所示。其中图4为摄像机成像中的视场角β的计算原理，图5 为观测方向上的位置和距离计算原理，图6为垂直于观测方向上的位置和距离计算原理。

根据图3，可计算摄像机的视场角β，计算公式如下：

其中L为传感器尺寸，单位为mm；f为焦距，单位为mm。

通常摄像机的传感器为长方形，假设其垂直尺寸和水平尺寸分别为和，摄像图像的像素分别为m和n，则倾斜视场角（垂直方向）为：

水平视场角为：

在图5和图6，高清摄像机4离海面的高度h可通过步骤2）可测量获得，高清摄像机4相机的俯角θ可通过步骤3）可测量获得, 高清摄像机4的位置（x₀,y₀）可基于同步的船载定位装置7获得的位置（X₀,Y₀）和步骤2）测量获得的dX和dY计算获得，计算方法如下：

，

根据图5和图6的原理，高清摄像机4获得的每一帧图像中任意位置像素（i，j）的中心位置为：

该像素的四个顶点a、b、c、d坐标、、、的计算公式分别为：

进而，该像素的面积计算公式为：

完成全部异常区域像素的计算后就能得到异常区域的位置和面积信息。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种使用船载视场可调的海面观测装置的海面观测方法，其特征在于该海面观测装置包括船载定位装置（7）、高清摄像机（4）和固定机构，其中船载定位装置（7），采用单机GPS终端、差分GPS终端或实施动态差分GPS终端，用于获取船舶的准确位置；高清摄像机（4），采用具有高清摄像能力的商用摄像机，用于获取时间序列的海面信息；固定机构，用于将高清摄像机（4）固定在船舶上，具有视场角度可调功能；所述固定机构包括固定杆（1）与活动杆（3），固定杆（1）的一端与活动杆（3）的一端铰接，活动杆（3）的另一端设置高清摄像机（4），活动杆（3）与固定杆（1）之间设置有支撑杆（2），支撑杆（2）的一端与活动杆（3）铰接，支撑杆（2）的另一端与设置在固定杆（1）上的多个活动螺丝（5）中的任意一个连接，固定机构通过固定杆（1）固定于船舶上；

其观测方法包括以下处理步骤：

步骤（1）：使用该装置前，将船载定位装置（7）的时间同步到卫星定位系统的系统时间，同时将高清摄像机（4）的系统时间更新到船载定位装置（7）的时间，使得两者保持时间同步；

步骤（2）：将固定机构固定到船舶上，固定机构采用垂直和水平两种固定方法，根据需要可选择垂直固定于船舶侧面，也可以水平固定于甲板或船舶顶棚，固定方法采用焊接方法或螺丝固定的方法，完成固定机构的固定后，将高清摄像机（4）固定于固定机构上，安装船载定位装置（7）到船上，并测量高清摄像机（4）到海面的垂直高度h，摄像机和船载定位装置（7）的水平距离dX和垂直距离dY；

步骤（3）：根据摄像机的监视器观测视场，调节固定机构的视场角度θ和高清摄像机的焦距f，使得高清摄像机（4）的视场范围和观测距离适当，同时记录高清摄像机（4）的传感器垂直尺寸l和水平尺寸k、以及设定的行数m和列数n；

步骤（4）：根据海面观测任务的需要，将船载定位装置（7）和高清摄像机（4）开机，使两者处于同步工作状态，分别获取时间序列的位置信息和海面观测视频信息；

步骤（5）：对步骤（4）获取的同步的时间序列位置信息和海面观测视频信息进行处理分析，根据连续观测获得的录像信息，获得具有海面粗糙度或色调异常区信息的录像片段，确定存在异常区域的范围，获得异常区域中像素，通过分析和计算每一个异常像素的位置和面积，计算方法如下：

根据摄像机的传感器的垂直尺寸和水平尺寸和设定的摄像图像的行数m和列数n，计算高清摄像机（4）的倾斜视场角为：

水平视场角为：

高清摄像机（4）离海面的高度h通过步骤（2）测量获得，高清摄像机（4）的位置（x₀,y₀）基于同步的船载定位装置（7）获得的位置（X₀,Y₀）和步骤步骤（2）测量获得的dX和dY计算获得，计算方法如下：

，

高清摄像机（4）获得的每一帧图像中任意位置像素（i，j）的中心位置为：

该像素的四个顶点a、b、c、d坐标、、、的计算公式分别为：

进而，该像素的面积计算公式为：

完成全部异常区域像素的计算后就能得到异常区域的位置和面积信息。