CN104648627B - 一种船舶预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船舶预警方法，该方法包括提供一种船舶周边目标检测报警系统，所述报警系统包括摄像组件、传感器组件、图像预处理设备、目标识别设备、目标特征提取设备、目标模板存储设备和处理设备，摄像组件、图像预处理设备、目标识别设备和目标特征提取设备依次连接以获取船舶周边目标的特征，处理设备与目标特征提取设备和目标模板存储设备分别连接以识别目标类型，处理设备还基于目标特征提取设备和传感器组件分别检测的目标距离实现目标检测报警。通过本发明，能够方便船舶及时检测船体周围目标的存在，并进一步对其进行类型识别，同时还能根据目标与船体的相对位置情况，提供对应的报警信息。

Description

一种船舶预警方法

本发明是申请号为2014103371126、申请日为2014年7月15日、发明名称为“一种船舶预警方法”的专利的分案申请。

技术领域

本发明涉及船舶预警领域，尤其涉及一种船舶预警方法。

背景技术

随着世界经济的发展以及进出口贸易的持续增长，海上交通运输日益繁忙，大型化、现代化船舶数量不断增加，使得本来就不宽裕的航道、港口和近岸水域变得更加拥挤，交通事故不断出现，同时海上垃圾的增多，一些近船目标与船体的频繁碰撞，也为船舶的正常行驶带来了安全隐患。当船舶因为与其他船或近船目标发生碰撞而导致船体受损时，不仅给船舶的运营商带来不小的经济损失，而且重大的碰撞事故会给船上人员造成人身伤亡，如果是大型油船，甚至会导致原油泄漏，使海洋的生态环境受到严重危害，可能若干年都无法恢复到原来的状态。

为了避免船舶与海上其他物体发生碰撞的事故发生，在计算机技术和航海技术快速发展的今天，人们也开发了一些船舶附近目标检测报警系统，安装在船舶上，对船舶船体附近出现的危险目标进行检测，在必要时对船上人员报警，在船体周围成功搭建了一道防护预警网。

但是，现有技术中的船舶附近目标检测报警系统存在一些弊端：(1)只能对近船目标进行检测，而无法对目标进行识别，不方便船上人员制定行驶策略；(2)电子化程度低，无法实时动态显示多个近船目标的形态和到船体的相对距离；(3)由于海上环境复杂，现有技术的报警系统存在误报警的可能。

因此，需要一种能够对近船目标进行有效识别并能提高报警系统自动化程度和准确度的技术方案，同时对多个近船目标进行特征识别，判断出这些目标的类型，给行驶人员提供重要参考，以及时改变行驶策略或制定应对方案，避免船体受损，保障了船上人员和货物的安全。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种船舶预警方法，该方法包括提供一种新的船舶周边目标检测报警系统，通过实时采集目标图像、目标图像预处理、目标子图像分割以及目标特征识别，及时获取近船目标的特征和类型，并与多种目标相关的信息一起进行综合显示，提高了报警系统的智能化水平，同时采取图像距离识别和红外距离识别两种距离识别方式，保障了报警系统的目标距离检测报警的准确性。

根据本发明的一方面，提供了一种船舶预警方法，该方法包括提供一种船舶周边目标检测报警系统，所述报警系统包括摄像组件、传感器组件、图像预处理设备、目标识别设备、目标特征提取设备、目标模板存储设备和处理设备，摄像组件、图像预处理设备、目标识别设备和目标特征提取设备依次连接以获取船舶周边目标的特征，处理设备与目标特征提取设备和目标模板存储设备分别连接以基于所述船舶周边目标的特征和目标模板存储设备预先存储每一种类型目标的特征值识别目标类型，处理设备还基于目标特征提取设备和传感器组件分别检测的目标距离实现目标距离检测报警。

更具体地，在所述船舶周边目标检测报警系统中，所述摄像组件由四个摄像头组成，所述四个摄像头分别安装在船舶的头部、尾部、左侧和右侧，用于分别捕获船舶前方、后方、左侧和右侧的水面图像；所述传感器组件由四个红外测距传感器组成，所述四个红外测距传感器分别安装在船舶的头部、尾部、左侧和右侧，用于分别检测船舶前方、后方、左侧和右侧内出现的目标距离船体的距离并作为第一目标距离；所述图像预处理设备连接所述摄像组件以接收船舶前方、后方、左侧和右侧的水面图像，并对接收到的水面图像进行去噪滤波处理，以获得预处理后的水面图像；所述目标识别设备连接所述图像预处理设备以接收所述预处理后的水面图像，并基于全局阈值分割法提取在所述预处理后的水面图像中每一个目标所在的目标子图像；所述目标特征提取设备连接所述目标识别设备以获得所述每一个目标所在的目标子图像，基于所述每一个目标所在的目标子图像提取每一个目标的特征，所述每一个目标的特征包括点特征、线特征、面特征、目标面积、目标周长和目标中心坐标，所述目标周长是通过目标边缘检测而被获取，还计算每一个目标的目标中心坐标到船体的距离以作为第二目标距离；所述目标模板存储设备存储目标模板数据库，所述目标模板数据库以目标类型为索引，预先存储每一种目标类型的特征值；所述处理设备，分别连接传感器组件、目标特征提取设备、目标模板存储设备、所述报警系统的扬声器和所述报警系统的显示设备，当接收到的第一目标距离和第二目标距离的差值小于等于预定差值阈值时，进入目标确定模式，发出目标确定信号，当接收到的第一目标距离和第二目标距离的差值大于预定差值阈值时，进入目标可疑模式，发出目标可疑信号，在目标确定模式中，取第一目标距离和第二目标距离中最小值作为确定目标距离，当确定目标距离为10米和1米之间时，发出提醒信号，当确定目标距离为1米内时，发出警示信号，并控制所述显示设备显示与目标确定信号、目标可疑信号、提醒信号或警示信号对应的信息，同时处理设备将所述每一个目标的特征与目标模板数据库中每一种目标类型的特征值进行逐一匹配，将匹配成功的目标类型的模拟图以该目标的目标中心坐标显示在所述显示设备的模拟界面上，还控制所述扬声器播放与目标确定信号、目标可疑信号、提醒信号或警示信号对应的声音提示信息；导航设备，与所述显示设备连接以实时显示船舶的位置；无线通信设备，设置在船体外壳上，连接所述处理设备和所述目标识别设备，并在所述处理设备发出警示信号时，将所述目标识别设备提取的每一个目标所在的目标子图像发送给海上救援中心；其中，所述全局阈值分割法是将所述预处理后的水面图像的背景的灰度值在整个图像中视为恒定，将目标与背景视为具有相同的对比度，基于预设的全局阈值提取在所述预处理后的水面图像中每一个目标所在的目标子图像，所述图像预处理设备的去噪滤波处理包括使用自适应维纳滤波器去除所述图像预处理设备接收到的水面图像的白噪声并保留所述图像预处理设备接收到的水面图像的边缘和高频部分；其中，所述图像预处理设备、所述目标识别设备、所述目标特征提取设备、所述目标模板存储设备、所述处理设备、所述扬声器、所述显示设备和所述导航设备都安装在船舶的中控室的前端仪表盘内。

更具体地，在所述船舶周边目标检测报警系统中，每一个红外测距传感器包括多个红外测距单元，分别对各自预定的检测范围进行船舶周围目标的检测。

更具体地，在所述船舶周边目标检测报警系统中，所述报警系统将所述处理设备、所述扬声器、所述显示设备和所述导航设备集成在一块集成电路板上。

更具体地，在所述船舶周边目标检测报警系统中，所述显示设备为液晶显示器LCD。

更具体地，在所述船舶周边目标检测报警系统还包括用户输入设备，安装在船舶的中控室的前端仪表盘内，并与所述处理设备连接以用于设置所述预定差值阈值。

附图说明

以下将结合附图对本发明的实施方案进行描述，其中：

图1为根据本发明实施方案示出的船舶周边目标检测报警系统的结构方框图。

图2为根据本发明实施方案示出的船舶周边目标检测报警系统中的一块集成电路板的结构方框图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的船舶周边目标检测报警系统的实施方案进行详细说明。

船舶是海运的交通工具。与陆运、空运方式比较，海运具有一定的优势。首先，避免额外费用的产生，陆路运输常常会产生国际电话联系费用，进出口税，入车场费用及种种因查货而发生的拖车过夜、逾时费等不可预见的额外费用，采用海运运输，尽可省却了诸如此类不必要的开支；其次，免除重复报关的困扰，陆路运输是逐柜申报形式报关的，而海域报关是以每票即每批货作为报关的依据，如此可免除因多重报关而结生出的额外费用，尤其是一次性大货量进出时，海运运输的优点更加明显无遗；再次，了却二次查验的烦恼，因陆路运输要跨越不同的海关辖区，所以货物经常遭遇不同关区海关的查验，耗时，劳神，且常导致拖车到厂时间之延误，而致人员、机具之耗费时间在等待卸货上，而海运运输在当地一次通关即可，简便易行，确保货物运输的时效，另部分口岸之海关关系较佳，较易体谅工厂进品货物之小瑕疵；最后，海运可享受场内之免费仓期，有利于报关及合同之周转，因通常码头可提供货到后约5天之免费堆存期(视港口规定而有不同之天数)，故有利于工厂报关动作及合同之周转。因此，尽管陆运和空运在运行速度上具有不可比拟的优势，但因为以上诸点，海运经久不衰。

为了保障海运的经济效益，船舶的正常运行尤其关键。当代的船舶偏大型化、电子化方向发展，通常造价不菲，海运的人员和货物数量也相当多，一次航海事故造成的人员伤害和经济损失都是难以弥补的。因此，船舶的安全防护问题是造船公司一直关注的重大问题之一，为此进行船舶航行预警系统的多项课题的研究。在船舶的安全防护问题中，船舶碰撞是最经常出现的航运事故，船舶碰撞包括船舶之间的碰撞以及船舶与近船物体的碰撞。

本发明的船舶周边目标检测报警系统，能够为安装有报警系统的船舶自动检测周围目标的图像信息并进行目标特征识别，对识别结果和目标特征信息进行综合显示，提高了报警系统的智能化程度，为航海人员提供航行的重要参考数据，同时，采用图像距离识别和红外距离识别结合的方式，也提高了目标距离检测报警的准确性。

图1为根据本发明实施方案示出的船舶周边目标检测报警系统的结构方框图，所述报警系统包括摄像组件1、传感器组件2、图像预处理设备3、目标识别设备4、目标特征提取设备5、目标模板存储设备7和处理设备6，摄像组件1、图像预处理设备3、目标识别设备4和目标特征提取设备5依次连接以获取船舶周边目标的特征，处理设备6与目标特征提取设备5和目标模板存储设备7分别连接以基于所述船舶周边目标的特征和目标模板存储设备7预先存储每一种类型目标的特征值识别目标类型，处理设备6还基于目标特征提取设备5和传感器组件2分别检测的目标距离实现目标距离检测报警。

其中，在所述船舶周边目标检测报警系统中，所述摄像组件1由四个摄像头组成，所述四个摄像头分别安装在船舶的头部、尾部、左侧和右侧，用于分别捕获船舶前方、后方、左侧和右侧的水面图像；所述传感器组件2由四个红外测距传感器组成，所述四个红外测距传感器分别安装在船舶的头部、尾部、左侧和右侧，用于分别检测船舶前方、后方、左侧和右侧内出现的目标距离船体的距离并作为第一目标距离；所述图像预处理设备3连接所述摄像组件1以接收船舶前方、后方、左侧和右侧的水面图像，并对接收到的水面图像进行去噪滤波处理，以获得预处理后的水面图像；所述目标识别设备4连接所述图像预处理设备3以接收所述预处理后的水面图像，并基于全局阈值分割法提取在所述预处理后的水面图像中每一个目标所在的目标子图像；所述目标特征提取设备5连接所述目标识别设备4以获得所述每一个目标所在的目标子图像，基于所述每一个目标所在的目标子图像提取每一个目标的特征，所述每一个目标的特征包括点特征、线特征、面特征、目标面积、目标周长和目标中心坐标，所述目标周长是通过目标边缘检测而被获取，还计算每一个目标的目标中心坐标到船体的距离以作为第二目标距离；所述目标模板存储设备7存储目标模板数据库，所述目标模板数据库以目标类型为索引，预先存储每一种目标类型的特征值；所述处理设备6，分别连接传感器组件2、目标特征提取设备5、目标模板存储设备7、所述报警系统的扬声器和所述报警系统的显示设备，当接收到的第一目标距离和第二目标距离的差值小于等于预定差值阈值时，进入目标确定模式，发出目标确定信号，当接收到的第一目标距离和第二目标距离的差值大于预定差值阈值时，进入目标可疑模式，发出目标可疑信号，在目标确定模式中，取第一目标距离和第二目标距离中最小值作为确定目标距离，当确定目标距离为10米和1米之间时，发出提醒信号，当确定目标距离为1米内时，发出警示信号，并控制所述显示设备显示与目标确定信号、目标可疑信号、提醒信号或警示信号对应的信息，同时处理设备6将所述每一个目标的特征与目标模板数据库中每一种目标类型的特征值进行逐一匹配，将匹配成功的目标类型的模拟图以该目标的目标中心坐标显示在所述显示设备的模拟界面上，还控制所述扬声器播放与目标确定信号、目标可疑信号、提醒信号或警示信号对应的声音提示信息；导航设备，与所述显示设备连接以实时显示船舶的位置；无线通信设备，设置在船体外壳上，连接所述处理设备6和所述目标识别设备4，并在所述处理设备6发出警示信号时，将所述目标识别设备4提取的每一个目标所在的目标子图像发送给海上救援中心；其中，所述全局阈值分割法是将所述预处理后的水面图像的背景的灰度值在整个图像中视为恒定，将目标与背景视为具有相同的对比度，基于预设的全局阈值提取在所述预处理后的水面图像中每一个目标所在的目标子图像，所述图像预处理设备3的去噪滤波处理包括使用自适应维纳滤波器去除所述图像预处理设备3接收到的水面图像的白噪声并保留所述图像预处理设备3接收到的水面图像的边缘和高频部分；其中，所述图像预处理设备3、所述目标识别设备4、所述目标特征提取设备5、所述目标模板存储设备7、所述处理设备6、所述扬声器、所述显示设备和所述导航设备都安装在船舶的中控室的前端仪表盘内。

其中，所述报警系统中，每一个红外测距传感器可以包括多个红外测距单元，分别对各自预定的检测范围进行船舶周围目标的检测；所述报警系统还可以将所述处理设备6、所述扬声器、所述显示设备和所述导航设备集成在一块集成电路板上，如图2所示，所述扬声器、所述显示设备和所述导航设备分别与所述处理设备6连接，所述导航设备与所述显示设备连接；以及可选地，所述显示设备可以为液晶显示器LCD，根据用户需求，可为所述液晶显示器LCD订造不同的显示分辨率；另外，所述报警系统还可以包括用户输入设备，也被安装在船舶的中控室的前端仪表盘内，并与所述处理设备6连接以用于设置所述预定差值阈值。

另外，红外测距传感器是用红外线为介质的测量系统，按照功能可分成五类：(1)辐射计，用于辐射和光谱测量；(2)搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；(3)热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；(4)红外测距和通信系统；(5)混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。其按探测机理可分成为光子探测器和热探测器。红外传感技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。其原理为，红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，利用的红外测距传感器例如LDM301发射出一束红外光，在照射到物体后形成一个反射的过程，反射到传感器后接收信号，然后利用CCD图像处理接收发射与接收的时间差的数据。经信号处理器处理后计算出物体的距离。这不仅可以使用于自然表面，也可用于加反射板。测量距离远，很高的频率响应，适合于恶劣的环境中。

另外，维纳滤波器(Wiener filter)是由数学家维纳(Rorbert Wiener)提出的一种以最小平方为最优准则的线性滤波器。在一定的约束条件下，其输出与一给定函数(通常称为期望输出)的差的平方达到最小，通过数学运算最终可变为一个托布利兹方程的求解问题。维纳滤波器又被称为最小二乘滤波器或最小平方滤波器，目前是基本的滤波方法之一。维纳滤波是利用平稳随机过程的相关特性和频谱特性对混有噪声的信号进行滤波的方法。

采用本发明的船舶周边目标检测报警系统，针对现有船舶报警系统无目标识别且电子化低、容易距离误判的技术问题，采用图像识别的方式实时对近船多个目标进行特征提取和目标识别，将目标信息进行综合显示，同时通过图像距离识别和红外距离识别结合的手段，并在紧急情况上传目标子图像到海上救援中心，从而提高目标距离检测报警的精度，为船上操作人员提供重要参考，以便他们合理规划航线，避免船舶碰撞事故的发生，保障船舶运营方的经济利益和船上人员的人身安全。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (1)

1.一种船舶预警方法，该方法包括：提供船舶周边目标检测报警系统，所述报警系统包括摄像组件、传感器组件、图像预处理设备、目标识别设备、目标特征提取设备、目标模板存储设备和处理设备，摄像组件、图像预处理设备、目标识别设备和目标特征提取设备依次连接以获取船舶周边目标的特征，处理设备与目标特征提取设备和目标模板存储设备分别连接以基于所述船舶周边目标的特征和目标模板存储设备预先存储每一种类型目标的特征值识别目标类型，处理设备还基于目标特征提取设备和传感器组件分别检测的目标距离实现目标距离检测报警；

其特征在于：

所述摄像组件由四个摄像头组成，所述四个摄像头分别安装在船舶的头部、尾部、左侧和右侧，用于分别捕获船舶前方、后方、左侧和右侧的水面图像；

所述传感器组件由四个红外测距传感器组成，所述四个红外测距传感器分别安装在船舶的头部、尾部、左侧和右侧，用于分别检测船舶前方、后方、左侧和右侧内出现的目标距离船体的距离并作为第一目标距离；

所述图像预处理设备连接所述摄像组件以接收船舶前方、后方、左侧和右侧的水面图像，并对接收到的水面图像进行去噪滤波处理，以获得预处理后的水面图像；

所述目标识别设备连接所述图像预处理设备以接收所述预处理后的水面图像，并基于全局阈值分割法提取在所述预处理后的水面图像中每一个目标所在的目标子图像；

所述目标特征提取设备连接所述目标识别设备以获得所述每一个目标所在的目标子图像，基于所述每一个目标所在的目标子图像提取每一个目标的特征，所述每一个目标的特征包括点特征、线特征、面特征、目标面积、目标周长和目标中心坐标，所述目标周长是通过目标边缘检测而被获取，还计算每一个目标的目标中心坐标到船体的距离以作为第二目标距离；

所述目标模板存储设备存储目标模板数据库，所述目标模板数据库以目标类型为索引，预先存储每一种目标类型的特征值；

所述处理设备，分别连接传感器组件、目标特征提取设备、目标模板存储设备、所述报警系统的扬声器和所述报警系统的显示设备，当接收到的第一目标距离和第二目标距离的差值小于等于预定差值阈值时，进入目标确定模式，发出目标确定信号，当接收到的第一目标距离和第二目标距离的差值大于预定差值阈值时，进入目标可疑模式，发出目标可疑信号，在目标确定模式中，取第一目标距离和第二目标距离中最小值作为确定目标距离，当确定目标距离为10米和1米之间时，发出提醒信号，当确定目标距离为1米内时，发出警示信号，并控制所述显示设备显示与目标确定信号、目标可疑信号、提醒信号或警示信号对应的信息，同时处理设备将所述每一个目标的特征与目标模板数据库中每一种目标类型的特征值进行逐一匹配，将匹配成功的目标类型的模拟图以该目标的目标中心坐标显示在所述显示设备的模拟界面上，还控制所述扬声器播放与目标确定信号、目标可疑信号、提醒信号或警示信号对应的声音提示信息；

导航设备，与所述显示设备连接以实时显示船舶的位置；

无线通信设备，设置在船体外壳上，连接所述处理设备和所述目标识别设备，并在所述处理设备发出警示信号时，将所述目标识别设备提取的每一个目标所在的目标子图像发送给海上救援中心；

其中，所述全局阈值分割法是将所述预处理后的水面图像的背景的灰度值在整个图像中视为恒定，将目标与背景视为具有相同的对比度，基于预设的全局阈值提取在所述预处理后的水面图像中每一个目标所在的目标子图像，所述图像预处理设备的去噪滤波处理包括使用自适应维纳滤波器去除所述图像预处理设备接收到的水面图像的白噪声并保留所述图像预处理设备接收到的水面图像的边缘和高频部分；

其中，所述图像预处理设备、所述目标识别设备、所述目标特征提取设备、所述目标模板存储设备、所述处理设备、所述扬声器、所述显示设备和所述导航设备都安装在船舶的中控室的前端仪表盘内；

所述报警系统将所述处理设备、所述扬声器、所述显示设备和所述导航设备集成在一块集成电路板上；

所述显示设备为液晶显示器LCD。