CN104765073B - 一种激光水面漂浮物体识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光水面漂浮物体识别方法，包括以下步骤：（1）在待检测预定水面的一侧放置近红外激光发射器；另一侧对应放置专用红外摄像机；（2）专用红外摄像机CMOS元器件成像后，通过图像处理系统判别、统计画面中的光斑数目；（3）根据获得的光斑数目，以及专用红外摄像机的位置输入计算机模型分析出待检测预定水面的漂浮物是否存在，以及漂浮物的类型、表面崎岖度、厚度、面积大小信息。本发明利用红外激光设备照射水面，利用水面、水体对红外激光的折射，来检测水面漂浮物；识别精度高、实时性好、维护成本低、应用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用激光照射水面识别漂浮物体的方法，尤其涉及一种激光水面漂浮物体识别方法，属于电子及光学科学技术领域。
背景技术
随着社会经济发展和工业化进程，水体的污染情况加重，漂浮物增多、航行设备大量出现；如何快速有效的识别水面漂浮物，为水面安全规避、污染物清洁、水面交通安全等领域提供早期预警及实时监控等信息，成为了信息化、传感器领域的重要课题之一。
现有的水面目标识别方法，通过CCD相机获取水面图像，进行识别，错误率高、成本高、监控范围有限；通过碰撞和距离传感器，获取传感信息，实时性差，安全性差，使用寿命有限；通过声纳雷达等设备，维护成本高昂，无法适应恶劣环境；很难大规模应用于社会生产的各个需求领域。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供一种激光水面漂浮物体识别方法，实现快速、有效的对水面漂浮物体进行检测、识别。
本发明所采用的技术方案为：
一种激光水面漂浮物体识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在待检测预定水面的一侧放置近红外激光发射器；另一侧对应放置专用红外摄像机；打开近红外激光发射器，对待检测预定水面进行照射；专用红外摄像机实时进行摄像；所述的近红外激光发射器和专用红外摄像机至少设置一组；且所述的近红外激光发射器以30°—60°的角度照射水面；以一定密度平均覆盖待检测预定水面的全部；所述专用红外摄像机设置在近红外激光发射器发射激光照射水面后的反射激光覆盖区域；且所述专用红外摄像机设置在远离近红外激光发射器发射激光照射在静止水面的反射路径上；
（2）专用红外摄像机CMOS元器件成像后，通过图像处理系统利用软件数字滤波手段滤除图像画面噪声点，计算整张图像画面的白平衡，根据预设的参数确定二值化图像所需要的灰度阀值；对图像进行二值化处理；对获得的二值化图像，自动判别、统计画面中的光斑数目；所述光斑数目大于等于零，小于等于近红外激光发射器的个数；且所述的专用红外摄像机的镜头前还设置有用于将图像亮度降低至日夜变化范围均不超过量化阀值的滤光片；所述的专用红外摄像机的CMOS元器件之前还设置有用于将近红外激光发射器发射的中心频率在一定范围以外的电磁波进行高分贝的衰减的物理专用窄带数字滤波器；
（3）根据获得的光斑数目，以及专用红外摄像机的位置输入计算机模型分析出待检测预定水面的漂浮物是否存在，以及漂浮物的类型、表面崎岖度、厚度、面积大小信息。
本发明的有益效果在于：利用红外激光设备照射水面，利用水面、水体对红外激光的折射，来检测水面漂浮物；识别精度高、实时性好、维护成本低、应用范围广、使用寿命长；可以很好的替代现有的水面识别设备和漂浮物检测传感器设备，应用于各种信息化的系统中；进一步的，可以根据利用其一系列特点，大规模的应用于识别水面漂浮物，为水面安全规避、污染物清洁、水面交通安全等领域提供早期预警及实时监控等，实现较大的社会效益、经济效益。
附图说明：
图1为本发明方法对专用红外摄像机拍摄图像处理流程示意图；
图2为本实施例水面无漂浮物时反射光线示意图；
图3为本实施例水面有漂浮物时反射光线示意图；
图中主要附图标记含义如下：
1、红外激光发射器，2、专用红外摄像机，3、水面，4、漂浮物。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做具体的介绍。
如图2所示，左侧为红外激光发射器1，右侧为专用红外摄像机2；中间水面3不存在漂浮物4时，由于水面3和水体的折射和吸收，反射光线的强度和方向特定；在反射路径之外几乎不存在电磁辐射；如图3所示，当照射到一定的漂浮物4体上的时候，折射损失消失，发生漫反射；反射光线的强度根据漂浮物4体的表面特性和颜色在一定范围内被专用红外摄像机2捕获；图中的光线强度以颜色的黑色程度标识；而且，通过图像处理系统预设的处理手段，捕获的图像可以有效的避免水面3波动带来的镜面反射的短暂影响。
本发明方法具体步骤如下：
在待检测预定水面3的一侧放置多个近红外激光发射器1；另一侧对应放置多个专用红外摄像机2；打开近红外激光发射器1，对待检测预定水面3进行照射；专用红外摄像机2实时进行摄像；本实施例所述的近红外激光发射器1都以30°的角度照射水面3；以一定密度平均覆盖待检测预定水面3的全部；当然，也可以都以35°、40°、45°、50°、55°、60°的角度照射水面3；所述专用红外摄像机2设置在近红外激光发射器1发射激光照射水面3后的反射激光覆盖区域；且所述专用红外摄像机2设置在远离近红外激光发射器1发射激光照射在静止水面3的反射路径上。
专用红外摄像机2通过设置在镜头前的滤光片，物理预先过滤排除自然强光干扰，将图像亮度降低至日夜变化范围均不超过量化阀值；专用红外摄像机2CMOS元器件成像后，本实施例将可见光及近红外激光发射器1范围内的光强将至实际光强度的0.02%，即37db的衰减；本实施例选用近红外激光发射器中心波长为808nm，衰减程度小于等于3db的区域为798nm~818nm。
通过图像处理系统利用软件数字滤波手段滤除图像画面噪声点，计算整张图像画面的白平衡，根据预设的参数确定二值化图像所需要的灰度阀值；所述灰度阀值是根据场景水体水面3的反射特性，即水体底部物质的反射和水中悬浮物质的反射；以及该处水体的光谱吸收和透射特性，即水体中悬浮物质的种类确定；在特定的场景测试后得出的合适的值；对图像进行二值化处理；强制灰度低于阀值的像素区块的灰度为0；强制灰度高于阀值的像素区块的灰度值为255；对获得的二值化图像，自动判别、统计画面中的光斑数目；对一块特定大小的像素区域内灰度为0的像素点超过一定数目，判断为一个独立的光斑；所述光斑的数目大于等于零，小于等于近红外激光发射器1的个数；且本实施例在所述的专用红外摄像机2的CMOS元器件之前还设置有用于将近红外激光发射器1发射的中心频率在一定范围以外的电磁波进行高分贝的衰减的物理专用窄带数字滤波器。
根据获得的光斑数目，以及多个专用红外摄像机2的位置输入计算机模型分析出待检测预定水面3的漂浮物4是否存在，以及漂浮物4的类型、表面崎岖度、厚度、面积大小信息。
本发明的光学科学领域的原理分析如下：
水的光谱特征主要是由水本身的物质组成决定，同时又受到各种水状态的影响；地表较纯净的自然水体对0.4～2.5μm 波段的电磁波吸收明显高于绝大多数其它地物；在光谱的可见光波段内，水体中的能量物质相互作用比较复杂，光谱反射特性概括起来有以下特点：
（1）光谱反射特性可能包括来自三方面的贡献：水的表面反射、水体底部物质的反射和水中悬浮物质的反射；
（2）光谱吸收和透射特性不仅与水体本身的性质有关，而且还明显地受到水中各种类型和大小的物质——有机物和无机物的影响；
（3）在光谱的近红外和中红外波段，水几乎吸收了其全部的能量，即纯净的自然水体在近红外波段更近似于一个“黑体”，因此，在1.1～2.5μm 波段，较纯净的自然水体的反射率很低，几乎趋近于零。
参考现有文献，光线入射纯净较深水面，对各个波长反射率：蓝紫光，特征波长0.45μm，反射率2.9%；绿光，特征波长0.555μm，反射率3.4%；红光，特征波长0.65μm，反射率2.6%；近红外光，特征波长0.9μm，反射率2.2%；中近红外光，特征波长2.0μm，反射率1.7%；中红外光，特征波长>2.5μm，反射率>2.0%；因此自然洁净水体呈现暗墨绿色；对应的，水面特征漂浮物，漫反射率介于1%~7%，即黑色、黑褐色，到25%~40%，即白色、银色；因此可以有效的通过识别近红外光线的反射率，确定水面漂浮物是否存在。
上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种激光水面漂浮物体识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在待检测预定水面的一侧放置近红外激光发射器；另一侧对应放置专用红外摄像机；打开近红外激光发射器，对待检测预定水面进行照射；专用红外摄像机实时进行摄像；
（2）专用红外摄像机CMOS元器件成像后，通过图像处理系统利用软件数字滤波手段滤除图像画面噪声点，计算整张图像画面的白平衡，根据预设的参数确定二值化图像所需要的灰度阀值；对图像进行二值化处理；对获得的二值化图像，自动判别、统计画面中的光斑数目；所述灰度阀值是根据场景水体水面的反射特性设定，即水体底部物质的反射和水中悬浮物质的反射；
（3）根据获得的光斑数目，以及专用红外摄像机的位置输入计算机模型分析出待检测预定水面的漂浮物是否存在，以及漂浮物的类型、表面崎岖度、厚度、面积大小信息；
步骤（2）所述的专用红外摄像机通过设置在镜头前的滤光片，将图像亮度降低至日夜变化范围均不超过量化阀值；
步骤（1）所述专用红外摄像机设置在近红外激光发射器发射激光照射水面后的反射激光覆盖区域；且所述专用红外摄像机不在近红外激光发射器发射激光照射在静止水面的反射路径上。
2.根据权利要求1所述的一种激光水面漂浮物体识别方法，其特征在于，步骤（1）所述的近红外激光发射器和专用红外摄像机至少设置一组。
3.根据权利要求1或2所述的一种激光水面漂浮物体识别方法，其特征在于，所述的近红外激光发射器以30°—60°的角度照射水面。
4.根据权利要求1所述的一种激光水面漂浮物体识别方法，其特征在于，通过在步骤（2）所述的专用红外摄像机的CMOS元器件之前设置的物理专用窄带数字滤波器；将近红外激光发射器发射的中心频率在一定范围以外的电磁波进行高分贝的衰减。
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