CN105005089A - 基于计算机视觉的机场道面异物探测系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于计算机视觉的机场道面异物探测系统与方法，包括探头、云台、塔架和控制器；所述探头并不是将整个跑道道面作为场景进行探测与处理，而是对跑道整个区域进行网格划分，分为若干个分区，每个分区属于小范围视场，分别进行图像采样和处理，从而在保证安全距离安装的前提下，保证高精度地探测远距离跑道。本发明可以实现机场跑道异物的全自动快速只能探测与识别，完全代替人工现场勘察工作，同样可以适用于其他静态场景下异常目标的识别与探测。

Description

基于计算机视觉的机场道面异物探测系统与方法

技术领域

本发明涉及一种机场安全检测领域的设备,具体而言是一种基于计算机视觉的机场道面异物探测系统与方法。

背景技术

机场道面外来异物(FOD)是指能够损伤飞机或系统的某种外来的物质、碎屑或物体。它造成的危害不仅会损坏飞机，夺去乘客的宝贵生命,而且还伴随着巨大的经济损失和严重的社会影响。因此，时刻检查机场道面是否出现FOD，是机场安全检查工作的一项重要内容之一。

目前常见的机场道面FOD检测)方法主要分为以下四种：

第一种是人工检测方法：由机场跑道安检人员定期进行跑道人工巡检，发现有威胁的外来异物后,进行及时的检取和移除。其优点是策略简单，人的适应性强。其缺点是人工费用高、强度高、效率低、安全性差，而且需要回避飞机起降运行时间。该方法主要在飞机频次低的小型机场较为实用,对于飞机频次高的大型机场无法满足高频次、高密度起降的要求。

第二种是使用雷达探测技术：例如英国Qinetiq公司的Tarsier1100外来物探测系统，使用连续波调频的雷达制式，结合实时数字信号处理技术，可对目标进行实时自动探测和识别，可对目标进行实时自动探测和识别,能及时、可靠地探测到跑道上杂物并予以定位。其优点是雷达探测距离长、波束窄和分辨率高。其缺点是不能辨识异物的特征，包括异物的种类、形状、颜色、大小等，而且误检率、虚警率很高。

发明内容

为了解决现有机场跑道异物探测技术存在的问题,本发明提出一种基于计算机视觉的机场跑道外来异物探测系统与方法，利用超长焦距镜头与高分辨率工业摄像机对机场跑道区域进行连续实时图像采集，通过图像处理和模式识别得出异物存在与否的结论，并对异物种类、特征予以描述，实现了机场跑道异物的及时探测与预警。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种基于计算机视觉的机场道面异物探测系统，所述系统包括探头、云台、塔架和控制器。塔架布置在机场跑道的一侧，探头安装在塔架顶部的云台之上并正对跑道路面，控制器安装于塔架内部并通过电缆与探头相连接。在系统运行过程中,控制器控制云台指向跑道某个区域，探头获取该区域的图像，通过电缆传送到控制器，通过图像处理和模式识别，自动判断出是否存在异物以及异物的种类。

与常规的计算机视觉检测系统不同的是，本发明的探头并不是将整个跑道道面作为场景进行探测与处理，而是对跑道区域进行网格划分，分为若干个分区，每个分区属于小范围视场，分别进行图像采样和处理，从而在保证安全距离安装的前提下，可以保证高精度地探测远距离跑道。

本发明的探头由镜头、摄像机、加热制冷器和保护外壳组成，是一体化的视觉探头。镜头与摄像机直接相连，固定于保护外壳内，外壳内还设置有加热制冷器。

本发明的摄像机采用高分辨率、高灵敏度的工业摄像机,可以获取远近不同距离各个分区的跑道图像，供控制器进行分析和处理。摄像机的高分辨率应该保证能够可靠识别较小尺寸的异物，一般摄像机的像素数应该保证分辨率为最小目标尺寸的1/5。摄像机的数字接口应保证控制器能够方便、快速接受图像数据，保证图像传输的实时性，并优先采用千兆网接口。

本发明的镜头采用超长焦距工业镜头，可以提供系统宽广的监视范围，同时可以安装在安全距离而不影响跑道的正常运行。

本发明的控制器由计算机、稳压电源和机柜三个部分组成。计算机采用通行的工业控制计算机构成，以保证工作的稳定性和可靠性，并包括与探头和其他设备联络的通讯接口。稳压电源为计算机、摄像机提供稳定、可靠的能源与动力。计算机与稳压电源均安装在机柜之中。

本发明涉及上述系统的基于计算机视觉的机场道面异物探测方法，包括以下步骤:

(1)控制器的稳压电源打开之后,控制器中的工业计算机与探头中的摄像机开始上电工作。

(2)控制器中的计算机按照既定的跑道分区，依序对探头发出控制指令，对相应的区域快速捕获跑道道面图像,并通过电缆实时传输到控制器中的工业计算机之中。

(3)工业计算机对摄像机传来的图像进行预处理，消除噪点、形变和相机偏移。然后通过匹配对应的跑道模型数据，粗提取出潜在的异常区域。如果不存在异常区域，就返回步骤(2)，继续下一区域的探测；如果存在异常区域，则进入下一步。

(4)工业计算机对异常区域提取大量的特征，比较已有异物数据库中资料。如果有匹配的异物类型，就汇报识别结果，更新异物数据库，并返回步骤(2)；如果没有匹配结果，就反馈到下一步，人工判定。

(5)若人工判定异物存在，输入相应的类型信息，更新异物数据库，并返回步骤(2)；若判定不存在异物，则更新跑道模型数据，并返回步骤(2)。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的机场跑道异物探测系统与方法，可以实现机场跑道异物的全自动快速只能探测与识别，完全代替人工现场勘察工作，同样可以适用于其他静态场景下异常目标的识别与探测。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明的探测系统组成原理示意图。

图2是探头的组成原理示意图。

图3是控制器的组成原理示意图。

图4是实时采集到的机场跑道区域图像。

图5是几种可能的异物样本。

图中，1为探头，2为云台，3为塔架，4为电缆，5为控制器，6为道面，7为异物，8为镜头，9为摄像机，10为加热制冷器，11为保护外壳，12为交换机，13为工控机，14为通讯接口，15为稳压电源。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1是本发明的探测系统组成原理示意图。本发明的基于计算机视觉的机场道面异物探测系统由探头1、云台2、塔架3、电缆4、控制器5几个部分组成。塔架3布置在机场跑道6的一侧，探头1安装在塔架3顶部的云台2之上并正对跑道6的路面，控制器5安装于塔架3内部并通过电缆4与探头1相连接。在系统运行过程中，控制器5控制云台2指向跑道6某个区域，探头1获取该区域的图像,通过电缆4传送到控制器5，通过图像处理和模式识别，自动判断出是否存在异物7以及异物7的种类。

与常规的计算机视觉检测系统不同的是，本发明的探头1并不是将整个跑道6道面作为场景进行探测与处理，而是对跑道6整个区域进行网格划分，分为若干个分区，每个分区属于小范围视场，分别进行图像采样和处理,从而在保证安全距离安装的前提下，可以保证高精度地探测远距离跑道。

本发明的探头1组成如图2所示，探头1由镜头8、摄像机9、加热制冷器10和保护外壳11组成，是一体化的视觉探头。镜头8与摄像机9直接相连，固定于保护外壳11内，外壳11内还设置有加热制冷器10。

本发明的摄像机9采用高分辨率、高灵敏度的工业摄像机，可以获取远近不同距离各个分区的跑道图像，供控制器5进行分析和处理。摄像机的高分辨率应该保证能够可靠识别较小尺寸的异物，一般摄像机的像素数应该保证分辨率为最小目标尺寸的1/5。例如，假设跑道6的分区长度为10m，为了识别最小尺寸为2cm的异物7目标，需要摄像机9的水平像素为10m/(2cm/5)＝2500pixel。

本发明的摄像机5的数字接口应保证控制器能够方便、快速接受图像数据，保证图像传输的实时性，并优先采用千兆网接口。

本发明的镜头8采用超长焦距工业镜头，可以提供系统宽广的监视范围，同时可以安装在安全距离而不影响跑道的正常运行。例如，假设跑道6的分区长度为10m，塔架3的安装位置距离跑道6为80m，则所需镜头8的视角为2*arctan(0.5*10m/80m)＝7.2°。

本发明的加热制冷器10可采用常规加热制冷器，实现探头1内部的全天候控温，保证在各种不同极端天气条件下正常工作。

本发明的保护外壳11采用铝合金等轻金属制作，对摄像机9和镜头8进行保护，避免受到恶劣天气等的损伤。

本发明的云台2可采用常规的控制云台，实现探头1的三维姿态调整与控制，指向需要探测的分区。

本发明的塔架3可采用常规的机场规范塔架，塔架3的高度与安装位置需要符合机场净空要求，塔架整体稳固、刚性好、抗震且易折。

本发明的电缆4采用带有金属屏蔽的超六类千兆网线，保证数据传输的完整性、可靠性和实时性。

本发明的控制器5的组成如图3所示，控制器5由交换机12、工控机13、通讯接口14和稳压电源15几个部分组成。交换机12负责接收来自探头1的各种信息数据，同时向探头1传送各种控制指令。工控机13采用通行的工业控制计算机构成,以保证工作的稳定性和可靠性,并包括与探头1和其他设备联络的通讯接口。通讯接口14负责与上位机通讯。稳压电源15为交换机12、工控机13、通讯接口以及探头1提供稳定、可靠的能源与动力。

本发明涉及上述系统的机场跑道异物探测与识别方法，包括以下步骤:

(1)控制器5的稳压电源15打开之后，控制器5中的工控机13与探头1中的摄像机9开始上电工作。

(2)控制器5中的工控机13按照既定的跑道6的分区，依序对探头1发出控制指令，对相应的区域快速捕获跑道6道面图像，并通过电缆4实时传输到控制器5中的工控机13之中。

(3)工控机13对摄像机9传来的图像进行预处理，消除噪点、形变和相机偏移。然后通过匹配对应的跑道6模型数据，粗提取出潜在的异常区域。如果不存在异常区域，就返回步骤(2)，继续下一区域的探测；如果存在异常区域，则进入下一步。

(4)工控机13对异常区域提取大量的特征，比较已有异物数据库中资料。如果有匹配的异物类型，就回报识别结果，更新异物数据库，并返回步骤(2)；如果没有匹配结果，就反馈到下一步，人工判定。

(5)若人工判定异物存在，输入相应的类型信息，更新异物数据库，并返回步骤(2)；若判定不存在异物，则更新跑道4模型数据，并返回步骤(2)。

如图4所示，是实时采集到的机场跑道区域图像。

如图5所示，是几种可能的异物样本。

本发明的机场跑道异物探测系统与方法，可以实现机场跑道异物的全自动快速只能探测与识别，完全代替人工现场勘察工作，同样可以适用于其他静态场景下异常目标的识别与探测。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种基于计算机视觉的机场道面异物探测系统，其特征在于包括探头、云台、塔架和控制器；塔架布置在机场跑道的一侧，探头安装在塔架顶部的云台之上并正对跑道路面，控制器安装于塔架内部并通过电缆与探头相连接；在系统运行过程中，控制器控制云台指向跑道某个区域，探头获取该区域的图像，通过电缆传送到控制器，通过图像处理和模式识别，自动判断出是否存在异物以及异物的种类；

所述探头并不是将整个跑道道面作为场景进行探测与处理，而是对跑道整个区域进行网格划分，分为若干个分区，每个分区属于小范围视场，分别进行图像采样和处理，从而在保证安全距离安装的前提下，保证高精度地探测远距离跑道。

2.根据权利要求1所述的基于计算机视觉的机场道面异物探测系统，其特征在于：所述探头由镜头、摄像机、加热制冷器和保护外壳组成，是一体化的视觉探头，镜头与摄像机直接相连，固定于保护外壳内，外壳内还设置有加热制冷器。

3.根据权利要求2所述的基于计算机视觉的机场道面异物探测系统，其特征在于：所述摄像机采用高分辨率、高灵敏度的工业摄像机，获取远近不同距离各个分区的跑道图像，供控制器进行分析和处理，摄像机的高分辨率应该保证能够可靠识别小尺寸的异物，摄像机的像素数保证分辨率为最小目标尺寸的1/5，摄像机的数字接口保证控制器能够方便、快速接受图像数据，保证图像传输的实时性。

4.根据权利要求2所述的基于计算机视觉的机场道面异物探测系统，其特征在于：所述镜头采用超长焦距工业镜头，提供系统宽广的监视范围，同时安装在安全距离而不影响跑道的正常运行。

5.根据权利要求1-4任一项所述的基于计算机视觉的机场道面异物探测系统，其特征在于：所述控制器由计算机、稳压电源和机柜组成，计算机采用通行的工业控制计算机构成，以保证工作的稳定性和可靠性，并包括与探头和其他设备联络的通讯接口；稳压电源为计算机、摄像机提供稳定、可靠的能源与动力；计算机与稳压电源均安装在机柜之中。

6.一种采用权利要求1-5任一项所述系统的基于计算机视觉的机场道面异物探测方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)控制器的稳压电源打开之后，控制器中的工业计算机与探头中的摄像机开始上电工作；

(2)控制器中的计算机按照既定的跑道分区，依序对探头发出控制指令，对相应的区域快速捕获跑道道面图像，并通过电缆实时传输到控制器中的工业计算机之中；

(3)工业计算机对摄像机传来的图像进行预处理，消除噪点、形变和相机偏移，然后通过匹配对应的跑道模型数据，粗提取出潜在的异常区域；如果不存在异常区域，就返回步骤(2)，继续下一区域的探测；如果存在异常区域，则进入下一步；

(4)工业计算机对异常区域提取大量的特征，比较已有异物数据库中资料，如果有匹配的异物类型，就回报识别结果，更新异物数据库，并返回步骤(2)；如果没有匹配结果，就反馈到下一步，人工判定；

(5)若人工判定异物存在，输入相应的类型信息，更新异物数据库，并返回步骤(2)；若判定不存在异物，则更新跑道模型数据，并返回步骤(2)。