CN105083505A - 基于图像处理的船下水域检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于图像处理的船下水域检测系统，包括船底安装平台、激光成像设备和人体检测设备，所述激光成像设备和所述人体检测设备都位于所述船底安装平台上，所述激光成像设备用于对船底正下方进行激光拍摄以获得水下激光图像，所述人体检测设备与所述激光成像设备连接，对所述水下激光图像进行人体存在检测。通过本发明，能够实现船舶的全方位人员搜救，同时提高了水下搜救的精度。

Description

基于图像处理的船下水域检测系统

技术领域

本发明涉及数字图像领域，尤其涉及一种基于图像处理的船下水域检测系统。

背景技术

现有技术中，采用潜水员下潜的方式去搜索水下人员的救援机制存在以下问题：潜水员人身安全得不到保障，激光成像控制技术落后，图像识别精度不高以及缺乏有效的水下定位技术。导致现有技术中水下人员识别效果不佳，容易耽误救援时间。

为此，本发明提出了一种基于图像处理的船下水域检测系统，能够有效解决上述四大问题，以船舶为搜索主体，改善现有的搜救模式，提高搜救效率、速度和覆盖面积。

发明内容

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种基于图像处理的船下水域检测系统，在船底设置水下人员检测平台以实现船舶全视野的落水人员检测，同时，改善激光成像技术和图像识别技术，而且，引入水下定位技术，从而完善水下落水人员目标的识别和定位。

根据本发明的一方面，提供了一种基于图像处理的船下水域检测系统，所述检测系统包括船底安装平台、激光成像设备和人体检测设备，所述激光成像设备和所述人体检测设备都位于所述船底安装平台上，所述激光成像设备用于对船底正下方进行激光拍摄以获得水下激光图像，所述人体检测设备与所述激光成像设备连接，对所述水下激光图像进行人体存在检测。

更具体地，在所述基于图像处理的船下水域检测系统中，还包括：GPS定位设备，设置在船舶上，用于接收GPS卫星发送的GPS定位数据；移动硬盘，设置在所述船底安装平台上，预先存储了亮度阈值上限和亮度阈值下限，还用于预先存储了人体灰度范围和各类人体基准模版，所述人体灰度范围用于将图像中的人体与背景分离，所述各类人体基准模版为对各类基准人体预先进行拍摄所得到的各个图像；声纳设备，设置在所述船底安装平台上，用于对水下目标执行声纳图像采集，以获得声纳图像；声纳图像处理设备，设置在所述船底安装平台上，与所述声纳设备和所述移动硬盘分别连接，包括第一检测子设备、第二检测子设备和目标距离检测子设备，所述第一检测子设备与所述声纳设备和所述移动硬盘分别连接，用于采用亮度阈值上限遍历声纳图像以分割出核心目标区域；所述第二检测子设备与所述第一检测子设备和所述移动硬盘分别连接，用于以所述核心目标区域的边缘点作为种子点，利用亮度阈值下限对核心目标区域附近的像素点进行亮度判断，以获得并分割出最终目标区域；所述目标距离检测子设备与所述第二检测子设备连接，计算最终目标区域的中心点到声纳图像检测原点的距离并作为目标距离输出；所述激光成像设备，设置在所述船底安装平台上，包括激光器、探测器和微控制器，所述激光器对水下目标发出激光束，以在所述激光束被水下目标反射到所述探测器时，便于所述探测器的拍摄，所述微控制器与所述声纳图像处理设备、所述激光器和所述探测器分别连接，基于目标距离和激光在水下传播速度确定所述探测器快门的选通时间，并在选通时间到达时，选通所述探测器的快门，触发所述探测器对水下目标进行拍摄，以获得水下激光图像；所述人体检测设备包括Daubechies小波滤波子设备、中值滤波子设备、尺度变换增强子设备、目标分割子设备和目标识别子设备；所述Daubechies小波滤波子设备与所述探测器连接，用于对所述水下激光图像采用基于2阶Daubechies小波基的小波滤波处理，以滤除所述水下激光图像中的高斯噪声，获得小波滤波图像；所述中值滤波子设备与所述Daubechies小波滤波子设备连接，用于对所述小波滤波图像执行中值滤波处理，以滤除所述小波滤波图像中的水粒子散射成分，获得中值滤波图像；所述尺度变换增强子设备与所述中值滤波子设备连接，用于对所述中值滤波图像执行尺度变换增强处理，以增强图像中目标与背景的对比度，获得增强图像；所述目标分割子设备与所述尺度变换增强子设备连接，将所述增强图像中像素灰度值在所述人体灰度范围内的所有像素组成人体子图像；所述目标识别子设备与所述目标分割子设备连接，将所述人体子图像与各类人体基准模版逐一匹配，输出匹配成功的人体基准模版对应的人体类型作为目标人体类型；供电设备，设置在船舶上，包括太阳能供电器件、蓄电池、切换开关和电压转换器，所述切换开关与所述太阳能供电器件和所述蓄电池分别连接，根据蓄电池的剩余电量决定是否切换到所述太阳能供电器件以由所述太阳能供电器件供电，所述电压转换器与所述切换开关连接，以将通过切换开关输入的5V电压转换为3.3V电压；AT89C51单片机，设置在船舶控制室内，通过电缆与所述人体检测设备连接，还与所述GPS定位设备和所述激光成像设备分别连接，当接收到所述目标人体类型时，将所述水下激光图像和所述人体子图像分别进行压缩编码以获得水下压缩图像和目标压缩图像；无线通信接口，与所述AT89C51单片机连接，用于在接收到所述目标人体类型时，将所述GPS定位数据、所述水下压缩图像、所述目标压缩图像和所述目标人体类型通过无线通信网络发送到水上搜救平台；显示设备，设置在船舶的仪表盘内，与所述AT89C51单片机连接，用于在接收到所述目标人体类型时，显示所述水下激光图像和所述人体子图像，还用于显示与所述目标人体类型对应的文字信号。

更具体地，在所述基于图像处理的船下水域检测系统中：所述AT89C51单片机在未接收到所述目标人体类型时，关闭所述无线通信接口，在接收到所述目标人体类型时，打开所述无线通信接口。

更具体地，在所述基于图像处理的船下水域检测系统中：所述激光成像设备和所述人体检测设备被集成在一块集成电路板上。

更具体地，在所述基于图像处理的船下水域检测系统中：所述AT89C51单片机采用的压缩编码标准为MPEG-2压缩编码标准。

更具体地，在所述基于图像处理的船下水域检测系统中：所述无线通信接口设置在船舶外壳上，为GPRS通信接口、3G通信接口和4G通信接口中的一种。

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基于图像处理的船下水域检测系统的结构方框图。

附图标记：1船底安装平台；2激光成像设备；3人体检测设备

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的基于图像处理的船下水域检测系统的实施方案进行详细说明。

现有技术中，在营救落水人员时，船舶由于搜索速度快、搜索位置更靠近水域而被广泛使用，但是船舶很难对水下环境进行人体识别和定位，同时，现有技术中的在进行水下识别时，激光成像控制差，图像处理技术缺乏针对性。

为了克服上述不足，本发明搭建了一种基于图像处理的船下水域检测系统，在船低下集成了激光成像设备和激光成像控制设备，还集成了专门针对水下环境的图像识别技术，拓宽船舶的搜索视野，提高水下人员检测的准确性。

图1为根据本发明实施方案示出的基于图像处理的船下水域检测系统的结构方框图，所述检测系统包括船底安装平台、激光成像设备和人体检测设备，所述激光成像设备和所述人体检测设备都位于所述船底安装平台上，所述激光成像设备用于对船底正下方进行激光拍摄以获得水下激光图像，所述人体检测设备与所述激光成像设备连接，对所述水下激光图像进行人体存在检测。

接着，继续对本发明的基于图像处理的船下水域检测系统的具体结构进行进一步的说明。

所述检测系统还包括：GPS定位设备，设置在船舶上，用于接收GPS卫星发送的GPS定位数据。

所述检测系统还包括：移动硬盘，设置在所述船底安装平台上，预先存储了亮度阈值上限和亮度阈值下限，还用于预先存储了人体灰度范围和各类人体基准模版，所述人体灰度范围用于将图像中的人体与背景分离，所述各类人体基准模版为对各类基准人体预先进行拍摄所得到的各个图像。

所述检测系统还包括：声纳设备，设置在所述船底安装平台上，用于对水下目标执行声纳图像采集，以获得声纳图像。

所述检测系统还包括：声纳图像处理设备，设置在所述船底安装平台上，与所述声纳设备和所述移动硬盘分别连接，包括第一检测子设备、第二检测子设备和目标距离检测子设备，所述第一检测子设备与所述声纳设备和所述移动硬盘分别连接，用于采用亮度阈值上限遍历声纳图像以分割出核心目标区域；所述第二检测子设备与所述第一检测子设备和所述移动硬盘分别连接，用于以所述核心目标区域的边缘点作为种子点，利用亮度阈值下限对核心目标区域附近的像素点进行亮度判断，以获得并分割出最终目标区域；所述目标距离检测子设备与所述第二检测子设备连接，计算最终目标区域的中心点到声纳图像检测原点的距离并作为目标距离输出。

所述激光成像设备设置在所述船底安装平台上，包括激光器、探测器和微控制器，所述激光器对水下目标发出激光束，以在所述激光束被水下目标反射到所述探测器时，便于所述探测器的拍摄，所述微控制器与所述声纳图像处理设备、所述激光器和所述探测器分别连接，基于目标距离和激光在水下传播速度确定所述探测器快门的选通时间，并在选通时间到达时，选通所述探测器的快门，触发所述探测器对水下目标进行拍摄，以获得水下激光图像。

所述人体检测设备包括Daubechies小波滤波子设备、中值滤波子设备、尺度变换增强子设备、目标分割子设备和目标识别子设备；所述Daubechies小波滤波子设备与所述探测器连接，用于对所述水下激光图像采用基于2阶Daubechies小波基的小波滤波处理，以滤除所述水下激光图像中的高斯噪声，获得小波滤波图像；所述中值滤波子设备与所述Daubechies小波滤波子设备连接，用于对所述小波滤波图像执行中值滤波处理，以滤除所述小波滤波图像中的水粒子散射成分，获得中值滤波图像；所述尺度变换增强子设备与所述中值滤波子设备连接，用于对所述中值滤波图像执行尺度变换增强处理，以增强图像中目标与背景的对比度，获得增强图像；所述目标分割子设备与所述尺度变换增强子设备连接，将所述增强图像中像素灰度值在所述人体灰度范围内的所有像素组成人体子图像；所述目标识别子设备与所述目标分割子设备连接，将所述人体子图像与各类人体基准模版逐一匹配，输出匹配成功的人体基准模版对应的人体类型作为目标人体类型。

所述检测系统还包括：供电设备，设置在船舶上，包括太阳能供电器件、蓄电池、切换开关和电压转换器，所述切换开关与所述太阳能供电器件和所述蓄电池分别连接，根据蓄电池的剩余电量决定是否切换到所述太阳能供电器件以由所述太阳能供电器件供电，所述电压转换器与所述切换开关连接，以将通过切换开关输入的5V电压转换为3.3V电压。

所述检测系统还包括：AT89C51单片机，设置在船舶控制室内，通过电缆与所述人体检测设备连接，还与所述GPS定位设备和所述激光成像设备分别连接，当接收到所述目标人体类型时，将所述水下激光图像和所述人体子图像分别进行压缩编码以获得水下压缩图像和目标压缩图像。

所述检测系统还包括：无线通信接口，与所述AT89C51单片机连接，用于在接收到所述目标人体类型时，将所述GPS定位数据、所述水下压缩图像、所述目标压缩图像和所述目标人体类型通过无线通信网络发送到水上搜救平台。

所述检测系统还包括：显示设备，设置在船舶的仪表盘内，与所述AT89C51单片机连接，用于在接收到所述目标人体类型时，显示所述水下激光图像和所述人体子图像，还用于显示与所述目标人体类型对应的文字信号。

可选地，在所述基于图像处理的船下水域检测系统中：所述AT89C51单片机在未接收到所述目标人体类型时，关闭所述无线通信接口，在接收到所述目标人体类型时，打开所述无线通信接口；所述激光成像设备和所述人体检测设备被集成在一块集成电路板上；所述AT89C51单片机采用的压缩编码标准为MPEG-2压缩编码标准；所述无线通信接口设置在船舶外壳上，为GPRS通信接口、3G通信接口和4G通信接口中的一种。

可选地，Daubechies小波滤波子设备、中值滤波子设备、尺度变换增强子设备、目标分割子设备和目标识别子设备使用不同的FPGA芯片来实现。

另外，FPGA(Field－ProgrammableGateArray)，即现场可编程门阵列，他是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。他是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

以硬件描述语言(Verilog或VHDL)所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至FPGA上进行测试，是现代IC设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路(比如AND、OR、XOR、NOT)或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器(Flip－flop)或者其他更加完整的记忆块。系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。

FPGA一般来说比ASIC(专用集成电路)的速度要慢，实现同样的功能比ASIC电路面积要大。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的，然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。另外一种方法是用CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice，复杂可编程逻辑器件)。FPGA的开发相对于传统PC、单片机的开发有很大不同。FPGA以并行运算为主，以硬件描述语言来实现；相比于PC或单片机(无论是冯诺依曼结构还是哈佛结构)的顺序操作有很大区别。

早在1980年代中期，FPGA已经在PLD设备中扎根。CPLD和FPGA包括了一些相对大数量的可编辑逻辑单元。CPLD逻辑门的密度在几千到几万个逻辑单元之间，而FPGA通常是在几万到几百万。CPLD和FPGA的主要区别是他们的系统结构。CPLD是一个有点限制性的结构。这个结构由一个或者多个可编辑的结果之和的逻辑组列和一些相对少量的锁定的寄存器组成。这样的结果是缺乏编辑灵活性，但是却有可以预计的延迟时间和逻辑单元对连接单元高比率的优点。而FPGA却是有很多的连接单元，这样虽然让他可以更加灵活的编辑，但是结构却复杂的多。

采用本发明的基于图像处理的船下水域检测系统，针对现有技术中救援依赖人工、激光控制效果差、图像识别缺乏针对性的技术问题，以船舶为救援平台，通过声纳和声纳图像处理技术实现激光成像控制，采用多重滤波技术和有针对性的图像识别技术确定水下人体目标，并使用水下定位技术完成水下人体目标的准确定位。

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 (6)

1.一种基于图像处理的船下水域检测系统，所述检测系统包括船底安装平台、激光成像设备和人体检测设备，所述激光成像设备和所述人体检测设备都位于所述船底安装平台上，所述激光成像设备用于对船底正下方进行激光拍摄以获得水下激光图像，所述人体检测设备与所述激光成像设备连接，对所述水下激光图像进行人体存在检测。

2.如权利要求1所述的基于图像处理的船下水域检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括：

GPS定位设备，设置在船舶上，用于接收GPS卫星发送的GPS定位数据；

移动硬盘，设置在所述船底安装平台上，预先存储了亮度阈值上限和亮度阈值下限，还用于预先存储了人体灰度范围和各类人体基准模版，所述人体灰度范围用于将图像中的人体与背景分离，所述各类人体基准模版为对各类基准人体预先进行拍摄所得到的各个图像；

声纳设备，设置在所述船底安装平台上，用于对水下目标执行声纳图像采集，以获得声纳图像；

声纳图像处理设备，设置在所述船底安装平台上，与所述声纳设备和所述移动硬盘分别连接，包括第一检测子设备、第二检测子设备和目标距离检测子设备，所述第一检测子设备与所述声纳设备和所述移动硬盘分别连接，用于采用亮度阈值上限遍历声纳图像以分割出核心目标区域；所述第二检测子设备与所述第一检测子设备和所述移动硬盘分别连接，用于以所述核心目标区域的边缘点作为种子点，利用亮度阈值下限对核心目标区域附近的像素点进行亮度判断，以获得并分割出最终目标区域；所述目标距离检测子设备与所述第二检测子设备连接，计算最终目标区域的中心点到声纳图像检测原点的距离并作为目标距离输出；

所述激光成像设备设置在所述船底安装平台上，包括激光器、探测器和微控制器，所述激光器对水下目标发出激光束，以在所述激光束被水下目标反射到所述探测器时，便于所述探测器的拍摄，所述微控制器与所述声纳图像处理设备、所述激光器和所述探测器分别连接，基于目标距离和激光在水下传播速度确定所述探测器快门的选通时间，并在选通时间到达时，选通所述探测器的快门，触发所述探测器对水下目标进行拍摄，以获得水下激光图像；

所述人体检测设备包括Daubechies小波滤波子设备、中值滤波子设备、尺度变换增强子设备、目标分割子设备和目标识别子设备；所述Daubechies小波滤波子设备与所述探测器连接，用于对所述水下激光图像采用基于2阶Daubechies小波基的小波滤波处理，以滤除所述水下激光图像中的高斯噪声，获得小波滤波图像；所述中值滤波子设备与所述Daubechies小波滤波子设备连接，用于对所述小波滤波图像执行中值滤波处理，以滤除所述小波滤波图像中的水粒子散射成分，获得中值滤波图像；所述尺度变换增强子设备与所述中值滤波子设备连接，用于对所述中值滤波图像执行尺度变换增强处理，以增强图像中目标与背景的对比度，获得增强图像；所述目标分割子设备与所述尺度变换增强子设备连接，将所述增强图像中像素灰度值在所述人体灰度范围内的所有像素组成人体子图像；所述目标识别子设备与所述目标分割子设备连接，将所述人体子图像与各类人体基准模版逐一匹配，输出匹配成功的人体基准模版对应的人体类型作为目标人体类型；

供电设备，设置在船舶上，包括太阳能供电器件、蓄电池、切换开关和电压转换器，所述切换开关与所述太阳能供电器件和所述蓄电池分别连接，根据蓄电池的剩余电量决定是否切换到所述太阳能供电器件以由所述太阳能供电器件供电，所述电压转换器与所述切换开关连接，以将通过切换开关输入的5V电压转换为3.3V电压；

AT89C51单片机，设置在船舶控制室内，通过电缆与所述人体检测设备连接，还与所述GPS定位设备和所述激光成像设备分别连接，当接收到所述目标人体类型时，将所述水下激光图像和所述人体子图像分别进行压缩编码以获得水下压缩图像和目标压缩图像；

无线通信接口，与所述AT89C51单片机连接，用于在接收到所述目标人体类型时，将所述GPS定位数据、所述水下压缩图像、所述目标压缩图像和所述目标人体类型通过无线通信网络发送到水上搜救平台；

显示设备，设置在船舶的仪表盘内，与所述AT89C51单片机连接，用于在接收到所述目标人体类型时，显示所述水下激光图像和所述人体子图像，还用于显示与所述目标人体类型对应的文字信号。

3.如权利要求2所述的基于图像处理的船下水域检测系统，其特征在于：

所述AT89C51单片机在未接收到所述目标人体类型时，关闭所述无线通信接口，在接收到所述目标人体类型时，打开所述无线通信接口。

4.如权利要求2所述的基于图像处理的船下水域检测系统，其特征在于：

所述激光成像设备和所述人体检测设备被集成在一块集成电路板上。

5.如权利要求2所述的基于图像处理的船下水域检测系统，其特征在于：

所述AT89C51单片机采用的压缩编码标准为MPEG-2压缩编码标准。

6.如权利要求2所述的基于图像处理的船下水域检测系统，其特征在于：

所述无线通信接口设置在船舶外壳上，为GPRS通信接口、3G通信接口和4G通信接口中的一种。