CN106643683A - 一种海面目标自动检测装置及目标检测方法 - Google Patents

Abstract

一种海面目标自动检测装置及目标检测方法，其属于舰船航海的应用领域。通过光电成像装置，把舷外被观测目标的视景信息传送到舱内信息处理单元，结合云台的角位移信息和罗经航向信息，自动测定目标方位，解决了现代全封闭船舶的目标方位测定问题；同时可根据舰船摇摆姿态调整摄像机角度，实现对目标稳定跟踪。对舰艇不仅能够提高目标方位的电子化和自动化，能够弥补航行时雷达的近距离盲区，实现舱外的全景监视，具有实用性、适用性和可操作性强的特点，具有较好的军事和经济效益。

Description

一种海面目标自动检测装置及目标检测方法

技术领域

本发明涉及一种海面目标自动检测装置及目标检测方法，其属于舰船航海的应用领域。

背景技术

目前，舰艇上实施目标方位测量的方法是通过方位仪和方位分罗经组合使用来实现的。方位仪是舰艇上电罗经配备的必要组件，与安装在舰桥外部左右两侧以及视野开阔的方位分罗经组合使用，用来观测目标方位。使用时将方位仪底部的短轴插入分罗经玻璃盖的轴孔中之后，方位仪即可自由地绕罗经度盘的中心转动。当目镜物镜构成的瞄向线对准目标时，方位读数即可在目镜中读出，舷角读数由目镜下方的指标从舷角刻度圈读取。

目前舰艇上普遍配备的是HGF―239型光学方位仪，如附图1所示。该光学方位仪固定安装于舰艏固万向支架上，包括：目镜焦距调节器，用以调节目标的清晰度；方位刻度放大镜调节器，用以使读数清晰；滤光镜调节（转换）器，用以选用颜色合适的滤光镜，使光线强烈的目标轮廓清楚又不刺眼睛；反射镜，用以观测高仰角的目标；水平泡，测方位时借以保持方位仪水平；概略瞄向器，用以先概略瞄向目标再用望远镜准确观测。使用时，使用人员站在甲板上通过肉眼观测目镜，调整光学方位仪对准观测目标，通过方位刻度放大镜读取刻度盘上的方位读数确定目标方位。

还有一种使用中的数字方位仪(HSF-001),该方位仪瞄准目标时的观测结果不是读取刻度盘读数，而是直接读取显示屏方位数字量，在瞄准目标的瞬间还可锁定目标方位显示值。目标舷角的生成：定圈与舰艇艏艉线固连，零位方向与舰艇艏艉线平行，动圈与望远镜固连，这样望远镜转向目标时，将带动舷角发生器转动，形成舷角α并显示。HSF-001数字方位仪与HGF-239光学方位仪的主要区别在于，还包括了舷角发生器、计算模块及显示屏，测量目标方位时，在望远镜物镜转动时带动舷角发生器，产生精度为0.05°的数字舷角信号给计算模块，计算模块将输入的航向信号与舷角信号相加得到目标方位信号，方位角以数字量在显示屏显示，以供观测者随时读出目标方位角。

传统的方位仪在实际使用中具有以下三个局限性：一是需要人工在甲板上进行操作，对使用者的观测水平要求较高，在舰艇摇摆的情况下对正被测目标难度较大，特别是在大雨、寒冷等恶劣条件下，人员难以在舱外对目标方位进行有效测量；二是对测量准确性无法确定，由于目标方位是在光学方位仪和目标重合的瞬间读取的数值，正确与否无法考证；三是不能满足海军装备现代化的要求，“全封闭舰艇”、“隐形舰艇”是我海军舰艇的发展方向，这就意味着要尽量减少舱面装备及舱面的人员活动。

发明内容

针对传统光学方位仪存在的在舰艇摇摆的情况下操作困难，难以稳定方位仪、难以对正被测目标、难以进行有效测量等问题，本发明提供了一种海面目标自动检测装置，把舷外360度视景信息传送到舱内“信息处理机”，并采取数字图像处理技术，从而实现舱外的全景监视的技术方案。不仅能够实现被观测方位目标的实时解算，而且能够弥补航行时雷达的近距离盲区，使驾驶人员清晰查看近距离小目标，为电子化测量舰艇运动要素提供物质基础，并且解决了现代全封闭舰艇的目标方位测定问题，具有自主化、智能化的特点。

该方案包括：视频采集单元、设备控制单元、信息解算单元；其中视频采集单元由高清摄像机、云台、视频采集卡组成，高清摄像机架设在高精度云台上，实现高清摄像机的360度旋转，视频采集卡一端与高清摄像机相连另一端与信息解算单元相连，实时地将高清摄像机采集的视频图像进行解码，将观测目标信号送给信息解算单元；设备控制单元由云台控制模块和转角解算模块组成，与云台和信息解算单元相连接，一方面接收信息解算单元来的旋转指令，控制云台的旋转，另一方面则将云台旋转的角度实现数字化，并传输给信息解算单元；信息解算单元包括航向解算模块、视频显示模块、嵌入式系统、键盘输入模块、数字显示模块和电源模块，与视频采集卡、设备控制单元相连接，同时还与舰船电罗经相连，根据从所述视频采集单元接收的观测目标信号和从所述设备控制单元接收的云台转角信号，结合从舰船电罗经接收的航向信号，解算出被观测目标的方位信号，并送给显示器显示。

所述的海面目标自动检测装置的使用方法：高清摄像机实现对舰艇舷外观测目标的搜索，一旦锁定观测目标，则云台转过的角度就是目标的舷角；将舷角数字化之后送给电子方位仪的方位解算中心；舰船上的电罗经实时给出当前的航向信息，其中一路航向信息经过数字化之后送给电子方位仪的方位解算中心；电子解算中心根据目标舷角信息和当前航向信息，依据则真航向、真方位和舷角之间的关系就能够实时的计算出观测目标的实时方位信息。

采用上述技术方案的指导思想是：充分利用光电成像技术和步进电机角位移测量技术，将海上目标影响信息显示在驾驶室屏幕上，实现目标方位的实时解算，并通过摄像头的焦距变化，清晰显示能见度范围以内的小目标影响，为驾驶员提供准确可查的目标信息。

针对舰艇平台在海面上不断摇摆，造成摄像头拍摄时难以稳定瞄准目标的问题，本发明还进一步对上述方案进行了改善，即所述信息解算单元还包括船舶姿态监测模块和视窗镜像稳定模块，船舶姿态监测模块实时检测船舶的横摇角和纵摇角发送给视窗镜像稳定模块，视窗镜像稳定模块根据电压转换模型，将横摇角和纵摇角信号分别转换为两路电压信号，并将这两路电压信号发送给云台的控制单元，使摄像头进行船舶横摇角和纵摇角的反向转动，从而达到摄像头视窗镜像的稳定。

本发明的有益效果是：通过综合运用数字图像处理技术、数字视频处理技术、航向模拟信号数字化技术和步进电机角位移测量技术研发的“电子方位仪”，有效解决了传统光学方位仪存在的对使用者的观测水平要求较高、测量准确性无法确定、不能满足海军装备现代化的要求等固有问题，不仅能够实现目标方位的高精度测量，而且能够有效弥补航行时雷达的近距离盲区，实现舱外的全景监视较好地提高了装备使用性能。通过对“电子方位仪”的实际使用，该设备能够在不同海况条件下和天气条件下，都能够稳定、准确的测量出被观测目标的方位信息，测量范围在能见度良好的情况下可以达到5海里以上，目标的实时测量精度可以达到1/6度。

附图说明

图1 目前舰艇上普遍配备的HGF―239型光学方位仪；

图2 海面目标自动检测装置的组成示意图；

图3 海面目标自动检测装置各部分连接关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明创新的技术方案作进一步描述。

实施例1：

一种海面目标自动检测装置，包括视频采集单元、设备控制单元、信息解算单元；其中视频采集单元由高清摄像机、云台、视频采集卡组成，高清摄像机架设在高精度云台上，实现高清摄像机的360度旋转，视频采集卡一端与高清摄像机相连另一端与信息解算单元相连，实时地将高清摄像机采集的视频图像进行解码，将观测目标信号送给信息解算单元；设备控制单元由云台控制模块和转角解算模块组成，与云台和信息解算单元相连接，一方面接收信息解算单元来的旋转指令，控制云台的旋转，另一方面则将云台旋转的角度实现数字化，并传输给信息解算单元；信息解算单元包括航向解算模块、视频显示模块、嵌入式系统、键盘输入模块、数字显示模块和电源模块，与视频采集卡、设备控制单元相连接，同时还与舰船电罗经相连，根据从所述视频采集单元接收的观测目标信号和从所述设备控制单元接收的云台转角信号，结合从舰船电罗经接收的航向信号，解算出被观测目标的方位信号，并送给显示器显示，其特征在于，所述信息解算单元还包括船舶姿态监测模块和视窗镜像稳定模块，船舶姿态监测模块实时检测船舶的横摇角和纵摇角发送给视窗镜像稳定模块，视窗镜像稳定模块根据电压转换模型，将横摇角和纵摇角信号分别转换为两路电压信号，并将这两路电压信号发送给云台的控制单元，使摄像头进行船舶横摇角和纵摇角的反向转动，从而达到摄像头视窗镜像的稳定。

安装时，云台中心轴线要与舰船中心线平行，安装在舰桥上方的甲板上视野开阔的地方。设备控制单元和信息解算单元安装在驾驶室内部便于安装的地方。按要求连接电缆后，就可以正常使用。

使用时操作人员通过设备控制单元的键盘输入模块调整摄像机的焦距和云台的方位、俯仰角，将被观测目标清晰地显示在信息处理中心的液晶屏幕上，此时信息解算单元可以实时解算出目标方位，同时显示当前的日期、时间、经度、纬度、舰船航向、航速等信息。

为了更好的瞄准目标，可以在视频显示模块的液晶显示屏上设置一个以其中心为交叉点的“十”字形瞄准线，用于控制摄像头瞄准目标。

实施例2：

在实施例1的基础上，在所述信息解算单元中增加目标自动检测模块，对接收的视频信号进行自动检测，自动识别目标，并将目标进行高亮显示。

自动监测模块实现目标自动检测的方法包括以下步骤：

（1）首先利用海天线检测算法，实现海天划分。海天线为连续的近似直线，准确地检测出海天线，可以滤除天空部分，例如云彩等对后续工作的影响，从而降低后续算法的难度，另一方面也可以提升系统的处理速度。目前，可以利用Hough变换等成熟算法为基础，达到海天线检测的目的。

（2）利用背景建模技术，建立海面背景模型。海面背景具有其特殊性，一般情况下，远处目标的亮度与背景的亮度近似。一方面，海面图像中像素亮度动态变化范围非常大，给背景建模技术带来重大挑战。另一方面，海上环境情况具有其特殊性，即背景模式的可估计性比较好，目前有混合高斯模型、CODE BOOK、VIBE等用于动态背景建模的成熟技术，结合海面环境，研究这些模型可以有效地描述动态变化的海面环境。

（3）基于背景模型的海上目标检测。利用背景模型，可以有效地检测出非背景运动信息，但通常情况下，目标前景像素比较分散，并包含大量的散点噪声，为后续目标跟踪的稳定性和速度带来困难。通常情况下，通过背景模型检测得到的目标前景像素值比较集中，且附近像素点的前景概率值也较高，而噪声像素通常比较稀疏，因此可以利用随机场建模等信息分析技术有效地增强目标信息，抑制背景信息，从而达到有效检测出目标的目的。

（4）最后进行目标验证，完成目标锁定。

实施例3：

由于目标检测装置有时需要人工搜索，有时需要无人值守情况下工作，为了满足不同工作状态的需要，可以在海面目标自动检测装置上设置手动和自动两个档位，装置处于手动档位时，由控制者根据需要对摄像头的方位、俯仰、焦距进行手动精确控制，人工进行对目标的识别；装置处于自动档位时，摄像头自动在舰船航向（-90°~+90°）180°范围内巡回搜索，由目标自动检测模块进行目标自动识别，发现小目标时自动锁定，并通过声光报警提示使用者。

Claims (4)

1.一种海面目标自动检测装置，包括视频采集单元、设备控制单元、信息解算单元；其中视频采集单元由高清摄像机、云台、视频采集卡组成，高清摄像机架设在高精度云台上，实现高清摄像机的360度旋转，视频采集卡一端与高清摄像机相连另一端与信息解算单元相连，实时地将高清摄像机采集的视频图像进行解码，将观测目标信号送给信息解算单元；设备控制单元由云台控制模块和转角解算模块组成，与云台和信息解算单元相连接，一方面接收信息解算单元来的旋转指令，控制云台的旋转，另一方面则将云台旋转的角度实现数字化，并传输给信息解算单元；信息解算单元包括航向解算模块、视频显示模块、嵌入式系统、键盘输入模块、数字显示模块和电源模块，与视频采集卡、设备控制单元相连接，同时还与舰船电罗经相连，根据从所述视频采集单元接收的观测目标信号和从所述设备控制单元接收的云台转角信号，结合从舰船电罗经接收的航向信号，解算出被观测目标的方位信号，并送给显示器显示，其特征在于，所述信息解算单元还包括船舶姿态监测模块和视窗镜像稳定模块，船舶姿态监测模块实时检测船舶的横摇角和纵摇角发送给视窗镜像稳定模块，视窗镜像稳定模块根据电压转换模型，将横摇角和纵摇角信号分别转换为两路电压信号，并将这两路电压信号发送给云台的控制单元，使摄像头进行船舶横摇角和纵摇角的反向转动，从而达到摄像头视窗镜像的稳定。

2.根据权利要求1所述的一种海面目标自动检测装置，其特征在于，所述信息解算单元还包括目标自动检测模块，对接收的视频信号进行自动检测，自动识别目标，并将目标进行高亮显示。

3.根据权利要求1或2所述的一种海面目标自动检测装置，其特征在于，海面目标自动检测装置具有手动和自动两个档位，装置处于手动档位时，由控制者根据需要对摄像头的方位、俯仰、焦距进行手动控制，人工进行对目标的识别；装置处于自动档位时，摄像头自动在舰船航向-90°至+90°范围内巡回搜索，由目标自动检测模块进行目标自动识别，发现小目标时自动锁定，并通过声光报警提示使用者。

4.一种使用海面目标自动检测装置对海面目标进行自动识别的方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）首先利用利用Hough变换进行海天线检测，实现海天划分，海天线为连续的近似直线，准确地检测出海天线，滤除天空部分对后续工作的影响；

（2）利用混合高斯模型、CODE BOOK、VIBE等用于动态背景建模的背景建模技术，建立海面背景模型；

（3）检测出非背景运动信息，利用随机场建模信息分析技术有效地增强目标信息，抑制背景信息，从而检测出目标；

（4）最后进行目标验证，完成目标锁定。