CN110907132A - 一种波向探测方法、系统、设备、介质 - Google Patents

一种波向探测方法、系统、设备、介质 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种波向探测方法、系统、设备、介质，该方法包括：按预设频率采集目标海面区域的可见光图像序列；获取目标设备的姿态信息和位置信息；利用所述可见光图像序列、所述姿态信息和所述位置信息，确定所述目标海面区域内海浪的波向。由此可见，本申请先预设频率采集目标海面区域的可见光图像序列，并获取目标设备的姿态信息和位置信息，再利用所述可见光图像序列、所述姿态信息和所述位置信息，确定所述目标海面区域内海浪的波向，在光线不足的情况下，也能进行补光，并采集所述可见光图像序列，由此能够全天候、全自动、全方位探测目标海面区域内波浪的波向，且成本低、探测精度高、操作简便。

Description

一种波向探测方法、系统、设备、介质
技术领域
本申请涉及波向探测技术领域，特别涉及一种波向探测方法、系统、设备、介质。
背景技术
波浪是影响水面舰艇航行安全和作战效能发挥的关键环境要素。传统的波向探测系统采用定点式、单点式和单式线观测，只能对某一地区、某一位置点或某一方向的海浪进行观测，观测维度单一，且要需要通过风、海况等要素，及其相应的对应关系反演出海浪的波向参数，而这些观测要素的对应关系存在较多的不确定因素，这些不确定因素会影响波向的探测精度，容易造成探测精度低。目前的波向探测系统一般采用测波雷达设备，造价昂贵、重量大、不易携带，且对设备架设高度要求严格。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提供一种波向探测方法、系统、设备、介质，能够全天候、全自动、全方位探测目标海面区域内波浪的波向，且成本低、探测精度高、操作简便。其具体方案如下：
第一方面，本申请公开了一种波向探测方法，包括：
按预设频率采集目标海面区域的可见光图像序列；
获取目标设备的姿态信息和位置信息；
利用所述可见光图像序列、所述姿态信息和所述位置信息，确定所述目标海面区域内海浪的波向。
可选的，所述获取目标设备的姿态信息和位置信息，包括：
获取目标设备的，包括俯角、仰角的姿态信息；
获取所述目标设备的，包括经纬度、相对所述目标海面区域的高度以及航向角的位置信息。
可选的，所述利用所述可见光图像序列、所述姿态信息和所述位置信息，确定所述目标海面区域内海浪的波向，包括：
利用所述可见光图像序列，确定所述目标海面区域内的海浪在图像坐标系下的波向，得到图像坐标系波向；
利用所述图像坐标系波向和所述姿态信息，确定所述目标海面区域内的海浪在相机坐标系下的波向，得到相机坐标系波向；
利用所述相机坐标系波向和所述位置信息，确定所述目标海面区域内的海浪在大地坐标系下的波向，得到所述目标海面区域内海浪的实际波向。
可选的，所述利用所述可见光图像，确定所述目标海面区域内海浪的波向在图像坐标系下的波向，得到图像坐标系波向，包括：
提取所述可见光图像序列中每一帧可见光图像的梯度幅值和梯度方向，并将所述梯度幅值小于预设梯度幅值的图像点剔除，得到目标图像点；
对所述目标图像点的所述梯度方向进行直方图统计，确定所述目标海面区域内的海浪在图像坐标系下的波向，得到图像坐标系波向。
第二方面，本申请公开了一种波向探测系统，包括：
图像采集模块，用于采集目标海面区域的可见光图像序列；
辅助模块，用于获取所述波向探测系统的位置信息和姿态信息；
处理模块，用于控制所述图像采集模块进行相应的图像采集操作，并利用所述可见光图像序列、所述位置信息和所述姿态信息，确定所述目标海面区域中波浪的波向。
可选的，所述图像采集模块，包括：
长焦镜头，用于增大所述目标海面区域；
高清摄像机，用于采集所述目标海面区域的可见光图像序列；
激光补光灯，用于在外界环境的光线暗度达到预设光线暗度时，对所述目标海面区域进行补光。
可选的，所述辅助模块，包括：
高精度惯导单元，用于获取所述波向探测系统的姿态信息；
高精度GPS单元，用于获取所述波向探测系统的位置信息。
可选的，所述处理模块，包括：
控制板单元，用于控制所述图像采集模块进行相应的图像采集操作；
处理板单元，用于利用所述可见光图像序列、所述位置信息和所述姿态信息，确定所述目标海面区域中波浪的波向。
第三方面，本申请公开了一种波向探测设备，包括：
存储器和处理器；
其中，所述存储器，用于存储计算机程序；
所述处理器，用于执行所述计算机程序，以实现前述公开的波向探测方法。
第四方面，本申请公开了一种计算机可读存储介质，用于保存计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现前述公开的波向探测方法。
可见，本申请先按预设频率采集目标海面区域的可见光图像序列；并获取目标设备的姿态信息和位置信息；然后利用所述可见光图像序列、所述姿态信息和所述位置信息，确定所述目标海面区域内海浪的波向。由此可见，本申请先预设频率采集目标海面区域的可见光图像序列，并获取目标设备的姿态信息和位置信息，再利用所述可见光图像序列、所述姿态信息和所述位置信息，确定所述目标海面区域内海浪的波向，在光线不足的情况下，也能进行补光，并采集所述可见光图像序列，由此能够全天候、全自动、全方位探测目标海面区域内波浪的波向，且成本低、探测精度高、操作简便。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请公开的一种波向探测方法流程图；
图2为本申请公开的一种具体的波向探测方法流程图；
图3为本申请公开的一种波向探测系统结构示意图；
图4为本申请公开的一种具体的波向探测系统组成示意图；
图5为本申请公开的一种波向探测系统空间位置图；
图6为本申请公开的一种波向探测系统实际应用图；
图7为本申请公开的一种波向探测设备结构图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
目前的波向探测系统通常采用定点式、单点式和单式线观测，只能对某一地区、某一位置点或某一方向的海浪进行观测，观测维度单一，且要需要通过风、海况等要素，及其相应的对应关系反演出海浪的波向参数，而这些观测要素的对应关系存在较多的不确定因素，这些不确定因素会影响波向的探测精度，容易造成探测精度低。目前的波向探测系统一般采用测波雷达设备，造价昂贵、重量大、不易携带，且对设备架设高度要求严格。有鉴于此，本申请提出了一种波向探测方法，能够全天候、全自动、全方位探测目标海面区域内波浪的波向，且成本低、探测精度高、操作简便。
本申请实施例公开了一种波向探测方法，参见图1所示，该方法包括：
步骤S11：按预设频率采集目标海面区域的可见光图像序列。
可以理解的是，需要按预设频率采集目标海面区域的可见光图像序列，其中，所述目标海面区域为与目标设备的距离小于或等于与预设距离的海面区域，也即所述目标设备中的图像采集装置能够采集到清晰可见光图像的海面区域，所述目标设备为波向探测系统。具体的，按照预设频率进行可见光图像采集，得到所述可见光图像序列。例如，按照25FPS(帧/秒)的预设频率进行可见光图像采集，得到所述可见光图像序列。
步骤S12：获取目标设备的姿态信息和位置信息。
本实施例中，在采集到所述可见光图像序列后，还要获取所述目标设备的姿态信息和位置信息，因为仅利用所述可见光图像序列确定出的所述目标海面区域内海浪的波向为图像坐标系下的波向，故还需要相应的所述姿态信息和位置信息，以确定所述目标海面区域内的海浪在大地坐标系下的波向，也即确定所述目标海面区域内海浪的实际波向。其中，所述姿态信息包括所述目标设备的俯角和仰角，所述位置信息包括所述目标设备所处的经纬度、所述目标设备相对所述目标海面区域的高度以及航向角。
步骤S13：利用所述可见光图像序列、所述姿态信息和所述位置信息，确定所述目标海面区域内海浪的波向。
在具体的实施过程中，实时将采集到每一帧可见光图像传送到所述目标设备的相应装置进行处理，以利用所述可见光图像、所述位置信息以及所述姿态信息，确定出所述目标海面区域内海浪的波向。
可见，本申请先按预设频率采集目标海面区域的可见光图像序列；并获取目标设备的姿态信息和位置信息；然后利用所述可见光图像序列、所述姿态信息和所述位置信息，确定所述目标海面区域内海浪的波向。由此可见，本申请先预设频率采集目标海面区域的可见光图像序列，并获取目标设备的姿态信息和位置信息，再利用所述可见光图像序列、所述姿态信息和所述位置信息，确定所述目标海面区域内海浪的波向，在光线不足的情况下，也能进行补光，并采集所述可见光图像序列，由此能够全天候、全自动、全方位探测目标海面区域内波浪的波向，且成本低、探测精度高、操作简便。
参见图2所示，本申请实施例公开了一种具体的波向探测方法，该方法包括：
步骤S21：按预设频率采集目标海面区域的可见光图像序列。
步骤S22：获取目标设备的姿态信息和位置信息。
步骤S23：利用所述可见光图像序列，确定所述目标海面区域内的海浪在图像坐标系下的波向，得到图像坐标系波向。
本实施例中，在采集到所述可见光图像序列后，实时对每一帧可见光图像进行相应的图像处理，确定所述目标海面区域内的海浪在图像坐标系下的波向，得到图像坐标系波向。所述利用所述可见光图像序列，确定所述目标海面区域内的海浪在图像坐标系下的波向，得到图像坐标系波向，包括：提取所述可见光图像序列中每一帧可见光图像的梯度幅值和梯度方向，并将所述梯度幅值小于预设梯度幅值的图像点剔除，得到目标图像点；对所述目标图像点的所述梯度方向进行直方图统计，确定所述目标海面区域内的海浪在图像坐标系下的波向，得到图像坐标系波向。具体的，利用边缘提取算法确定每一帧所述可见光图像中各个图像点的梯度幅值和梯度方向，并将所述梯度幅值小于预设梯度幅值的所述图像点剔除，得到目标图像点；对所述目标图像点的梯度方向进行直方图统计，选取预设数量的区间数，实现0至180度的统计，最后选取存在所述目标图像点数最多的区间作为目标区间，确定所述目标区间内的所述目标图像点的所述梯度方向的平均值，得到所述目标海面区域内的海浪在图像坐标系下的波向。所述梯度幅值小于预设梯度幅值的所述图像点表示波浪的可能性较低，所以将所述梯度幅值小于预设梯度幅值的所述图像点剔除。所述对所述目标图像点的梯度方向进行直方图统计，选取预设数量的区间数，实现0至180度的统计的过程中，所述预设数量与180成整数倍的关系，例如，选取12个区间，实现0至180度的统计，且在一定的范围内，随着所述预设数量的增多，确定出的所述目标海面区域内海浪的波向的精度增大，但计算复杂度和敏感度也会增大，超过所述范围，则随着所述预设数量的增大，确定出的所述目标海面区域内海浪的波向的精度下降。其中，要完成0至180度的统计是因为所述目标设备测定点在海岸边，海浪是朝着所述目标设备而来。所述边缘提取算法包括但不限于边缘提取算子Sobel算法。
步骤S24：利用所述图像坐标系波向和所述姿态信息，确定所述目标海面区域内的海浪在相机坐标系下的波向，得到相机坐标系波向。
在具体的实施过程中，在确定出所述目标海面区域内的海浪在图像坐标系下的波向后，还需要利用图像坐标系波向、所述姿态信息确定所述目标海面区域内的海浪在相机坐标系下的波向，得到相机坐标系波向。在所述利用所述图像坐标系波向和所述姿态信息，确定所述目标海面区域内的海浪在相机坐标系下的波向，得到相机坐标系波向的过程中，还需要用到相机内参系数，所述相机内参系数包括4个相机矩阵参数和5个相机畸变参数。
步骤S25：利用所述相机坐标系波向和所述位置信息，确定所述目标海面区域内的海浪在大地坐标系下的波向，得到所述目标海面区域内海浪的实际波向。
本实施例中，在确定出所述目标海面区域内的海浪在相机坐标系下的波向之后，还要利用相机坐标系波向、所述位置信息确定所述目标海面区域内的海浪在大地坐标系下的波向，得到所述目标海面区域内海浪的实际波向。其中，在此过程中，利用的所述位置信息主要为所述航向角。
参见图3所示，本申请实施例公开了一种波向探测系统，包括：
图像采集模块11，用于采集目标海面区域的可见光图像序列；
辅助模块12，用于获取所述波向探测系统的位置信息和姿态信息；
处理模块13，用于控制所述图像采集模块进行相应的图像采集操作，并利用所述可见光图像序列、所述位置信息和所述姿态信息，确定所述目标海面区域中波浪的波向。
在具体的实施过程中，所述图像采集模块11，包括：
长焦镜头，用于增大所述目标海面区域；
高清摄像机，用于采集所述目标海面区域的可见光图像序列；
激光补光灯，用于在外界环境的光线暗度达到预设光线暗度时，对所述目标海面区域进行补光。
进一步的，所述辅助模块12，包括：
高精度惯导单元，用于获取所述波向探测系统的姿态信息；
高精度GPS单元，用于获取所述波向探测系统的位置信息。
本实施例中，所述处理模块13，包括：
控制板单元，用于控制所述图像采集模块进行相应的图像采集操作；
处理板单元，用于利用所述可见光图像序列、所述位置信息和所述姿态信息，确定所述目标海面区域中波浪的波向。
在具体的实施过程中，所述图像采集模块11，还包括：光线检测单元，用于检测外界环境的光线亮暗程度，并且在光线暗度大于预设光线暗度时，向所述控制板单元发送信息，以便于所述控制板单元控制所述激光补光灯开启，对所述目标海面区域进行补光。在所述激光补光灯开启后，一直保持开启状态，直到所述光线检测单元检测到外界光线暗度小于所述预设光线暗度。所述控制板单元，用于控制所述图像采集模块11进行相应的图像采集操作，具体为，控制所述长焦镜头的焦距、控制所述激光补光灯进行补光以及控制所述图像采集模块11的电源。
参见图4所示为所述波向探测系统的组成示意图，所述波向探测系统包括图像采集模块，用于采集目标海面区域的可见光图像序列；辅助模块，用于获取所述波向探测系统的位置信息和姿态信息；处理模块，用于控制所述图像采集模块进行相应的图像采集操作，并利用所述可见光图像序列、所述位置信息和所述姿态信息，确定所述目标海面区域中波浪的波向。其中，所述图像采集模块，包括：长焦镜头，用于获取更大的成像范围；高清摄像机，用于采集目标海面区域的可见光图像序列；激光补光灯，用于在外界环境的光线暗度达到预设光线暗度时，对所述目标海面区域进行补光。所述辅助模块，包括：高精度惯导单元，用于获取所述波向探测系统的姿态信息；高精度GPS单元，用于获取所述波向探测系统的位置信息。所述处理模块，包括：控制板单元，用于控制所述图像采集模块进行相应的图像采集操作；处理板单元，用于利用所述可见光图像序列、所述位置信息和所述姿态信息，确定所述目标海面区域中波浪的波向。
参见图5所示为波向探测系统各部分空间位置图，最靠近海一端的是图像采集模块，所述图像采集模块后面为处理模块，所述处理模块后面是辅助模块。其中，在所述图像采集模块中，高清摄像机位于长焦镜头后方，所述高清摄像机可以采集到所述长焦镜头获取到的可见光图像，所述高清摄像机和所述长焦镜头的另一侧为激光补光灯。在所述处理模块中，靠近所述图像采集模块的一侧为控制板单元，所述控制板单元的另一侧靠近辅助模块为处理板单元。在所述辅助模块中，高精度惯导单元和高精度GPS单元的位置无既定要求。且各模块都安装在系统防护罩内，以达到海洋环境中使用的防水、防尘要求。除本图5中公开的所述波向探测系统中各部分的空间位置外，也可以按照其他合理的位置安放。
参见图6所示为所述波向探测系统实际使用场景图，图中21为所述波向探测系统，22为观测平台，23为海浪。
进一步的，参见图7所示，本申请实施例还公开了一种波向探测设备，包括：处理器31和存储器32。
其中，所述存储器31，用于存储计算机程序；所述处理器32，用于执行所述计算机程序，以实现前述实施例中公开的波向探测方法。
其中，关于上述波向探测方法的具体过程可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。
进一步的，本申请实施例还公开了一种计算机可读存储介质，用于保存计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
按预设频率采集目标海面区域的可见光图像序列；获取目标设备的姿态信息和位置信息；利用所述可见光图像序列、所述姿态信息和所述位置信息，确定所述目标海面区域内海浪的波向。
可见，本申请先按预设频率采集目标海面区域的可见光图像序列；并获取目标设备的姿态信息和位置信息；然后利用所述可见光图像序列、所述姿态信息和所述位置信息，确定所述目标海面区域内海浪的波向。由此可见，本申请先预设频率采集目标海面区域的可见光图像序列，并获取目标设备的姿态信息和位置信息，再利用所述可见光图像序列、所述姿态信息和所述位置信息，确定所述目标海面区域内海浪的波向，在光线不足的情况下，也能进行补光，并采集所述可见光图像序列，由此能够全天候、全自动、全方位探测目标海面区域内波浪的波向，且成本低、探测精度高、操作简便。
本实施例中，所述计算机可读存储介质中保存的计算机子程序被处理器执行时，可以具体实现以下步骤：获取目标设备的，包括俯角、仰角的姿态信息；获取所述目标设备的，包括经纬度、相对所述目标海面区域的高度以及航向角的位置信息。
本实施例中，所述计算机可读存储介质中保存的计算机子程序被处理器执行时，可以具体实现以下步骤：利用所述可见光图像序列，确定所述目标海面区域内的海浪在图像坐标系下的波向，得到图像坐标系波向；利用所述图像坐标系波向和所述姿态信息，确定所述目标海面区域内的海浪在相机坐标系下的波向，得到相机坐标系波向；利用所述相机坐标系波向和所述位置信息，确定所述目标海面区域内的海浪在大地坐标系下的波向，得到所述目标海面区域内海浪的实际波向。
本实施例中，所述计算机可读存储介质中保存的计算机子程序被处理器执行时，可以具体实现以下步骤：提取所述可见光图像序列中每一帧可见光图像的梯度幅值和梯度方向，并将所述梯度幅值小于预设梯度幅值的图像点剔除，得到目标图像点；对所述目标图像点的所述梯度方向进行直方图统计，确定所述目标海面区域内的海浪在图像坐标系下的波向，得到图像坐标系波向。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得一系列包含其他要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本申请所提供的一种波向探测方法、系统、设备、介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种波向探测方法，其特征在于，包括：
按预设频率采集目标海面区域的可见光图像序列；
获取目标设备的姿态信息和位置信息；
利用所述可见光图像序列、所述姿态信息和所述位置信息，确定所述目标海面区域内海浪的波向。
2.根据权利要求1所述的波向探测方法，其特征在于，所述获取目标设备的姿态信息和位置信息，包括：
获取目标设备的，包括俯角、仰角的姿态信息；
获取所述目标设备的，包括经纬度、相对所述目标海面区域的高度以及航向角的位置信息。
3.根据权利要求1或3所述的波向探测方法，其特征在于，所述利用所述可见光图像序列、所述姿态信息和所述位置信息，确定所述目标海面区域内海浪的波向，包括：
利用所述可见光图像序列，确定所述目标海面区域内的海浪在图像坐标系下的波向，得到图像坐标系波向；
利用所述图像坐标系波向和所述姿态信息，确定所述目标海面区域内的海浪在相机坐标系下的波向，得到相机坐标系波向；
利用所述相机坐标系波向和所述位置信息，确定所述目标海面区域内的海浪在大地坐标系下的波向，得到所述目标海面区域内海浪的实际波向。
4.根据权利要求3所述的波向探测方法，其特征在于，所述利用所述可见光图像，确定所述目标海面区域内海浪的波向在图像坐标系下的波向，得到图像坐标系波向，包括：
提取所述可见光图像序列中每一帧可见光图像的梯度幅值和梯度方向，并将所述梯度幅值小于预设梯度幅值的图像点剔除，得到目标图像点；
对所述目标图像点的所述梯度方向进行直方图统计，确定所述目标海面区域内的海浪在图像坐标系下的波向，得到图像坐标系波向。
5.一种波向探测系统，其特征在于，包括：
图像采集模块，用于采集目标海面区域的可见光图像序列；
辅助模块，用于获取所述波向探测系统的位置信息和姿态信息；
处理模块，用于控制所述图像采集模块进行相应的图像采集操作，并利用所述可见光图像序列、所述位置信息和所述姿态信息，确定所述目标海面区域中波浪的波向。
6.根据权利要求5所述的波向探测系统，其特征在于，所述图像采集模块，包括：
长焦镜头，用于增大所述目标海面区域；
高清摄像机，用于采集所述目标海面区域的可见光图像序列；
激光补光灯，用于在外界环境的光线暗度达到预设光线暗度时，对所述目标海面区域进行补光。
7.根据权利要求6所述的波向探测系统，其特征在于，所述辅助模块，包括：
高精度惯导单元，用于获取所述波向探测系统的姿态信息；
高精度GPS单元，用于获取所述波向探测系统的位置信息。
8.根据权利要求5至7任一项所述的波向探测系统，其特征在于，所述处理模块，包括：
控制板单元，用于控制所述图像采集模块进行相应的图像采集操作；
处理板单元，用于利用所述可见光图像序列、所述位置信息和所述姿态信息，确定所述目标海面区域中波浪的波向。
9.一种波向探测设备，包括：
存储器和处理器；
其中，所述存储器，用于存储计算机程序；
所述处理器，用于执行所述计算机程序，以实现权利要求1至4任一项所述的波向探测方法。
10.一种计算机可读存储介质，用于保存计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一项所述的波向探测方法。
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