CN111935866A - 一种基于光污染评价的航标亮度调节方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航标识别技术领域，公开了一种基于光污染评价的航标亮度调节方法，包括以下步骤：获取航标所处水域的原始图像，对所述原始图像中航标进行识别；以航标为中心截取所述原始图像中设定范围的区域作为评价图像；计算所述评价图像中航标与背景之间的亮度对比度；根据所述亮度对比度对航标的背景光污染程度进行评价；根据评价结果以对航标亮度进行调节。本发明具有提高航标可识别度的技术效果。

Description

一种基于光污染评价的航标亮度调节方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及航标识别技术领域，具体涉及一种基于光污染评价的航标亮度调节方法、装置、系统以及计算机存储介质。

背景技术

航标，是帮助和引导船舶航行、指示航道方向、界限与碍航物的重要标志。航标能否正常工作，关系着船舶的航行安全乃至船员的生命安全。随着社会工业化和城市化，光污染已成为第五大污染，是继大气污染、水污染、噪声污染和固体废弃物污染之后一种新型污染，并且影响范围逐渐从陆地增加到通航水域中，尤其是高亮度照明灯、城市亮化配套的景观灯等光源的使用，使得光污染日趋严重，光污染不仅降低航标可识别性，削弱其导航助航效能，同时也严重影响夜航驾驶者的视觉效果。近年来，由于航标可识别度低而造成的船舶撞击浮标事故频发，引起人们的高度关注。随着航运业快速发展，通航水域的船舶交通流量逐年提高，对于航道航行条件的保障要求也不断提高。

综上分析，研发一种克服城市光污染的航标亮度增强系统，对于引导航道船舶航行、保障航运安全和促进航运事业发展及环境保护都具有重要现实意义。

目前通航水域的航标及其维护和保障主要存在以下问题：

(1)部分航标位处光污染严重区域，夜间可识别度不足，容易造成船舶碰撞或偏航搁浅，带来人员和财产的损失；

(2)目前尚无针对船舶夜间经过光污染区域的评价机制，对通航水域光污染的管控存在现实困难。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种基于光污染评价的航标亮度调节方法、装置、系统以及计算机存储介质，解决现有技术中受光污染影响航标识别准确度降低，造成安全隐患的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种基于光污染评价的航标亮度调节方法，包括以下步骤：

获取航标所处水域的原始图像，对所述原始图像中航标进行识别；

以航标为中心截取所述原始图像中设定范围的区域作为评价图像；

计算所述评价图像中航标与背景之间的亮度对比度；

根据所述亮度对比度对航标的背景光污染程度进行评价；

根据评价结果以对航标亮度进行调节。

本发明还提供一种基于光污染评价的航标亮度调节装置，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现所述基于光污染评价的航标亮度调节方法。

本发明还提供一种基于光污染评价的航标亮度调节系统，包括所述基于光污染评价的航标亮度调节装置，还包括航标和感光单元；

所述感光单元用于拍摄航标所处水域的原始图像，并将所述原始图像发送至所述基于光污染评价的航标亮度调节装置；

所述航标用于接收所述基于光污染评价的航标亮度调节装置发送的评价结果，并根据所述评价结果对自身亮度进行调节。

本发明还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机该程序被处理器执行时，实现所述基于光污染评价的航标亮度调节方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明首先提出了基于图像进行航标与背景之间亮度对比度评价的方法，然后基于亮度对比度对航标周围水域内的光污染进行评价，最后基于评价结果对航标的亮度进行调节，从而使得航标的亮度可以根据光污染程度进行自动调节，提高航标在光污染情况下的可识别度，降低夜晚航行的安全隐患。

附图说明

图1是本发明提供的基于光污染评价的航标亮度调节方法一实施方式的流程图；

图2a是本发明提供的三级亮度对比度范围划分一实施方式的示意图；

图2b是本发明提供的三级眩光值范围划分一实施方式的示意图；

图3是本发明提供的基于光污染评价的航标亮度调节系统一实施方式的结构示意图；

图4是本发明提供的航标的一实施方式的结构示意图；

附图标记：

1、基于光污染评价的航标亮度调节装置；2、航标；21、航标灯；22、航标标形；23、LED射灯；24、航标浮体；25、太阳能板；26、水密盒；3、感光单元。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，本发明的实施例1提供了基于光污染评价的航标亮度调节方法，包括以下步骤：

S1、获取航标所处水域的原始图像，对所述原始图像中航标进行识别；

S2、以航标为中心截取所述原始图像中设定范围的区域作为评价图像；

S3、计算所述评价图像中航标与背景之间的亮度对比度；

S4、根据所述亮度对比度对航标的背景光污染程度进行评价；

S5、根据评价结果以对航标亮度进行调节。

船舶驾驶人员对通航航标的识别能力，由航标灯和背景的亮度对比度决定；基于此，本实施例提出了基于图像进行航标与背景之间亮度对比度评价光污染的方法，然后基于亮度对比度对航标周围水域内的光污染进行评价对航标的亮度进行调节，从而使得航标的亮度可以根据光污染程度进行自动调节，提高航标在光污染情况下的可识别度，降低夜晚航行的安全隐患。具体的，即利用相机的成像原理，对获取的原始图像的亮度值进行分区统计分析，得出航标在整个光污染环境下的亮度对比度值，从而实现光污染的评价，进而实现航标的自适应亮度调节。

对所述原始图像中航标进行识别采用目标检测方法实现即可，例如可以采用深度学习建模的方法实现，具体为：

采集不同角度、不同距离的航标图像，对航标图像中航标进行标记，打上标记框，得到样本数据；

以航标图像作为输入，以标记框作为输出，对神经网络进行训练得到航标检测模型；

根据所述航标检测模型对原始图像中航标所在目标框进行识别。

检测出目标框后，以目标框的中心，作为航标中心，截图设定范围内区域作为评价图像，例如以目标框的中心纵向取-520到+520范围、横向取-760到+760范围的像素点，得到评价图像。

截取得到评价图像后，还可以测量评价图像对应的取景宽度，结合航标的位置与取景宽度，可以得到光污染评价对应的位置范围。例如，如果拍摄评价图像的测量角取1度，则评价图像对应的取景实际宽度可以按下式计算：

L_p＝L*tan1

式中：L_p为截取区域对应的实际宽度，L为测量点与航标之间的直线距离，L可根据雷达测距仪进行测量。

优选的，计算所述评价图像中航标与背景之间的亮度对比度，具体为：

分别计算所述评价图像中航标区域的亮度值以及背景区域的亮度值；

根据所述航标区域的亮度值以及背景区域的亮度值计算所述亮度对比度：

其中，C为亮度对比度，L_o为背景区域的亮度值，L_b为航标区域的亮度值。

截取了评价图像后，即可分别求取航标区域和背景区域的亮度值了，航标区域对应于航标检测模型检测的目标框，背景区域对应评价图像中除目标框以外的其他区域。航标区域和背景区域的亮度值均指平均亮度值。

具体的，根据所述亮度对比度对航标的背景光污染程度进行评价，具体为：

设置多个评价等级以及相应的亮度对比度界值；

将所述亮度对比度与各评价等级的亮度对比度界值进行比较，匹配得到相应的评价等级。

计算得到亮度对比度后，根据亮度对比度的确定评价等级及相应范围。本实施例将光污染的评价等级分为一级、二级、三级，并定义三级为光污染影响最大，二级次之，一级影响最小。

优选的，本方法还包括：

计算所述评价图像的眩光值；

结合所述眩光值以及所述亮度对比度对航标的背景光污染程度进行评价。

本优选实施例在计算亮度对比度的同时，计算眩光值，结合亮度对比度和眩光值两项指标进行背景光污染综合评价，从而提高评价精准度。

优选的，根据所述评价图像计算眩光值，具体为：

获取航标的眩光源亮度以及眩光源张角；

根据所述评价图像计算背景区域的亮度值；

结合所述眩光源亮度、眩光源张角以及背景区域的亮度值，计算所述眩光值：

其中，G为眩光值，a、b、c均为相关系数，L_g为眩光源亮度，

为眩光源张角，L_b为航标区域的亮度值。

应该理解的，这里的眩光源是指航标的发光部分。本实施例中，相关系数a＝1、b＝0.25、c＝0.3，

θ为视线与眩光源光线入射方向的夹角。

优选的，结合所述眩光值以及所述亮度对比度对航标的背景光污染程度进行评价，具体为：

设置多个评价等级，设置各评价等级相应的亮度对比度界值以及眩光界值；

对每一评价等级的亮度对比度界值与眩光界值进行归一化处理；

分别为眩光值和亮度对比度设置评价权重；

计算各评价等级的亮度对比度界值与眩光界值的加权和，得到各评价等级的综合界值；

计算所述评价图像的眩光值与亮度对比度的加权和，得到综合评价值；

将所述综合评价值分别与各评价等级的综合界值进行比较，得到匹配的评价等级。

具体的，本实施例将光污染的评价等级分为一级、二级、三级，并定义三级为光污染影响最大，二级次之，一级影响最小。确定各评价等级亮度对比度范围；确定评价等级的眩光值范围。一级的亮度对比度范围：a1-a2，二级的亮度对比度范围：a2-a3，三级的亮度对比度范围：a3-a4；a1<a2<a3<a4。一级的眩光值范围：b1-b2，二级的眩光值范围：b2-b3，三级的眩光值范围：b3-b4；b1<b2<b3<b4。具体的，本实施例对亮度对比度范围的划分如图2a所示，对眩光值范围的划分如图2b所示，图2a和图2b中，相邻虚线之间即为划分的范围，虚线与实线的交点即为相应的界值。归一化处理，在三级划分的基础上，对亮度对比度和眩光值的3个范围进行归一化处理。归一化时，设置归一化边界值，例如定义亮度对比度的边界值取0-0.96，大于0.96的值均作0.96处理，即认为亮度对比度大于0.96时可识别效果很好；眩光值的边界值取0-9，大于9的值均作9处理，即认为眩光值大于9时对视觉没有影响。光污染的三个等级的亮度对比度界值与相应的眩光界值也按加权求和方法计算求取综合界值。归一化处理之后的各评价等级的综合界值范围为：0-0.66为三级、0.66-1.07为二级、1.02-2为一级。计算所述评价图像的眩光值与亮度对比度的加权和，得到综合评价值，判断综合评价值位于哪个等级的综合界值范围内，即可得到匹配的评价等级。

优选的，根据评价结果以对航标亮度进行调节，具体为：

设置各类评价结果与航标亮度值之间的对应关系，根据评价结果匹配对应的航标亮度值，根据匹配的航标亮度值对航标亮度进行调节。

实施例2

本发明的实施例2提供了基于光污染评价的航标亮度调节装置，以下简称航标亮度调节装置，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现实施例1提供的基于光污染评价的航标亮度调节方法。

本发明实施例提供的基于光污染评价的航标亮度调节装置，用于实现基于光污染评价的航标亮度调节方法，因此，基于光污染评价的航标亮度调节方法所具备的技术效果，基于光污染评价的航标亮度调节装置同样具备，在此不再赘述。

实施例3

本发明的实施例3提供了基于光污染评价的航标亮度调节系统，包括实施例2提供的基于光污染评价的航标亮度调节装置1，还包括航标2和感光单元3；

所述感光单元3用于拍摄航标所处水域的原始图像，并将所述原始图像发送至所述基于光污染评价的航标亮度调节装置1；

所述航标2用于接收所述基于光污染评价的航标亮度调节装置1发送的评价结果，并根据所述评价结果对自身亮度进行调节。

本系统包括感光单元3、航标亮度调节装置1和航标2；航标亮度调节装置1可以与航标2集成为一体，也可以与感光单元3集成为一体，还可以单独设置。本实施例选择将航标亮度调节装置1单独设置，采用云服务器作为航标亮度调节装置1，云服务器分别与感光单元3和航标亮度调节装置1通信连接。并从感光单元3处获取原始图像用于光污染评价，然后向航标发送评价结果，实现航标的亮度调节。感光单元3可以采用CCD彩色相机实现。

本系统中航标2和感光单元3均由多个，航标2与感光单元3数量优选相等且一一对应。具体如图3所示，图3所示水域为一条河道，河道一侧为灯光区域，即光污染来源区域，河道内设有三个航标2，根据三个航标2所在位置将水域初步划分为三个部分，三个部分分别为Ⅲ区、Ⅱ区、Ⅰ区。针对每一个航标2设置一个感光单元3，三个感光单元3分别为设置在河道上与灯光区域相对的另一侧，本实施例三个感光单元3分别设置在观测点一、观测点二、观测点三，利用不同感光单元3对不同水域的航标2进行图像采集，并将图像传输至云服务器，分别计算亮度对比度和眩光值，实现光污染等级评价，评价结果如图3中所示，三个区域的评价等级分别为：Ⅲ区为三级、Ⅱ区为二级、Ⅰ区为一级。航标根据评定的光污染等级，以及预设的光污染等级与亮度之间的对应关系，对亮度进行调整。

优选的，所述航标2包括航标主体、LED射灯23以及亮度调节电路；所述航标主体漂浮于水面上，所述LED射灯23以及亮度调节电路均设置于所述航标主体上；

所述亮度调节电路包括控制器、通信电路、PWM脉冲发生器以及电源，所述控制器与通信电路电连接，并通过所述通信电路与所述基于光污染评价的航标亮度调节装置1无线连接；所述控制器通过所述PWM脉冲发生器与所述LED射灯23电连接，所述LED射灯23、控制器、通信电路、PWM脉冲发生器分别与所述电源电连接；

所述控制器用于通过所述通信电路获取所述基于光污染评价的航标亮度调节装置1发送的评价结果，并根据所述评价结果生成相应的PWM调制信号；所述PWM脉冲发生器用于根据所述PWM调制信号产生相应占空比的PWM脉冲，并将所述PWM脉冲发送至所述LED射灯23，实现LED射灯23亮度的调节。

具体如图4所示，本实施例中航标2包括航标主体、LED射灯23以及亮度调节电路，航标主体包括航标浮体24、航标灯21、航标标形22、水密盒26；航标浮体24漂浮于水面，LED射灯23和航标标形22均安装在航标浮体24上，航标灯21安装于航标标形22上，且LED射灯23朝向航标灯21设置，水密和安装于航标浮体24上，水密盒26内部设置亮度调节电路，电源选用太阳能电池，太阳能板25安装在水密盒26上。本实施例提供的航标利用脉冲宽度调制技术(PWM)调整占空比来调节电压大小，从而改变流过LED射灯23的电流大小，实现灯光强度控制，以应对不同背景光污染。其中，LED射灯23优选采用同航标主体相同颜色的光色，经调试角度，可在航标标形22上产生较好的漫反射，进一步增加航标轮廓亮化显形面积。

实施例4

本发明的实施例4提供了计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现实施例1提供的基于光污染评价的航标亮度调节方法。

本发明实施例提供的计算机存储介质，用于实现基于光污染评价的航标亮度调节方法，因此，基于光污染评价的航标亮度调节方法所具备的技术效果，计算机存储介质同样具备，在此不再赘述。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护界值的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护界值内。

Claims (10)

1.一种基于光污染评价的航标亮度调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取航标所处水域的原始图像，对所述原始图像中航标进行识别；

以航标为中心截取所述原始图像中设定范围的区域作为评价图像；

计算所述评价图像中航标与背景之间的亮度对比度；

根据所述亮度对比度对航标的背景光污染程度进行评价；

根据评价结果对航标亮度进行调节。

2.根据权利要求1所述的基于光污染评价的航标亮度调节方法，其特征在于，计算所述评价图像中航标与背景之间的亮度对比度，具体为：

分别计算所述评价图像中航标区域的亮度值以及背景区域的亮度值；

根据所述航标区域的亮度值以及背景区域的亮度值计算所述亮度对比度。

3.根据权利要求1所述的基于光污染评价的航标亮度调节方法，其特征在于，还包括：

计算所述评价图像的眩光值；

结合所述眩光值以及所述亮度对比度对航标的背景光污染程度进行评价。

4.根据权利要求3所述的基于光污染评价的航标亮度调节方法，其特征在于，根据所述评价图像计算眩光值，具体为：

获取航标的眩光源亮度以及眩光源张角；

根据所述评价图像计算背景区域的亮度值；

结合所述眩光源亮度、眩光源张角以及背景区域的亮度值，计算所述眩光值。

5.根据权利要求3所述的基于光污染评价的航标亮度调节方法，其特征在于，结合所述眩光值以及所述亮度对比度对航标的背景光污染程度进行评价，具体为：

设置多个评价等级，设置各评价等级相应的亮度对比度界值以及眩光界值；

对每一评价等级的亮度对比度界值与眩光界值进行归一化处理；

分别为眩光值和亮度对比度设置评价权重；

计算各评价等级的亮度对比度界值与眩光界值的加权和，得到各评价等级的综合界值；

计算所述评价图像的眩光值与亮度对比度的加权和，得到综合评价值；

将所述综合评价值分别与各评价等级的综合界值进行比较，得到匹配的评价等级。

6.根据权利要求1所述的基于光污染评价的航标亮度调节方法，其特征在于，根据评价结果对航标亮度进行调节，具体为：

设置各类评价结果与航标亮度值之间的对应关系，根据评价结果匹配对应的航标亮度值，根据匹配的航标亮度值对航标亮度进行调节。

7.一种基于光污染评价的航标亮度调节装置，其特征在于，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如权利要求1-6任一所述的基于光污染评价的航标亮度调节方法。

8.一种基于光污染评价的航标亮度调节系统，其特征在于，包括如权利要求7所述的基于光污染评价的航标亮度调节装置，还包括航标和感光单元；

所述感光单元用于拍摄航标所处水域的原始图像，并将所述原始图像发送至所述基于光污染评价的航标亮度调节装置；

所述航标用于接收所述基于光污染评价的航标亮度调节装置发送的评价结果，并根据所述评价结果对自身亮度进行调节。

9.根据权利要求8所述的基于光污染评价的航标亮度调节系统，其特征在于，所述航标包括航标主体、LED射灯以及亮度调节电路；所述航标主体漂浮于水面上，所述LED射灯以及亮度调节电路均设置于所述航标主体上；

所述亮度调节电路包括控制器、通信电路以及PWM脉冲发生器，所述控制器与通信电路电连接，并通过所述通信电路与所述基于光污染评价的航标亮度调节装置无线连接；所述控制器通过所述PWM脉冲发生器与所述LED射灯电连接；

所述控制器用于通过所述通信电路获取所述基于光污染评价的航标亮度调节装置发送的评价结果，并根据所述评价结果生成相应的PWM调制信号；所述PWM脉冲发生器用于根据所述PWM调制信号产生相应占空比的PWM脉冲，并将所述PWM脉冲发送至所述LED射灯，实现LED射灯亮度的调节。

10.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机该程序被处理器执行时，实现如权利要求1-6任一所述的基于光污染评价的航标亮度调节方法。

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