CN113223075A - 一种基于双目摄像头式的船舶高度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于船舶高度的测量领域，提供一种基于双目摄像头式的船舶高度测量系统及方法。本发明系统，包括设备安装模块、相机标定模块、图像处理模块以及船舶高度计算模块；设备安装模块包括双目摄像头和水位器；双目摄像头获取视频图像；水位器测量岸边到水面的高度并实时测量水位的变化量；相机标定模块对双目相机进行标定、非线性校正、极线约束操作，利用与相机高度一致的参照物进行标定。图像处理模块对双目摄像头获取的图像进行背景差分和二值化处理，划分出运动的船舶区域，得到船舶最高点；船舶高度计算模块计算船舶水面以上的整体高度。本发明利用视场角计算距离信息，且不需要拍摄船舶全身，只需拍摄含船舶最高点的部分图像即可完成测量。

Description

一种基于双目摄像头式的船舶高度测量系统及方法

技术领域

本发明涉及船舶高度的测量技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于双 目摄像头式的船舶高度测量系统及方法。

背景技术

近些年，随着航运事业的快速发展，坝区通航量每年呈递增的趋势，同 时伴随着河流上方桥梁建设工程的增加。由于地势地形、气候降雨的环境因 素的影响，在雨季频发时期，坝区水位变化明显，水位上涨幅度大，致使船 舶与桥梁碰撞事故发生的次数屡屡增加，这不仅威胁到船员的人身安全而且 会造成巨大的经济损失。因此，确保坝区通航安全至关重要。目前，国内船 舶测高技术较为落后，现有的船舶测高检测方法可分为三种：第一种采用人 工检测方式，船舶停靠后工人利用角度尺高尺测量船身高度，该方式效率低 易造成航运堵塞且引入人工误差。第二种采用图像检测方式测量，该测量首 先需要拍摄船体的全貌，再根据图像处理检测获得船舶吃水深度从而得到水 面上船舶实际高度，该方法受水面波纹以及成像距离影响导致误差大精度不 够。第三种采用基于激光的发射和接受装置，将两个装置分别固定于河道两 侧，检测系统能够实现船舶超高检测，该系统是通过发射端发射激光进行超 高测量。但该方法并没有检测船舶的实际高度而是超高报警系统，设备价格 昂贵且当河道距离过宽所需激光能量大且易形成光斑造成误差大，得不到广 泛应用。

发明内容

根据上述提出的技术问题，本发明设计了一种只需通过拍摄含有船舶最 高点的部分船舶图像，利用图像处理算法以及空间几何关系，提出一种基于 双目摄像头式的船舶高度检测方法。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于双目摄像头式的船舶高度测量系统，包括：设备安装模块、相 机标定模块、图像处理模块以及船舶高度计算模块；其中：

所述设备安装模块包括双目摄像头和水位器；双目摄像头用于获取视频 图像；水位器用于测量岸边到水面的高度并实时测量水位的变化量；

所述相机标定模块用于对双目相机进行标定、非线性校正、极线约束操 作，利用与相机高度一致的参照物进行标定，在成像平面中标定出与相机高 度一致的水平线。

所述图像处理模块用于对所述双目摄像头获取的图像进行背景差分和二 值化处理，划分出运动的船舶区域，得到船舶的最高点；

所述船舶高度计算模块用于计算船舶水面以上的整体高度。

进一步地，所述双目摄像头安装于岸边同侧等高度处，调整高度以保证 船舶最高点处于成像范围内，调整两个双目摄像头的间距，以保证双目摄像 头的视场中间区域重叠；所述水位器安装在水面边界处。

进一步地，所述相机标定模块通过图像坐标系、像素坐标系、世界坐标 系、相机坐标系之间的转换矩阵获得双目摄像头的内参、外参和畸变参数， 对双目摄像机进行非线性校正和极线约束。

进一步地，所述船舶高度计算模块基于获得的含有船舶最高点的部分船 舶图像，计算船舶水面以上的整体高度，具体过程如下：

利用物体在CCD平面像素点个数与成像的像素点个数的比例关系，由视 场角θ和三角函数关系式计算双目摄像头与被测船舶的水平距离；

基于得到的水平距离，利用焦距计算公式，计算船舶最高点到双目摄像 头标定的水平线之间竖直方向的距离；

在相机安装高度、岸边与水面高度已知的情况下，利用水位器检测被测 船舶进入观测区后水位涨幅量，设双目相机安装高度为D1，岸边与水面高度 C，水位上涨h，当船舶最高点位于标定水平线上方则此时船舶水面以上高度 为H1+D1+C-h，当船舶最高点位于标定的水平线下方则此时船舶水面以上高 度为D1-H1+C-h，最终即可求解位于水面以上的船舶高度。

进一步地，所述基于双目摄像头式的船舶高度测量系统还包括数据显示 模块，用于提供相应的人机交互界面，显示船舶高度检测值。

本发明还提供了一种基于双目摄像头式的船舶高度测量方法，包括如下 步骤：

S1、获取视频图像以及测量岸边到水面的高度并实时测量水位的变化量；

S2、对双目相机进行标定、非线性校正、极线约束操作；

S3、根据船舶的远近进行变焦拍摄，焦距改变后对参照物自动进行重新 标定，利用背景差分法检测运动的船舶目标，将图像进行二值化处理，找到 船舶的最高点；

S4、计算船舶水面以上的整体高度。

进一步地，所述步骤S1具体包括：

S11、在岸边同侧同高度固定两台型号完全相同的摄像头，确定焦距参数 值f，调整并记录双目摄像头水平基线距离b，设双目摄像头安装高度D1， 保证船舶最高点处于成像范围内，岸边与水面高度C；

S12、调整两个双目摄像头的间距，以保证双目摄像头的视场中间区域重 叠；

S12、在无船舶通航时，在水面边界处安装水位器，测量船舶通航时水位 的变化h。

进一步地，所述步骤S2具体包括：

S21、利用已知参照物对双目摄像头进行标定处理，分别建立图像坐标系、 像素坐标系、相机坐标系、世界坐标系，通过四个坐标系转换矩阵得到相机 内参和外参矩阵；

S22、求解相机的内参矩阵：

像素坐标系和图像坐标系之间的转换关系如下：

上式中，(x,y)为图像坐标系坐标，(u,v)为像素坐标系坐标，dx,dy为图像坐标 系的物理尺寸，通过上述矩阵将图像坐标系转换成像素坐标系；

相机坐标系和图像坐标系转换之间的转换关系如下：

上式中，(X_c,Y_c,Z_c)为被测点坐标；

将上述两个矩阵相乘得到相机的内参矩阵：

S23、求解相机的外参矩阵：

世界坐标系与相机坐标系之间的转换需要旋转矩阵和平移矩阵，计算得到 两坐标系转换的旋转矩阵，如下公式推导：

矩阵表示为:

绕x轴，y轴旋转

和ω，得到：

得到旋转矩阵R＝R₁R₂R₃，为3*3 矩阵，平移矩阵T为3*1矩阵；因此，相机标定后的外参矩阵为：

其中，内参矩阵是将三维空间船舶降维至二维船舶图像，由外参矩阵得到相 机坐标系与世界坐标系之间的相对位置关系；

S24、完成相机标定后，进行双目摄像机的校正和极线约束，并利用与相 机高度一致的参照物进行标定，在成像平面中标定出与相机高度一致的水平 线。

进一步地，所述步骤S4具体包括：

S41、计算双目摄像头与被测船舶的水平距离L，利用物体在CCD平面 像素点个数与成像的像素点个数的比例关系，由视场角θ和三角函数关系式 计算双目摄像头与被测船舶的水平距离；

S42、当船舶最高点位于标定的水平线以上，通过公式H1＝N₃*dy*L/f求 解船舶最高点与相机水平线之间的竖直距离H1，计算得到船舶位于水面以上 的高度H＝H1+C+D1-h；

S43、当船舶最高点位于标定的水平线以下，按照相同的处理方式计算双 目相机与船舶的水平距离H2，此时船舶高度测量公式为H＝D1-H2+C-h。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的基于双目摄像头式的船舶高度测量系统，与传统的人工 测量相比，双目摄像头检测效率高，能够实现船舶高度的快速检测，不易造 成航运的堵塞。

2、本发明提供的基于双目摄像头式的船舶高度测量系统，与激光超高检 测技术相比，设备成本以及维修低，消耗能量少，设备安装简单。

3、本发明提供的基于双目摄像头式的船舶高度测量方法，利用视场角计 算距离信息，同时只需要拍摄含船舶最高点的部分图像即可测量，不需要拍 摄船舶全身，与图像检测方式相比，双目摄像头式测高检测不需要提前测量 船舶整体高度，不受水面波纹的影响，算法相对简单，易于实现。

4、本发明提供的基于双目摄像头式的船舶高度测量系统，用双目摄像头 对船舶进行检测，算法具有动态性，采用常用VS开发环境，便于项目的二 次开发。

基于上述理由本发明可在船舶高度的测量等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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做以简单地介绍，显而易见地，下 面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在 不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为双目摄像头测距原理框图。

图2为双目摄像头安装位置正视图。

图3为船舶通过航道时系统工作俯视图。

图4为船舶通过航道时系统工作正视图。

图5为双目摄像头测高流程图。

图6为双目摄像头标定时图像坐标系、像素坐标系、相机坐标系、世界 坐标系坐标系的空间位置关系图。

图7为双目摄像头标定时像素坐标系和图像坐标系转换图。

图8为双目摄像头标定时相机坐标系和图像坐标系转换图。

图9为双目摄像头标定时世界坐标系和相机坐标系转换图。

图10为双目摄像头标定时旋转矩阵原理图。

图11为双目摄像头测高原理图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特 征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发 明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。 以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本 发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明 保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意 图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外 明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当 在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、 操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、 数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述， 附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相 关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当 情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示 出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作 为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相 似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图 中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、 右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关 系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化 描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或 元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对 本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在…… 上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个 器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术 语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方 位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方” 或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以 包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方 式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作 出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件， 仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有 特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明提供了一种基于双目摄像头式的船舶高度测量系统，包括：设备 安装模块、相机标定模块、图像处理模块以及船舶高度计算模块；其中：

所述设备安装模块包括双目摄像头和水位器；双目摄像头用于获取视频 图像；水位器用于测量岸边到水面的高度并实时测量水位的变化量；具体实 施时，所述双目摄像头安装于岸边同侧等高度处，调整高度以保证船舶最高 点处于成像范围内，如图3所示，由于摄像头有固定的拍摄范围则需调整双 目摄像头的基线距离，调整两个双目摄像头的间距，以保证双目摄像头的视 场中间区域重叠；所述水位器安装在水面边界处。

所述相机标定模块用于对双目相机进行标定、非线性校正、极线约束操 作，利用与相机高度一致的参照物进行标定，在成像平面中标定出与相机高 度一致的水平线。具体实施时，所述相机标定模块通过图像坐标系、像素坐 标系、世界坐标系、相机坐标系之间的转换矩阵获得双目摄像头的内参、外 参和畸变参数，对双目摄像机进行非线性校正和极线约束。如图6所示，在 相机标定模块中，通过建立以相机位置为坐标原点的三维相机坐标系，建立 以成像图中左上角第一个像素点为原点的直角坐标的像素坐标系，建立以成 像平面中心点为原点的直角坐标系作为图像坐标系，在空间建立世界坐标系， 作为基准用来描述物体实际空间位置。成像所在的像素坐标系和图像坐标系 之间的转换矩阵与相机坐标系和图像坐标系之间的转换矩阵相乘后得到的矩 阵为相机的内参矩阵，由参照物所在的世界坐标系到相机坐标系转换的矩阵 为相机的外参矩阵，由此通过相机标定模块得到相机的内参矩阵和外参矩阵。 通过采集图像将摄像头采集到的视频内容转换成数帧幅RGB型图像，利用与 相机高度一致的参照物进行标定，在成像平面中标定出与相机高度一致的水 平线。根据船舶的远近若需进行变焦拍摄，焦距改变后仅需对参照物自动进 行重新标定，重新计算焦距值，为船舶高度计算提供数据。

所述图像处理模块用于对所述双目摄像头获取的图像进行背景差分和二 值化处理，划分出运动的船舶区域，得到船舶的最高点；具体实施时，所述 图像处理模块首先对标定后的成像进行非线性校正，并使校正后的两幅图像 位于同一平面且相互平行。对于校正后的两幅图像进行极线约束。具体来说， 如图1所示，由物体P和物体在相机中的左成像点P1和右成像点P2，三点 构成一个平面PP₁P₂，PP₁P₂平面与左右成像面相交出重合直线，O₁O₂所在直线 视为极线。在双目摄像头拍摄下，当确定摄像头的左成像点P1时，可沿极线 O₁O₂来约束方向找到右成像点P2，利用这种极线约束的方式从成像图左上角 第一个点开始从左至右、从上至下依次进行遍历，实现左右成像的校正，接 着对左右两幅成像图中每一行的成像点进行匹配。接着在重叠视场里采集的 图像中没有船舶的图像作为背景图，实时获得船舶图像，将获得的船舶图像 与背景图像进行相减运算，当差值超过设定阈值的区域视为运动目标的区域， 利用这种背景差分算法实现对运动的船舶对象的目标检测，划分出运动目标 的区域。将图像转换成二值图，即灰度值设置成两种取值0和1，运动的船 舶目标灰度值为1，图像成像显示为白色，静止的背景区域灰度值为0，图像 成像显示为黑色，即完成了对图像进行二值化的处理。

所述船舶高度计算模块用于计算船舶水面以上的整体高度。所述船舶高 度计算模块基于获得的含有船舶最高点的部分船舶图像，计算船舶水面以上 的整体高度，具体过程如下：

利用物体在CCD平面像素点个数与成像的像素点个数的比例关系，由视 场角θ和三角函数关系式计算双目摄像头与被测船舶的水平距离；

基于得到的水平距离，利用焦距计算公式，计算船舶最高点到双目摄像 头标定的水平线之间竖直方向的距离；

在相机安装高度、岸边与水面高度已知的情况下，利用水位器检测被测 船舶进入观测区后水位涨幅量，设双目相机安装高度为D1，岸边与水面高度 C，水位上涨h，当船舶最高点位于标定水平线上方则此时船舶水面以上高度 为H1+D1+C-h，当船舶最高点位于标定的水平线下方则此时船舶水面以上高 度为D1-H1+C-h，最终即可求解位于水面以上的船舶高度。

具体实施时，对二值化的图像从上至下，从左至右依次遍历图像中的每 个像素点，将第一个像素值为1的点视为船舶最高点的成像点。在船舶高度 计算中利用视场角和空间几何关系，先求解双目摄像机与船舶的水平距离再 求解船舶高度。通过相机标定模块得到相机参数dx和dy的值，其中dx为x 轴方向每个像素点对应的物理尺寸，dy为y轴方向每个像素点对应的物理尺 寸。根据图11所示，在船舶最高点高于摄像头标定的水平线时，利用公式 θ＝2*arctan(w/2f)计算摄像机水平方向的视场角θ，w为CCD传感器靶面 水平方向宽度，f为相机的焦距。P4是船舶上P9点在左相机平面的成像点， P5是右相机上的成像点。分别统计CCD水平方向上P2和P4之间的像素点 个数N1,P3和P5之间的像素点个数N2。同理，统计P1和P9在竖直方向成 像的像素点个数，左右相机对应个数分别为N3,N4。由于CCD水平方向上的 像素点个数是定值，设为W1。则存在比例关系N1/W1＝Φ1/0.5θ，计算出Φ1 的值，同理，求得Φ2的值。图中线段P2P6是左相机的中心线，线段P3P7 是右相机的中心线，两线段相互平行且垂直于基线O1O2。因此，图11中 θ1＝90-Φ1，θ2＝90-Φ2，θ3＝180-θ1-θ2。根据正弦原理 b/sinθ₃＝O₁P₉/sinθ₂＝O₂P₉/sinθ₁，可得O₁P₉＝b*sinθ₂/sinθ₃、 O₂P₉＝b*sinθ₁/sinθ₃。在ΔO₁P₈P₉中，P₈P₉＝L＝O₁P₉*sinθ₁，即计算出双目摄像 头与被测船舶的水平距离L。求解P1和P9之间的物理高度时，利用固有公 式H1＝N₃*dy*L/f，计算出P1P9的高度H1，H1表示船舶最高点高出摄像 头的竖直方向的距离。如图4所示，在水面没有船舶通航时，测量岸边与水 面的距离C，利用水位器测量船舶通航时水位的上涨高度h。被测船舶水面以上的高度H＝H1+D1+C-h。同理，当船舶最高点位于相机标定的水平线下方时， 采用相同的处理方式计算水平距离L以及水平线与船舶最高点之间的距离 H2,此时船舶高度的计算公式为H＝D1-H2+C-h,即可实现基于双目摄像头的船 舶高度测量。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述基于双目摄像头式的船 舶高度测量系统还包括数据显示模块，用于提供相应的人机交互界面，显示 船舶高度检测值。

本发明还提供了一种基于双目摄像头式的船舶高度测量方法，包括如下 步骤：

S1、获取视频图像以及测量岸边到水面的高度并实时测量水位的变化量；

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S1具体包括：

S11、在岸边同侧同高度固定两台型号完全相同的摄像头，确定焦距参数 值f，如图2所示，调整并记录双目摄像头水平基线距离b，设双目摄像头安 装高度D1，保证船舶最高点处于成像范围内，岸边与水面高度C；

S12、调整两个双目摄像头的间距，如图3所示，以保证双目摄像头的视 场中间区域重叠；

S12、在无船舶通航时，在水面边界处安装水位器，测量船舶通航时水位 的变化h。

S2、对双目相机进行标定、非线性校正、极线约束操作；

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，S2具体包括：

S21、利用已知参照物对双目摄像头进行标定处理，分别建立图像坐标系、 像素坐标系、相机坐标系、世界坐标系，通过四个坐标系转换矩阵得到相机 内参和外参矩阵；

S22、求解相机的内参矩阵：

如图7所示，像素坐标系和图像坐标系之间的转换关系如下：

上式中，(x,y)为图像坐标系坐标，(u,v)为像素坐标系坐标，dx,dy为图像坐标 系的物理尺寸，通过上述矩阵将图像坐标系转换成像素坐标系；

如图8所示，相机坐标系和图像坐标系转换之间的转换关系如下：

上式中，(X_c,Y_c,Z_c)为被测点坐标；图像中ΔABO_c～ΔOCO_c、ΔPBO_c～ΔpCO_c， 根据相似三角形对应边比例关系可知：

得出

将上述两个矩阵相乘得到相机的内参矩阵：

S23、求解相机的外参矩阵：

如图9所示，是世界坐标系到相机坐标系转换的示意图。如图10所示， 世界坐标系与相机坐标系之间的转换需要旋转矩阵和平移矩阵，计算得到两 坐标系转换的旋转矩阵，如下公式推导：

矩阵表示为:

绕x轴，y轴旋转

和ω，得到：

得到旋转矩阵R＝R₁R₂R₃，为3*3 矩阵，平移矩阵T为3*1矩阵；因此，相机标定后的外参矩阵为：

其中，内参矩阵是将三维空间船舶降维至二维船舶图像，由外参矩阵得到相 机坐标系与世界坐标系之间的相对位置关系；

S24、完成相机标定后，进行双目摄像机的校正和极线约束，并利用与相 机高度一致的参照物进行标定，在成像平面中标定出与相机高度一致的水平 线。

S3、根据船舶的远近进行变焦拍摄，焦距改变后对参照物自动进行重新 标定，利用背景差分法检测运动的船舶目标，将图像进行二值化处理，找到 船舶的最高点；

S4、计算船舶水面以上的整体高度。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S4具体包括：

S41、计算双目摄像头与被测船舶的水平距离L，如图11所示，利用物 体在CCD平面像素点个数与成像的像素点个数的比例关系，由视场角θ和三 角函数关系式计算双目摄像头与被测船舶的水平距离；

S42、当船舶最高点位于标定的水平线以上，通过公式H1＝N₃*dy*L/f求 解船舶最高点与相机水平线直接的竖直距离H1，计算得到船舶位于水面以上 的高度H＝H1+C+D1-h；

S43、当船舶最高点位于标定的水平线以下，按照相同的处理方式计算双 目相机与船舶的水平距离H2，此时船舶高度测量公式为H＝D1-H2+C-h。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对 其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通 技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并 不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种基于双目摄像头式的船舶高度测量系统，其特征在于，包括：设备安装模块、相机标定模块、图像处理模块以及船舶高度计算模块；其中：

所述设备安装模块包括双目摄像头和水位器；双目摄像头用于获取视频图像；水位器用于测量岸边到水面的高度并实时测量水位的变化量；

所述相机标定模块用于对双目相机进行标定、非线性校正、极线约束操作，利用与相机高度一致的参照物进行标定，在成像平面中标定出与相机高度一致的水平线。

所述图像处理模块用于对所述双目摄像头获取的图像进行背景差分和二值化处理，划分出运动的船舶区域，得到船舶的最高点；

所述船舶高度计算模块用于计算船舶水面以上的整体高度。

2.根据权利要求1所述的基于双目摄像头式的船舶高度测量系统，其特征在于，所述双目摄像头安装于岸边同侧等高度处，调整高度以保证船舶最高点处于成像范围内，调整两个双目摄像头的间距，以保证双目摄像头的视场中间区域重叠；所述水位器安装在水面边界处。

3.根据权利要求1所述的基于双目摄像头式的船舶高度测量系统，其特征在于，所述相机标定模块通过图像坐标系、像素坐标系、世界坐标系、相机坐标系之间的转换矩阵获得双目摄像头的内参、外参和畸变参数，对双目摄像机进行非线性校正和极线约束。

4.根据权利要求1所述的基于双目摄像头式的船舶高度测量系统，其特征在于，所述船舶高度计算模块基于获得的含有船舶最高点的部分船舶图像，计算船舶水面以上的整体高度，具体过程如下：

利用物体在CCD平面像素点个数与成像的像素点个数的比例关系，由视场角θ和三角函数关系式计算双目摄像头与被测船舶的水平距离；

基于得到的水平距离，利用焦距计算公式，计算船舶最高点到双目摄像头标定的水平线之间竖直方向的距离；

在相机安装高度、岸边与水面高度已知的情况下，利用水位器检测被测船舶进入观测区后水位涨幅量，设双目相机安装高度为D1，岸边与水面高度C，水位上涨h，当船舶最高点位于标定水平线上方则此时船舶水面以上高度为H1+D1+C-h，当船舶最高点位于标定的水平线下方则此时船舶水面以上高度为D1-H1+C-h，最终即可求解位于水面以上的船舶高度。

5.根据权利要求1所述的基于双目摄像头式的船舶高度测量系统，其特征在于，所述基于双目摄像头式的船舶高度测量系统还包括数据显示模块，用于提供相应的人机交互界面，显示船舶高度检测值。

6.一种基于权利要求1-5任意一项权利要求所述船舶高度测量系统的船舶高度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、获取视频图像以及测量岸边到水面的高度并实时测量水位的变化量；

S2、对双目相机进行标定、非线性校正、极线约束操作；

S3、根据船舶的远近进行变焦拍摄，焦距改变后对参照物自动进行重新标定，利用背景差分法检测运动的船舶目标，将图像进行二值化处理，找到船舶的最高点；

S4、计算船舶水面以上的整体高度。

7.根据权利要求6所述的船舶高度测量方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

S11、在岸边同侧同高度固定两台型号完全相同的摄像头，确定焦距参数值f，调整并记录双目摄像头水平基线距离b，设双目摄像头安装高度D1，保证船舶最高点处于成像范围内，岸边与水面高度C；

S12、调整两个双目摄像头的间距，以保证双目摄像头的视场中间区域重叠；

S12、在无船舶通航时，在水面边界处安装水位器，测量船舶通航时水位的变化h。

8.根据权利要求6所述的船舶高度测量方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

S21、利用已知参照物对双目摄像头进行标定处理，分别建立图像坐标系、像素坐标系、相机坐标系、世界坐标系，通过四个坐标系转换矩阵得到相机内参和外参矩阵；

S22、求解相机的内参矩阵：

像素坐标系和图像坐标系之间的转换关系如下：

上式中，(x,y)为图像坐标系坐标，(u,v)为像素坐标系坐标，dx,dy为图像坐标系的物理尺寸，通过上述矩阵将图像坐标系转换成像素坐标系；

相机坐标系和图像坐标系转换之间的转换关系如下：

上式中，(X_c,Y_c,Z_c)为被测点坐标；

将上述两个矩阵相乘得到相机的内参矩阵：

S23、求解相机的外参矩阵：

世界坐标系与相机坐标系之间的转换需要旋转矩阵和平移矩阵，计算得到两坐标系转换的旋转矩阵，如下公式推导：

矩阵表示为:

绕x轴，y轴旋转

和ω，得到：

得到旋转矩阵R＝R₁R₂R₃，为3*3矩阵，平移矩阵T为3*1矩阵；因此，相机标定后的外参矩阵为：

其中，内参矩阵是将三维空间船舶降维至二维船舶图像，由外参矩阵得到相机坐标系与世界坐标系之间的相对位置关系；

S24、完成相机标定后，进行双目摄像机的校正和极线约束，并利用与相机高度一致的参照物进行标定，在成像平面中标定出与相机高度一致的水平线。

9.根据权利要求6所述的船舶高度测量方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

S41、计算双目摄像头与被测船舶的水平距离L，利用物体在CCD平面像素点个数与成像的像素点个数的比例关系，由视场角θ和三角函数关系式计算双目摄像头与被测船舶的水平距离；

S42、当船舶最高点位于标定的水平线以上，通过公式H1＝N₃*dy*L/f求解船舶最高点与相机水平线直接的竖直距离H1，计算得到船舶位于水面以上的高度H＝H1+C+D1-h；

S43、当船舶最高点位于标定的水平线以下，按照相同的处理方式计算双目相机与船舶的水平距离H2，此时船舶高度测量公式为H＝D1-H2+C-h。

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