一種航行船舶高度測量系統(tǒng)及其測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種航行船舶高度測量系統(tǒng)及其測量方法，所述的系統(tǒng)包括位置信息測定模塊、攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)、無線收發(fā)模塊和水位測定模塊，所述的計(jì)算機(jī)中安裝有云臺控制模塊、圖像處理模塊、船舶GPS計(jì)算模塊、船舶高度測定模塊和標(biāo)定點(diǎn)參數(shù)計(jì)算模塊。本發(fā)明基于圖象處理的機(jī)器視覺方法以及空間幾何關(guān)系，在安裝上只需要攝像機(jī)、標(biāo)定物、電腦以及相關(guān)的連接即可，安裝方便，不需要大型設(shè)備，便于維護(hù)，而且在算法上，利用船舶的GPS信息、云臺控制模塊獲得的角度信息、背景標(biāo)定點(diǎn)信息以及相關(guān)空間位置信息，計(jì)算出船舶的水面上高度。本發(fā)明降低了設(shè)計(jì)難度，同時(shí)又能很好的符合船舶測高的需求。而且允許調(diào)整攝像機(jī)的視野范圍，實(shí)用性更好。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)器視覺技術(shù)和GPS定位技術(shù)，航行船舶高度檢測方法，尤其涉及一 種航行船舶高度測量系統(tǒng)及其測量方法。 一種航行船舶高度測量系統(tǒng)及其測量方法

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對交通建設(shè)的需要越來越高，這就使得在通航河流上 修建橋梁的需求日益增多，新建的橋梁給兩岸的交通帶來的巨大的便利，但同時(shí)，一些大橋 在當(dāng)初設(shè)計(jì)時(shí)，橋高、橋?qū)?、選址未充分考慮到未來的航運(yùn)需要，使得一些橋梁無法滿足現(xiàn) 有船舶的通航要求，富裕高度預(yù)留不足，使得船舶因?yàn)楦叨瘸叨鲎矘蛄旱氖鹿蕰r(shí)有發(fā) 生，而且船舶一旦超高經(jīng)過橋梁，往往會造成嚴(yán)重后果，不僅威脅著船舶自身的航行安全， 危及船員生命，還會影響整個航道的暢通和其他通航船舶的安全，其危害巨大。目前國內(nèi)的 船舶超高檢測技術(shù)較為落后，大多以引進(jìn)國外的超高檢測系統(tǒng)和設(shè)備為主，而這些設(shè)備中， 大多數(shù)集中在研究基于激光的超高檢測方法，但激光檢測方法實(shí)際是一種限高方法，可以 對高于某個高度的船舶進(jìn)行報(bào)警，但無法得到船舶的實(shí)際高度，而且限高方法需要根據(jù)水 位變化改變限高高度，并且在河岸距離較大的情況下，效果并不是很好。
[0003] 目前還有一種測高方法是采用圖像處理的方法，利用機(jī)器視覺得到目標(biāo)的高度， 該方法本身主要是應(yīng)用于測定空間位置信息，并不是針對船舶測高，并且技術(shù)難度大，設(shè)備 要求高。而且，該方法本身并非對于船舶測高，對于船舶測高也存在問題，即攝像機(jī)需要標(biāo) 定后，才能進(jìn)行高度測量，而且標(biāo)定后，攝像機(jī)各參數(shù)不能發(fā)生變化，使得對攝像機(jī)的要求， 以及安裝都有較高的要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明要設(shè)計(jì)一種既能測定船舶高度，又安裝 需求低、算法實(shí)現(xiàn)簡單的航行船舶高度測量系統(tǒng)及其測量方法。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種航行船舶高度測量系統(tǒng)，包括標(biāo) 定物、位置信息測定模塊、云臺、攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)、無線收發(fā)模塊和水位測定模塊，所述的計(jì) 算機(jī)中安裝有云臺控制模塊、圖像處理模塊、船舶GPS計(jì)算模塊、船舶高度測定模塊和標(biāo)定 點(diǎn)參數(shù)計(jì)算模塊，所述的位置信息測定模塊測定標(biāo)定物的GPS信息以及相關(guān)的角度距離信 息，并將測定結(jié)果輸入到船舶GPS計(jì)算模塊，所述的標(biāo)定點(diǎn)參數(shù)計(jì)算模塊分別與船舶GPS計(jì) 算模塊、船舶高度測定模塊相連，所述的無線收發(fā)模塊與船舶GPS計(jì)算模塊相連，水位測定 模塊信息通過無線收發(fā)模塊與船舶高度測定模塊相連。所述的云臺控制模塊與標(biāo)定點(diǎn)參數(shù) 計(jì)算模塊連接；所述的無線收發(fā)模塊與船舶GPS計(jì)算模塊相連；所述的攝像機(jī)安裝在云臺 上方，攝像機(jī)與圖像處理模塊連接；所述的云臺分別與云臺控制模塊和船舶GPS計(jì)算模塊 相連，云臺控制模塊通過控制云臺與攝像機(jī)連接，所述的云臺安裝在距離測量船舶一定位 置的河岸上。
[0006] 本發(fā)明所述的云臺安裝在距離測量船舶300m以外位置的河岸上。
[0007] -種航行船舶高度測量系統(tǒng)的測量方法，包括以下步驟：
[0008] A、測量前的初始化
[0009] A1、背景標(biāo)定點(diǎn)設(shè)定
[0010] 在攝像機(jī)要拍攝的背景中選擇多處背景作為標(biāo)定物，而標(biāo)定物的個數(shù)及位置根據(jù) 攝像機(jī)的視場角和需要監(jiān)控的水域范圍確定，最終滿足攝像機(jī)無論旋轉(zhuǎn)至何處都有且只有 一個完整的標(biāo)定物在視場中；在確定好標(biāo)定物的位置后，在標(biāo)定物上選擇特殊位置安裝標(biāo) 定點(diǎn)；
[0011] A2、攝像機(jī)初始位置設(shè)定
[0012] 在標(biāo)定點(diǎn)位置確定之后，調(diào)整攝像機(jī)的位置，確定攝像機(jī)的初始位置，并通過云臺 控制模塊設(shè)定預(yù)置位；標(biāo)定點(diǎn)參數(shù)計(jì)算模塊通過位置信息測定模塊測量各標(biāo)定點(diǎn)的GPS信 息以及距離信息，計(jì)算出各標(biāo)定點(diǎn)的空間坐標(biāo)以及各標(biāo)定點(diǎn)與攝像機(jī)的位置關(guān)系；
[0013] A3、初始位置信息測定以及計(jì)算
[0014] 當(dāng)攝像機(jī)的初始位置設(shè)定了以后，通過位置信息測定模塊對標(biāo)定點(diǎn)的相對距離關(guān) 系、各標(biāo)定點(diǎn)距離攝像機(jī)的距離以及與攝像機(jī)主光軸之間的夾角進(jìn)行測量。
[0015] B、正式測量
[0016] B1、對GPS信息進(jìn)行處理并尋找船舶
[0017] 無線收發(fā)模塊接收VTS中心的船舶GPS信息，發(fā)送至船舶GPS計(jì)算模塊，船舶GPS 計(jì)算模塊同時(shí)結(jié)合標(biāo)定點(diǎn)參數(shù)計(jì)算模塊的位置信息和攝像機(jī)的位置信息計(jì)算出船舶、攝像 機(jī)以及此時(shí)攝像機(jī)主光軸之間所成的角度信息，將角度信息發(fā)送至云臺控制模塊控制云臺 的旋轉(zhuǎn)，使攝像機(jī)找到目標(biāo)船舶。
[0018] B2、云臺旋轉(zhuǎn)及信息采集
[0019] 根據(jù)得到的角度信息，云臺控制模塊控制云臺完成水平和堅(jiān)直方向兩個方向的旋 轉(zhuǎn)，同時(shí)云臺控制模塊記錄云臺旋轉(zhuǎn)的角度信息，并控制云臺旋轉(zhuǎn)。
[0020] B3、獲取現(xiàn)場圖片
[0021] 攝像機(jī)是可變焦的攝像機(jī)，通過設(shè)定后以間隔固定時(shí)間對場景進(jìn)行拍照，并將圖 片發(fā)送至圖像處理模塊。
[0022] B4、圖像識別
[0023] 圖像處理模塊負(fù)責(zé)圖像的采集、目標(biāo)的識別、標(biāo)定點(diǎn)的識別、各標(biāo)定點(diǎn)在圖片中的 坐標(biāo)信息。
[0024] B5、提取水位信息
[0025] 水位測定模塊對所在河段的水位信息，進(jìn)行即時(shí)的測量。
[0026] B6、對測量信息進(jìn)行處理計(jì)算船舶高度
[0027] 船舶高度測定模塊根據(jù)圖像處理模塊的信息以及標(biāo)定點(diǎn)參數(shù)計(jì)算模塊和船舶GPS 計(jì)算模塊的船舶位置信息、云臺控制模塊的角度信息、水位測定模塊的即時(shí)水位信息，計(jì)算 出船舶的高度。
[0028] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0029] 1、本發(fā)明以基于圖象處理的機(jī)器視覺方法以及空間幾何關(guān)系，在安裝上只需要攝 像機(jī)、云臺、標(biāo)定物、電腦以及相關(guān)的連接即可，安裝方便，不需要大型設(shè)備，便于維護(hù)，而且 算法上，利用船舶的GPS信息、云臺控制模塊獲得的角度信息、背景標(biāo)定點(diǎn)信息以及相關(guān)空 間位置信息，計(jì)算出船舶的水面上高度。該方法是利用空間幾何關(guān)系，以及基本的圖像處理 算法，避免了復(fù)雜的標(biāo)定算法，以及雙目識別算法，從而降低了設(shè)計(jì)難度，同時(shí)又能很好的 符合船舶測高的需求。而且允許調(diào)整攝像機(jī)的視野范圍，比其他方法更簡單，實(shí)用性更好。
[0030] 2、本發(fā)明提出了一種既可以固定測量又可以通過控制云臺水平堅(jiān)直旋轉(zhuǎn)的、大視 野和可變焦情況下的船舶測高系統(tǒng)及構(gòu)建方法。
[0031] 3、本發(fā)明利用標(biāo)定物在背景中的這個特點(diǎn)，結(jié)合相關(guān)的GPS信息和標(biāo)定點(diǎn)的位置 信息，實(shí)現(xiàn)了攝像機(jī)的變焦標(biāo)定，克服了原有方法只能定焦測量的缺點(diǎn)，利用云臺實(shí)現(xiàn)了攝 像機(jī)的大視野測高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032] 本發(fā)明共有附圖11張，其中：
[0033] 圖1 :攝像機(jī)標(biāo)定物的位置選址圖。
[0034] 圖2 :攝像機(jī)所在的平面示意圖。
[0035] 圖3 :攝像機(jī)堅(jiān)直方向標(biāo)定以及船舶測高原理圖。
[0036] 圖4 :標(biāo)定點(diǎn)的設(shè)定位置示意圖。
[0037] 圖5 :(XD成像平面坐標(biāo)系。
[0038] 圖6 :攝像機(jī)初始化堅(jiān)直方向調(diào)整原理圖。
[0039] 圖7 :攝像機(jī)安裝時(shí)產(chǎn)生的可能誤差示意圖。
[0040] 圖8 :攝像機(jī)傾斜時(shí)對C⑶各點(diǎn)產(chǎn)生的影響示意圖。
[0041] 圖9:初始化流程圖。
[0042] 圖10:測量流程圖。
[0043] 圖11 :測高系統(tǒng)框圖。
[0044] 圖中：1、云臺，2、云臺控制模塊，3、攝像機(jī)，4、圖像處理模塊，5、船舶GPS計(jì)算模 塊，6、標(biāo)定點(diǎn)參數(shù)計(jì)算模塊，7、船舶高度測定模塊，8、無線收發(fā)模塊，9、水位測定模塊，10、 計(jì)算機(jī)，11、標(biāo)定物，12、位置信息測定模塊。

【具體實(shí)施方式】
[0045] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步地描述。如圖11所示，一種航行船舶高度測量 系統(tǒng)，包括標(biāo)定物11、位置信息測定模塊12、云臺1、攝像機(jī)3、計(jì)算機(jī)10、無線收發(fā)模塊8和 水位測定模塊9,所述的計(jì)算機(jī)10中安裝有云臺控制模塊2、圖像處理模塊4、船舶GPS計(jì)算 模塊5、船舶高度測定模塊7和標(biāo)定點(diǎn)參數(shù)計(jì)算模塊6,所述的位置信息測定模塊12測定標(biāo) 定物11的GPS信息以及相關(guān)的角度距離信息，并將測定結(jié)果輸入到船舶GPS計(jì)算模塊5,所 述的標(biāo)定點(diǎn)參數(shù)計(jì)算模塊6分別與船舶GPS計(jì)算模塊5、船舶高度測定模塊7相連，所述的 無線收發(fā)模塊8與船舶GPS計(jì)算模塊5相連，水位測定模塊9信息通過無線收發(fā)模塊8與 船舶高度測定模塊7相連。所述的云臺控制模塊2與標(biāo)定點(diǎn)參數(shù)計(jì)算模塊6連接；所述的 無線收發(fā)模塊8與船舶GPS計(jì)算模塊5相連；所述的攝像機(jī)3安裝在云臺1上方，攝像機(jī)3 與圖像處理模塊4連接；所述的云臺1分別與云臺控制模塊2和船舶GPS計(jì)算模塊5相連， 云臺控制模塊2通過控制云臺1與攝像機(jī)3連接，所述的云臺1安裝在距離測量船舶一定 位置的河岸上。所述的云臺1安裝在距離測量船舶300m以外位置的河岸上。
[0046] 圖9為初始化流程圖，圖10為測量的流程圖。
[0047] 具體測量流程為，圖9中，背景標(biāo)定點(diǎn)設(shè)定主要是在攝像機(jī)3要拍攝的背景中選 擇的合適的背景作為標(biāo)定物11，作為標(biāo)定物11的背景應(yīng)該滿足有較為平整的平面，攝像機(jī) 3初始設(shè)置時(shí)所對的標(biāo)定面為基礎(chǔ)標(biāo)定面，并在基礎(chǔ)標(biāo)定面上根據(jù)圖4所不的標(biāo)有圓圈的 位置設(shè)定標(biāo)定點(diǎn)，其中3個點(diǎn)是在同一堅(jiān)直方向上，且中間點(diǎn)為上下兩個點(diǎn)之間的中點(diǎn)，另 外兩個點(diǎn)與3點(diǎn)中的一個點(diǎn)在同一高度，且中間點(diǎn)為左右兩個點(diǎn)之間的中點(diǎn)。標(biāo)定物11的 個數(shù)確定主要是根據(jù)實(shí)際的攝像機(jī)3要求掃描的范圍，攝像機(jī)3的視場角而定，如圖1所 示，條件是保證攝像機(jī)3在旋轉(zhuǎn)時(shí)，有且只有一個標(biāo)定物11出現(xiàn)在視場內(nèi)。對于非基礎(chǔ)標(biāo) 定面的標(biāo)定物11，只需要在堅(jiān)直方向上選擇兩個點(diǎn)作為標(biāo)定點(diǎn)即可。
[0048] 標(biāo)定點(diǎn)設(shè)置完成后，需要對攝像機(jī)3進(jìn)行位置的初始化設(shè)置，初始化之前，首先需 要對攝像機(jī)3所在的平面進(jìn)行說明，如圖2所示，圖中a為攝像機(jī)3鏡頭所在平面，圖中b 為攝像機(jī)3的CCD平面，圖中c為標(biāo)定物11平面，一般情況下，攝像機(jī)3鏡頭所在平面應(yīng)平 行于攝像機(jī)3的C⑶平面，因此，攝像機(jī)3平面即為攝像機(jī)3C⑶所在的平面。由于安裝等 原因，即使攝像機(jī)3在安裝時(shí)盡量水平放置，但很難在安裝時(shí)完全滿足要求，這就要求在安 裝后需要對攝像機(jī)3進(jìn)行初始化設(shè)置，如圖7所示，圖中A為理想情況，B、C、D為可能發(fā)生 偏移的情況，圖6所示為堅(jiān)直方向上的攝像機(jī)3矯正，圖中J為AE的中點(diǎn)，A、J、E為在同一 堅(jiān)直方向上的3個點(diǎn)，圖中C點(diǎn)為主光軸與標(biāo)定物11的交點(diǎn)，當(dāng)攝像機(jī)3在安裝時(shí)，堅(jiān)直方 向上發(fā)生了角度Θ的旋轉(zhuǎn)，矯正方法是通過調(diào)整云臺1堅(jiān)直方向的角度，通過圖像處理模 塊4計(jì)算J點(diǎn)在圖片中到A、E的距離，調(diào)整云臺1直到兩個距離相等時(shí)，則攝像機(jī)3堅(jiān)直調(diào) 平。圖7中，D情況發(fā)生時(shí)即在水平方向上產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)。調(diào)整方法與堅(jiān)直方法類似，使水平 方向在同一直線上的3個標(biāo)定點(diǎn)在CCD中滿足中間點(diǎn)為左右點(diǎn)的中點(diǎn)即水平調(diào)平了。圖7 中B情況發(fā)生時(shí)，由于攝像機(jī)3傾斜，通過調(diào)整云臺1無法達(dá)到矯正目的，在盡量保證水平 的同時(shí)，可以按圖8所示，根據(jù)標(biāo)定點(diǎn)以及攝像機(jī)3的對應(yīng)關(guān)系，計(jì)算出圖片中的等高線，進(jìn) 而可以在后續(xù)計(jì)算中根據(jù)等1?線找到目標(biāo)點(diǎn)在標(biāo)定點(diǎn)所在位置的等1?點(diǎn)，通過計(jì)算等1?點(diǎn) 進(jìn)而求得目標(biāo)高度。當(dāng)攝像機(jī)3各參數(shù)確定之后，記錄各參數(shù)并將該狀態(tài)作為云臺1的預(yù) 置位，復(fù)位時(shí)，云臺1直接回到初始位置，并且通過檢查圖片中水平方向和堅(jiān)直方向的中間 點(diǎn)是否為中點(diǎn)，確定云臺1或者攝像機(jī)3是否處在正確的位置，如果不在中點(diǎn)，則需要人工 重新設(shè)置。
[0049] 攝像機(jī)3位置調(diào)整好以后，標(biāo)定點(diǎn)參數(shù)計(jì)算模塊66需要測量標(biāo)定點(diǎn)的位置信息， 基礎(chǔ)標(biāo)定面的這5個點(diǎn)的位置信息不需要全部了解，但在堅(jiān)直方向上的3個點(diǎn)中，需要了解 其中兩個標(biāo)定點(diǎn)的位置信息，標(biāo)定點(diǎn)的位置信息包括兩點(diǎn)距離地面的高度和兩點(diǎn)的GPS信 息，以及攝像機(jī)3初始位置到基礎(chǔ)標(biāo)定點(diǎn)的角度信息，測量方法是通過控制云臺1使攝像機(jī) 3從初始位置水平旋轉(zhuǎn)直到基礎(chǔ)標(biāo)定點(diǎn)的三點(diǎn)位于攝像機(jī)3平面的中心所在的堅(jiān)直線位置 主光軸不一定在光心，但一定在光心附近，微調(diào)云臺1，使得三點(diǎn)連線的直線距離在C⑶中 的距離最小，即找到了光心所在的位置，而后讀出云臺1的水平旋轉(zhuǎn)角度即為攝像機(jī)3初始 位置到基礎(chǔ)標(biāo)定點(diǎn)的角度。而對于非基礎(chǔ)標(biāo)定面的2個標(biāo)定點(diǎn)，測量的信息與基礎(chǔ)標(biāo)定面 相同，同時(shí)通過全站儀測得安放在攝像機(jī)3所在位置處所有標(biāo)定物11上對應(yīng)的標(biāo)定點(diǎn)的水 平角度信息。水位測量模塊同時(shí)還要通過超聲波水位測量儀器得到即時(shí)的水位信息，并計(jì) 算出攝像機(jī)3到水面的距離，以及標(biāo)定物11所在的地面到水面的距離。為了能夠?qū)崿F(xiàn)24 小時(shí)不間斷的測量，標(biāo)定點(diǎn)位置可以安裝一個穿透力較強(qiáng)的光源，且該光源以固定的時(shí)間 間隔不斷的閃滅。
[0050] 當(dāng)有船舶到達(dá)測量區(qū)域后，接收船舶的GPS信息，并結(jié)合攝像機(jī)3的位置信息，以 及各標(biāo)定物11的GPS信息，通過余弦定理，計(jì)算出Z ABC，其中A表示各個標(biāo)定物11，B表示 攝像機(jī)3、C表示船舶，通過比較找出Z ABC中最小的角度，進(jìn)而可以確定船舶所在位置與距 離它最近的標(biāo)定物11的所成的角度，通過計(jì)算就可以得到船舶所在的位置與此時(shí)攝像機(jī)3 主光軸的夾角，控制云臺1轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，使攝像機(jī)3找到待測船舶。
[0051] 當(dāng)攝像機(jī)3旋轉(zhuǎn)到指定位置后，根據(jù)云臺1的轉(zhuǎn)動信息，重新計(jì)算攝像機(jī)3旋轉(zhuǎn)后 的各標(biāo)定點(diǎn)以及船舶的空間位置信息，即由于轉(zhuǎn)動導(dǎo)致的各標(biāo)定點(diǎn)以及船舶到攝像機(jī)3的 垂直距離發(fā)生了變化，該距離即為圖3中攝像機(jī)3平面到標(biāo)定物11的水平距離H。與此同 時(shí)，攝像機(jī)3與船舶、標(biāo)定點(diǎn)的夾角也發(fā)生了變化，還需計(jì)算出該位置攝像機(jī)3與各標(biāo)定點(diǎn) 的夾角以及與船舶的夾角。
[0052] 當(dāng)各空間位置信息確定后，通過攝像機(jī)3讀入獲得的圖片，利用背景差值法對圖 片進(jìn)行處理，找到圖像中的船舶，以及船舶的最高點(diǎn)所在CCD坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，同時(shí)識別標(biāo) 定點(diǎn)，記錄標(biāo)定點(diǎn)在CCD坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，并將坐標(biāo)信息發(fā)送到船舶高度測定模塊7。
[0053] 在船舶高度測定模塊7中，利用已知的標(biāo)定點(diǎn)以及船舶的空間信息、CCD圖片中的 坐標(biāo)信息和水位信息，即可求得船舶的高度，具體方法如下：
[0054] 由于只需測定高度信息，所以只需標(biāo)定堅(jiān)直方向，但水平旋轉(zhuǎn)會影響船舶以及標(biāo) 定物11到攝像機(jī)3的所在平面的距離，因此當(dāng)發(fā)生水平旋轉(zhuǎn)時(shí)，要通過角度信息求得距離 信息，然后圖3所示，當(dāng)攝像機(jī)3發(fā)生堅(jiān)直旋轉(zhuǎn)時(shí)，在4個標(biāo)定點(diǎn)中選擇堅(jiān)直方向在一條直 線上的兩個標(biāo)定點(diǎn)，圖中C點(diǎn)為主光軸與標(biāo)定物11的交點(diǎn)，A、E點(diǎn)分別為標(biāo)定點(diǎn)，距離地面 的高度已知，水平方向上，距離攝像機(jī)3的距離已知，攝像機(jī)3堅(jiān)直方向上旋轉(zhuǎn)的角度通過 云臺1可以得到，已知為Θ，攝像機(jī)3和船舶最高點(diǎn)連線交標(biāo)定物11于G點(diǎn)，由于一般攝像 機(jī)3的光軸中心不一定在CCD中心，所以需要先求得光心在CCD的位置，由于只需要測量高 度，所以只需要求得Y軸方向上光心的位置。圖5為(XD坐標(biāo)系，其中原點(diǎn)為C⑶的中心， 即圖片中的中間點(diǎn)，X軸平行于水平方向，Y軸垂直于水平方向。圖中圓圈〇表示光心的位 置圓圈a表示圖3中標(biāo)定點(diǎn)A在(XD的位置，圓圈e表示圖3中E點(diǎn)的投影，yl，y2表示標(biāo) 定點(diǎn)的Y軸坐標(biāo)，y3表示光心的Y軸坐標(biāo)（未知）。
[0055] 由圖3可見Θ和Η已知，可以求得0C和CF的長度，因?yàn)锳E長度已知，進(jìn)而可以 求得AC和ΑΒ的長度，過Α點(diǎn)做主光軸0C的垂線交于B，Z BAC = Ζ Θ，可以求得BC的長 度，最終得到0B的長度。過e做0C的垂線，交于D，同理可以得到ED和0D的長度。由于
[0056] AB/BO = (yl-y3)*dy/f,
[0057] ED/DO = (y3-y2)*dy/f,
[0058] 兩式子相加（f表示焦距，dy表示單個(XD的尺寸），由于（yl_y2)*dy/f = k由于 AB、B0、ED、D0長度已知，相加的結(jié)果為一常數(shù)，設(shè)為k ;可以求得f (包含dy未知常量，在接 下來的計(jì)算中會被約掉。并且可以進(jìn)而求得光心所在的Y軸值。讀取圖片中船舶最高點(diǎn)在 圖片中的Y軸值，記為y4,過G點(diǎn)做主光軸的垂線，交于I，可知，
[0059] GI/IO = |y4-y3|*dy/f
[0060] 由于上面的計(jì)算可以知道f，y3，y4已知，dy可以約掉，設(shè)
[0061] |y4-y3|*dy/f = K 為一常數(shù)，
[0062] GI/IO = GI/(tan Θ *GI+C0) = Κ
[0063] 可以得到GI，進(jìn)而得到GC，因此可以算出G點(diǎn)到水面的距離，根據(jù)GPS信息，可以 知道船舶到攝像機(jī)3所在平面的距離，記為H1，根據(jù)三角形的相似Λ 0GF0LM，H1/H = LM/GF，可以求得LM的長度，因?yàn)閿z像機(jī)3到水面的高度，可以通過水位信息測得記為H2， 則船舶的高度即為LM+H2,即得到了船舶的高度。
【權(quán)利要求】
1. 一種航行船舶高度測量系統(tǒng)，其特征在于：包括標(biāo)定物（11)、位置信息測定模塊 (12)、云臺（1)、攝像機(jī)（3)、計(jì)算機(jī)（10)、無線收發(fā)模塊（8)和水位測定模塊（9)，所述的計(jì) 算機(jī)（10)中安裝有云臺控制模塊⑵、圖像處理模塊（4)、船舶GPS計(jì)算模塊（5)、船舶高度 測定模塊（7)和標(biāo)定點(diǎn)參數(shù)計(jì)算模塊￠)，所述的位置信息測定模塊（12)測定標(biāo)定物（11) 的GPS信息以及相關(guān)的角度距離信息，并將測定結(jié)果輸入到船舶GPS計(jì)算模塊（5)，所述的 標(biāo)定點(diǎn)參數(shù)計(jì)算模塊（6)分別與船舶GPS計(jì)算模塊（5)、船舶高度測定模塊（7)相連，所述 的無線收發(fā)模塊（8)與船舶GPS計(jì)算模塊（5)相連，水位測定模塊（9)信息通過無線收發(fā) 模塊（8)與船舶高度測定模塊（7)相連；所述的云臺控制模塊（2)與標(biāo)定點(diǎn)參數(shù)計(jì)算模塊 (6)連接；所述的無線收發(fā)模塊（8)與船舶GPS計(jì)算模塊（5)相連；所述的攝像機(jī)（3)安裝 在云臺（1)上方，攝像機(jī)（3)與圖像處理模塊（4)連接；所述的云臺（1)分別與云臺控制模 塊⑵和船舶GPS計(jì)算模塊（5)相連，云臺控制模塊⑵通過控制云臺⑴與攝像機(jī)（3) 連接，所述的云臺（1)安裝在距離測量船舶一定位置的河岸上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種航行船舶高度測量系統(tǒng)，其特征在于：所述的云臺（1) 安裝在距離測量船舶300m以外位置的河岸上。
3. -種航行船舶高度測量系統(tǒng)的測量方法，其特征在于：包括以下步驟： A、 測量前的初始化 A1、背景標(biāo)定點(diǎn)設(shè)定 在攝像機(jī)（3)要拍攝的背景中選擇多處背景作為標(biāo)定物（11)，而標(biāo)定物（11)的個數(shù)及 位置根據(jù)攝像機(jī)（3)的視場角和需要監(jiān)控的水域范圍確定，最終滿足攝像機(jī)（3)無論旋轉(zhuǎn) 至何處都有且只有一個完整的標(biāo)定物（11)在視場中；在確定好標(biāo)定物（11)的位置后，在標(biāo) 定物（11)上選擇特殊位置安裝標(biāo)定點(diǎn)； A2、攝像機(jī)（3)初始位置設(shè)定 在標(biāo)定點(diǎn)位置確定之后，調(diào)整攝像機(jī)（3)的位置，確定攝像機(jī)（3)的初始位置，并通過 云臺控制模塊（2)設(shè)定預(yù)置位；標(biāo)定點(diǎn)參數(shù)計(jì)算模塊（6)通過位置信息測定模塊（12)測 量各標(biāo)定點(diǎn)的GPS信息以及距離信息，計(jì)算出各標(biāo)定點(diǎn)的空間坐標(biāo)以及各標(biāo)定點(diǎn)與攝像機(jī) (3)的位置關(guān)系； A3、初始位置信息測定以及計(jì)算 當(dāng)攝像機(jī)（3)的初始位置設(shè)定了以后，通過位置信息測定模塊（12)對標(biāo)定點(diǎn)的相對距 離關(guān)系、各標(biāo)定點(diǎn)距離攝像機(jī)（3)的距離以及與攝像機(jī)（3)主光軸之間的夾角進(jìn)行測量； B、 正式測量 B1、對GPS信息進(jìn)行處理并尋找船舶 無線收發(fā)模塊（8)接收VTS中心的船舶GPS信息，發(fā)送至船舶GPS計(jì)算模塊（5)，船舶 GPS計(jì)算模塊（5)同時(shí)結(jié)合標(biāo)定點(diǎn)參數(shù)計(jì)算模塊（6)的位置信息和攝像機(jī)（3)的位置信息 計(jì)算出船舶、攝像機(jī)（3)以及此時(shí)攝像機(jī)（3)主光軸之間所成的角度信息，將角度信息發(fā)送 至云臺控制模塊（2)控制云臺（1)的旋轉(zhuǎn)，使攝像機(jī)（3)找到目標(biāo)船舶； B2、云臺（1)旋轉(zhuǎn)及信息采集 根據(jù)得到的角度信息，云臺控制模塊（2)控制云臺（1)完成水平和堅(jiān)直方向兩個方向 的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)云臺控制模塊（2)記錄云臺（1)旋轉(zhuǎn)的角度信息，并控制云臺（1)旋轉(zhuǎn)； B3、獲取現(xiàn)場圖片 攝像機(jī)（3)是可變焦的攝像機(jī)（3)，通過設(shè)定后以間隔固定時(shí)間對場景進(jìn)行拍照，并將 圖片發(fā)送至圖像處理模塊（4); B4、圖像識別 圖像處理模塊（4)負(fù)責(zé)圖像的采集、目標(biāo)的識別、標(biāo)定點(diǎn)的識別、各標(biāo)定點(diǎn)在圖片中的 坐標(biāo)信息； B5、提取水位信息 水位測定模塊（9)對所在河段的水位信息，進(jìn)行即時(shí)的測量； B6、對測量信息進(jìn)行處理計(jì)算船舶高度 船舶高度測定模塊（7)根據(jù)圖像處理模塊（4)的信息以及標(biāo)定點(diǎn)參數(shù)計(jì)算模塊（6)和 船舶GPS計(jì)算模塊（5)的船舶位置信息、云臺控制模塊（2)的角度信息、水位測定模塊（9) 的即時(shí)水位信息，計(jì)算出船舶的高度。
【文檔編號】G01B11/04GK104061865SQ201410321578
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月7日
【發(fā)明者】熊木地, 張同斌, 黃喆, 張亞沖, 王璇 申請人:大連海事大學(xué)