专利名称：基于图像处理的船舶水尺自动检测方法
技术领域：
本发明属于图像处理领域，是涉及一种应用于船舶载重测量自动检测系统的，结合图像处理技术的水尺自动检测方法。
背景技术：
船舶水尺的检测，是船舶载重测量的重要任务之一。船舶吃水数据一直是靠人工观察船舶的水尺刻度来得到，因此难以避免测量人员的主观影响导致的测量数据偏差。为了保证水尺测量结果尽可能的准确无误，实事求是， 船舶运输相关行业的工作人员总结了很多水尺计量方面的经验。例如，当风浪天气乘交通艇目测水尺时，应做到“点”(水尺标记)“线”(一个完整的水线波纹)结合，切忌拘泥于 “点”，而忽视“线”的观察。Burness Corlett & Ptns(IOM)公司在其技术报告中分析了散货船水尺测量和计重中影响结果精确度的各种因素，指出误差累积可能导致最终计重结果偏差达到0.5%甚至1%。针对水尺测量的环境因素影响，也提出了许多改善测量结果的方法。例如，夜间观测水尺时，除必须使用照明设备外，还应考虑海水的透明度和因灯光照射而引起的折光，也可水面撒轻物，或者投小石击起浪花来观测。在大雨中观测水尺时，要考虑雨点溅起的浪花对准确性的影响。有波浪时，特别是伴有船舶横摇时，应在较长时间的注视后取一瞬间静止状态吃水值，或读取水面最高和最低时的吃水，取其中间值。在有波浪的情况下，注意每个吃水应至少观测2 3次，取它们的平均值。为了避免操作人员主观因素导致的测量精度下降问题，很多研究人员提出了借助仪器设备代替人眼观测的方法。David Ray等设计了一种船用便携式吃水测量装置，用来测量水面到甲板的距离，从而推算出船舶吃水。为了解决当两船水平间距小于15厘米、垂直水面距离超过2米时人眼无法看到船舶实际吃水线度数的问题，王绍军等人提出了一种船舶水尺吃水刻度的光纤观测装置，通过光纤连接的摄像头放置到船舶水尺刻度处，可将当时的情况拍摄成照片，然后由工作人员判断实际吃水。此类方法可以解决部分观测难度较大情况下的水尺检测问题，但实质上仍然依靠人眼来判断，不可避免因人眼主管因素导致的测量精度误差。戴水龙等人通过通管将探测水深传感器置于水中，从而检测出吃水深度。孙国元等人提出了一种双压力传感器船舶吃水检测法，使用高精度液压传感器，计算值与水密度和重力加速度无关，避免了由此带来的计算误差。Huayao Zheng等利用双压力传感器检测船舶吃水，并在此基础上进行船舶稳性的分析和计算。这类压力传感器需要安装在船体上， 但是船舶往往是属于运输单位，从经济性考虑，每艘船固定安装检测仪器将需要较大的资金投入，而且对于无人驳船，仪器安置的可行性也尚须进一步探讨。作为港口计量，一般应选择通用便携式仪器方案。通常情况下，船舶吃水变化大于2. 5m,而且水流速度较大，一般接触式的传感器及其装置支架难以适应过大的水流速。叶家玮等对超声波传感器在水上测距的应用方面进行了研究，认为可用于水尺测量当中。M0rt0n，PaUl Ε.等提出了一种利用超声和激光提取、记录和分析水尺刻度的方法。郑灼辉提出了一种以电测方式确定船舶吃水的便携式超声波检测仪，采用超声波回声法原理，测得船体主甲板至水面的距离等参数，计算出吃水值。但是， 超声波受诸多因素的影响，如必须进行超声波测距线性参数标定和传感器电缆长度标定， 另外，声速的误差直接影响测距精度，而声速又与介质密度有关，在空气中空气密度受温度影响较大，从而必须进行环境温度检测，这都影响了水尺检测的便携性和实用性。综上所述，自动化检测仪器代替人眼检测水尺数 据能够提高检测精度，但是目前的各种解决方案还存在各种问题，需要进一步研究性能更好的检测方法。当然，人眼观测和其它仪器测量方法所积累的各种原则和经验都是值得借鉴的。
发明内容
本发明主要针对在船舶载重测量的场景下，在利用图像处理检测过程中水迹线对真实吃水线位置确定的干扰，而提出一种利用图像处理技术，对于水尺视频图像进行预处理、边缘检测、霍夫变换等一系列处理得到真实的吃水线的方法。为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案实现的基于图像处理的船舶水尺自动检测方法，其特征在于，通过以下步骤实施1)进行水尺视频图像采集，将所得视频图像按帧处理，对当前帧图像进行平滑和去噪处理；2)利用Carmy算子进行边缘检测，将得到的边缘线进行连接，获得新图像；3)对步骤2)中进行边缘检测获得的新图像进行几何校正，本方法采用围绕质心旋转方法，首先计算出图像质心，然后围绕质心完成图像处理过程，即是利用旋转矩阵进行图像变换，然后反变换回图像坐标，插值处理完成旋转；4)对经几何校正的图像利用霍夫变换找到其中最长的两条边缘线并标记，这两条线是水迹线和吃水线；5)根据水迹线始终在吃水线上方这一经验原理，去掉其中两条最长边缘线中位于上方的水迹线，从而确定真实吃水线位置，得到最终图像。本发明的使用考虑到图像处理在运动目标检测中的优势，使用图像处理进行目标检测时，把人眼看到的运动画面转化成一帧一帧的静态图像，预处理后利用边缘检测技术检测边缘，再利用霍夫变换检测图像边缘并计算出最长的两条边缘线并且进行标记；此外， 利用水迹线、吃水线相对位置固定判断真实吃水线位置，本方法一方面可以减少计算量，另一方面可以节省处理时间，实现了对视频图像进行实时检测的要求。
图1为本发明中基于图像处理技术而实现船舶水尺自动检测的流程图。图2为本发明具体实施方式
所处理的原图像。图3为原图像与其R、G、B三层图像及其直方图的比较图。图4为利用Laplace算子、Sobel算子、Carmy算子进行边缘检测获得图像的比较图。图5为几何校正前后对比图。
图6为利用霍夫变换找到水迹线和吃水线的效果图。图7为结果图。
具体实施例方式为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式
，进一步阐述本发明。本发明是一种基于图像处理的船舶吃水线水尺自动检测方法，主要针对在船舶载重测量的场景下，水迹线在边缘检测中对于真实吃水线位置确定的干扰提供一种基于图像处理的船舶水尺自动检测方法，是通过如图1所示步骤实施1)进行水尺视频图像采集，将所得视频图像按帧处理，对当前帧图像即图2，进行平滑和去噪处理，处理后的图像的R、G、B各通道图像及其直方图与原图像及其直方图的比较如图3所示；2)对步骤1)中去噪后的各通道图像和原图，分别利用Laplace算子、Sobel算子、 Canny算子进行边缘检测，进行连接，得到的新图像如图4所示，经比较显示利用Carmy算子进行边缘检测获得的效果最好，而且各通道中R通道的图像的效果最好；3)对步骤2、中进行边缘检测获得的效果最好的图像进行几何校正，本方法采用围绕质心旋转方法，首先计算出图像质心，然后围绕质心完成图像处理过程，即是利用旋转矩阵进行图像变换，然后反变换回图像坐标，插值处理完成旋转，几何变换效果对比如图5 所示；4)利用霍夫变换找到图5中最长的两条边缘线并标记，得到图6，这两条线是水迹线和吃水线；5)根据水迹线始终在吃水线上方这一经验原理，去掉图6中两条最长边缘线中位于上方的水迹线，从而确定真实吃水线位置，得到最终图像如图7所示。基于上述方案，本发明在实施时，主要面临的问题是，第一是如何进行几何校正； 第二是如何正确的找到水迹线边缘和吃水线边缘。针对第一个问题，本发明采用了较常见的插值的方法，在Carmy算子进行边缘检测之后图像f，像素点的坐标为(X，y)，由于几何失真产生了另一幅图像g，其像素点为 (χ'，！’)。这个变换为χ' = r(x, y) (1)y' = s (χ, y) (2)其中，r(x，y)和s(x，y)为空间变换，几何失真图像为g(x'，y')。图像的倾斜校正包括，倾斜角度测量和图像旋转两步骤。倾斜角度检测主要对变换域的数据进行分析，寻找穿越图像的近似直线，通过霍夫变换将这幅图像变换到变换域。 图像中心旋转法对于倾斜校正较为简单，即在一幅图像中确定存在图像信息区域的中心， 依据检测出的角度，再围绕中心旋转变换。围绕质心的旋转方法则需要计算出图像的质心， 然后围绕质心完成图像处理过程。本发明分割出来的字符是倾斜的，需对其进行旋转处理。为尽可能减少处理过程中带来的干扰，本发明采用图像围绕质心旋转的方法，利用旋转公式
权利要求
1.基于图像处理的船舶水尺自动检测方法，其特征在于，通过以下步骤实施1)进行水尺视频图像采集，将所得视频图像按帧处理，对当前帧图像进行平滑和去噪处理；2)利用Carmy算子进行边缘检测，将得到的边缘线进行连接，获得新图像；3)对步骤2)中进行边缘检测获得的新图像进行几何校正，本方法采用围绕质心旋转方法，首先计算出图像质心，然后围绕质心完成图像处理过程，即是利用旋转矩阵进行图像变换，然后反变换回图像坐标，插值处理完成旋转；4)对经几何校正的图像利用霍夫变换找到其中最长的两条边缘线并标记，这两条线是水迹线和吃水线；5)根据水迹线始终在吃水线上方这一经验原理，去掉其中两条最长边缘线中位于上方的水迹线，从而确定真实吃水线位置，得到最终图像。
全文摘要
本发明公开了一种基于图像处理的船舶水尺自动检测方法，结合图像处理技术，利用水迹线和吃水线在视频图像中的相对位置不变的特征，利用边缘检测、几何校正和霍夫变换来找出两条最长的边缘线，即为水迹线和吃水线，通过去掉两条线中位于上方的水迹线，从而获得真实吃水线。本发明使用的图像处理计算量小、实现方便，同时该方法克服了人工目测方式精度低的缺点，使图像处理技术更适用于船舶载重测量环境中。
文档编号B63B39/12GK102295061SQ201110133129
公开日2011年12月28日 申请日期2011年5月19日 优先权日2011年5月19日
发明者冉鑫, 施朝健, 罗婧 申请人:上海海事大学