一种基于倾斜预警式宽范围双目相机船舶高度测量系统

1.本发明涉及船舶高度的测量领域，尤其涉及一种基于倾斜预警式宽范围双目相机船舶高度测量系统。


背景技术：

2.一些大桥在当初设计时，桥高、桥宽、选址未充分考虑到未来的航运需要。使得一些桥梁无法满足现有船舶的通航要求，富裕高度预留不足，加上地势地形、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。且在船舶进出港时，船舶的停靠位置往往没有固定位置，所以，对于停靠港口的船舶的高度测量也是有很大难度，目前，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：第一种为最初采用人工检测方式，船舶停靠后工人利用角度尺测量船身高度，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，采用这种测量方法首先要将拍摄系统固定在一个位置，以一个固定的角度拍摄测量，该方法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。而且拍摄角度固定，不能够灵活调整拍摄角度，且由于来往船舶的航行方向不同，很难及时根据船舶来向以及停靠位置，主动调整相机的拍摄测量方向，实现高效率测量出船舶高度，往往会导致测量不及时，有可能导致船舶碰撞事故的发生。


技术实现要素：

3.根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于倾斜预警式宽范围双目相机船舶高度测量系统，具体技术方案包括：
4.两台预先标定内外参数的工业相机，用于拍摄船舶在不同位置的图像信息；
5.云台控制模块，控制工业相机进行水平方向、竖直方向不同角度的旋转，所述工业相机安装在云台控制模块上；
6.角度偏差预警模块，安装在云台控制模块上、实时测量固定工业相机的倾斜角度判断是否出现倾斜偏差，发出预警信息；
7.图像处理模块，接收工业相机传送的图像信息，并对图像中的成像数据进行极线校正，使校正后的两幅图像位于同一平面且相互平行，对校正后的两幅图像进行像素点的匹配、获得每个像点视差值，从而获得与原图一致的视差图；
8.数据计算模块，读取拍摄图像中船舶的最高点的二维坐标，根据图像处理模块传送的视差图结合景深、焦距、基线、视场角与空间的几何关系，利用三角测距原理计算船舶到相机的深度信息，将获取的二维坐标转换为三维坐标，将三维坐标中y轴坐标值与深度信息相结合得到船舶高度值，根据船舶高度值和相机安装高度值得到船舶实际高度。
9.测高显示模块，对工业相机拍摄到的实时图像、预警信息以及船舶实际高度进行
显示。
10.该系统还包括数据传输模块，所述工业相机将检测到的数据信息通过数据传输模块传送至图像处理模块。
11.该系统还包括电源供应模块，所述电源供应模块为该系统提供电能。
12.所述工业相机的外表面包装有防水防潮外壳。
13.由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于倾斜预警式宽范围双目相机船舶高度测量系统，该系统通过云台控制模块控制工业相机拍摄系统进行宽范围旋转，广角度进行拍摄测量，极大提升工作效率，另外本系统如果在相机水平旋转发生倾斜时，会通过角度偏差预警模块自动检测并在终端提示角度出现偏差问题，本系统与传统采用人工测量或激光测量相比，节省更多人工，避免较大测量误差，有很好的经济效益和更好的市场前景，另外本系统的数据传输模块采用光纤作为传输媒质，带载能力强，应用差分信号传输的抗干扰性能，实现较长距离的无损耗传输，保证视频信号的完整性能。
附图说明
14.为了更清楚地说明本技术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技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1为本发明系统的结构框图。
16.图2为本发明系统的工作原理图。
具体实施方式
17.为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面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的描述：
18.如图1和图2所示的一种基于倾斜预警式宽范围双目相机船舶高度测量系统，包括工业相机、云台控制模块、角度偏差预警模块、图像处理模块、数据计算模块和测高显示模块。
19.所述工业相机预先标定内外参数，用于拍摄船舶在不同位置的图像信息。通过球机云台控制实现水平固定的两台工业相机能够实现宽范围的水平旋转，并进行广角度的双目相机拍摄测量，从而灵活处理不同来向船舶以及停靠在港口的不同位置的船舶，并通过倾角传感器实时检测双目相机在较宽范围内旋转，广角度拍摄时，防止因为外界环境的因素以及设备之间的衔接等可能因素的发生，导致固定在球机云台上处于水平位置的两台工业相机的导轨出现侧倾，导致拍摄系统产生测量上的误差。以此来解决上述背景技术中提出的问题，该测量装置可以实现安装位置到被拍摄物体间隔10米到15米的距离内，拍摄视野最大可达26米乘20米的宽度范围内。
20.所述云台控制模块采用球机云台安装在固定两台工业相机导轨下方，可以控制固定相机的导轨完成水平方向的旋转，实现需要进行拍摄测量工作的工业相机能够随着被拍摄船舶的不同位置进行不同角度的旋转，从而更加高效的实现船舶的测量工作。同时实际应用过程时，通过调整球机云台旋转来达到调整相机的拍摄测量方向，以及升降与球机云
台相连接的固定在坝区两侧岸堤上的竖直滑轨，使得工业相机能够进行水平以及左右方向的角度调整，其空间位置满足不同位置和不同来向船舶测量要求。云台控制模块主要通过控制工业相机下面的球机云台实现控制相机的旋转。
21.所述角度偏差预警模块包括一台倾角传感器并且与两台工业相机一并安装在云台上面的水平导轨上，放置于水平导轨中央，当球机云台实现水平方向的广角度旋转时，或者在户外环境，由于风雨等天气气候因素的影响，可能发生放置相机的导轨出现倾斜偏差，拍摄数据出现较大误差导致双目相机无法在水平方向进行拍摄测量，此时，倾角传感器会实时检测水平导轨是否处于0度的方向上，若出现倾斜偏差，则会在mfc软件编写的显示界面程序中发出设备倾斜预警，供工作人员进行查验，并及时调整校正云台上面的导轨的方向情况。
22.双目相机对过往船舶进行拍摄之后，拍摄数据实现现实三维世界坐标数据转化为平面二维数据坐标，传输到图像处理模块，对成像数据进行极线校正，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像素点的匹配，左右成像上的每一行像点进行对应目标点的像素匹配，最后计算目标点在左右两个图像上形成的视差，通过对每一个像点都进行视差计算，因而可以得到与原图一样大小的视差图。
23.当工业相机将拍摄的船舶图像传送至数据计算模块，当数据计算模块显示传输过来的图像成像画面，界面提供远近两种处理方法供工作人员进行船舶数据高度的计算，在拍摄较远处的船舶时，由于距离较远，不能够在终端显示界面中准确确定船舶的最高点位置，因此，通过软件编写的点击放大实现画面中点击位置的周围区域的部分放大图像，能够准确确定行驶船舶的最高点的位置，在拍摄近距离位置的船舶时，通过在终端界面中点击左相机或者右相机的实时画面中船舶最高点的位置，点击的位置即为二维平面中的一个坐标点，二维坐标点结合图像处理模块中得到的视差图，根据景深、焦距与视场角以及空间的几何关系，先通过求解双目相机与船舶的水平距离，即现实中的深度坐标再求解船舶高度，通过三角测距原理，计算出船舶到相机的距离，就得到了水平距离坐标，即可将点击的位置中的二维点坐标转换为三维坐标也就是世界坐标系中的数据坐标，得到y轴距离坐标值是这个相机与船舶最高点之间的一个垂直高度值，此时船舶整体高度值即为y轴距离坐标值加上相机安装高度值之和。
24.测高显示模块包括一台pc机，安装有mfc软件编写的船舶高度测量显示界面软件，实时显示工业相机拍摄过往船只测量高度数据画面和倾斜预警信息提示。
25.由于监控室到实际安装的距离过远，一般的传输线在远距离传输中会有较大的损耗，因此采用数据传输模块进行光纤传输，实现相机图像数据的高效率传输。
26.该系统还包括电源供应模块，所述电源供应模块为该系统提供电能。电源供应模块对两台工业相机的独立供电，工业相机采用poe传输供电，电源和数据传输分别由不同的接口进行供应，达到更高的联动效率。且由于监控室到实际安装位置的传输距离过远，由于工业相机的特性，远距离的电源供电会有一定程度的衰减，所以，供电距离相机的位置不宜超过30米以上，因此，在安装位置需要给予相机就近的独立供电支持。
27.防水防潮外壳对两台工业相机的全覆盖包装，由于工业相机的不防水不防潮的特性，定制贴合工业相机外壳的防水防潮外壳，使其适应复杂的户外工作环境，实现更高的工作效率。
28.实施例：
29.倾角传感器与两台工业相机一同固定在球机云台上方的水平导轨上，对于轴加速度传感器，当它的传感方向和重力加速度方向一致的时候，假如此时为零倾斜角度，设加速度传感器测量结果为f(θ)，θ为倾斜角度，g为重力加速度，
30.f(θ)＝gcosθ
ꢀꢀꢀ
(1)
31.对f(θ)求导得：
[0032][0033]
当θ
→
0时，
[0034][0035]
当倾斜角θ太小时，测量的分辨率就会太小，当角度足够大时精度才会上升。所以对一轴倾斜角传感器的运用是：把它的传感方向与重力加速度方向垂直时的状态设为零倾斜角度，此时倾斜角度小时测量精度高，而对于一轴加速度传感器而言，只能测一个方向的倾斜角。所以用一个两轴加速度传感器，两个传感方向皆垂直于重力加速度，当两轴倾斜角倾斜时，加速度传感器测量结果为：
[0036]
f(θ
x
)＝gsinθ
x
ꢀꢀꢀ
(4)
[0037]
f(θy)＝gsinθyꢀꢀꢀ
(5)
[0038]
最后，我们利用θ
x
和θy求出倾斜角θ，首先定义两组三轴向量：[x，y，z]为参考o倾斜向量，[u，v，r]为倾斜后的向量。如图2所示，设向量[z，y，z]先绕y轴倾斜，再绕x轴倾斜，所以从[x，y，z]到[u，v，r]的转换为：
[0039][0040]
计算得到：
[0041][0042]
设x，y为水平方向，z为垂直方向。(x，y，z)＝(0，0，1)于是便有：
[0043]
u＝sinθ’x
ꢀꢀꢀ
(8)
[0044]
v＝sinθ’y cosθ
x
ꢀꢀꢀ
(9)
[0045]
r＝cosθ’x cosθ’y
ꢀꢀꢀ
(10)
[0046]
此时u＝kf(θx)＝kgsinθx，v＝kf(θy)＝kgsinθy，所以：
[0047]
θ
x
＝θ’x
ꢀꢀꢀ
(11)
[0048]
sinθy＝sinθ’y cosθ’x
ꢀꢀꢀ
(12)
[0049]
而传感器实际倾斜角为：
[0050][0051]
只要得出两轴加速度传感器测量结果f(θx)和f(θy)就可以计算出θx和θy，进而知道总的倾斜度。并在程序中实现倾斜检测发生时，在终端显示界面提示倾斜信息。
[0052]
构建双目相机测高系统硬件数据传输模块
[0053]
在两台工业相机组成的拍摄系统进行不断捕获图像数据的同时，通过工业相机的数据传输线通过光纤传输到远距离外的坝区监控室中的pc机中，在这一传输的过程中，首先是电信号经由电光转换通过光纤进行传输，到达接收端后，再由光电转换重新转换回电信号，从而完成这一传输工作。
[0054]
以下结合附图对测量系统做进一步的描述，双目相机首先根据坐标系的转换，得到相机的标定参数，完成相机标定。对过往船舶进行拍摄之后，拍摄数据实现三维世界数据坐标转化为平面二维数据坐标，传输到电脑终端，对成像数据进行非线性校正，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像素点的匹配，左右成像上的每一行像点进行对应目标点的像素匹配，最后计算目标点在左右两个图像上形成的视差，通过对每一个像点都进行视差计算，因而可以得到和原图一样大小的视差图。并对视差图进行优化处理。当在电脑终端显示传输过来的图像成像画面，通过两种方式进行船舶数据高度的计算，在拍摄较远处的船舶时，由于距离较远，不能够在终端显示界面中准确确定船舶的最高点位置，因此，通过软件编写的点击放大实现画面中点击位置的周围区域的部分放大图像，能够准确确定行驶船舶的最高点的位置，从而实现准确确定最高点位置。在拍摄近距离位置的船舶时，通过在终端界面中点击左相机或者右相机的实时画面中船舶最高点的位置。点击的位置即为二维平面中的一个坐标点，二维坐标点结合图像处理模块中得到的视差图，利用物体在平面像素点个数与成像的像素点个数的比例关系，利用视场角θ和三角函数关系式求解水平距离。即求解双目相机与船舶的水平距离，即现实中的深度坐标再求解船舶高度，即可将点击的位置中的二维点坐标转换为三维坐标也就是世界坐标系中的数据坐标，也得到y轴距离坐标也就是船舶垂直高度。
[0055]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。