一种船舶GPS定位核查方法及船舶GPS交互系统

摘要

本发明涉及一种船舶GPS定位核查方法及船舶GPS交互系统，方法截取视频图像与背景图像做差分运算并进行二值化后使用区域生长算法得到船舶目标，并对识别到的船舶目标进行锁定及GPS定位核查；交互系统包括与船舶实时信息数据库通信连接的船舶定位终端和包括采用了所述方法的处理分析模块及与所述处理分析模块连接的摄像机、显示模块和通信模块的船舶GPS定位核查终端。本发明能获得连续的船舶视频，实现对航道全天候监控，能GPS技术排查未安装或者是安装却未开启GPS系统的船只，对船舶进行实时位置锁定，保证航道通畅及船舶行驶安全，减少人工操作，实现自动化管理，便于船舶的数字化管理，使管理人员便于了解船舶信息。

说明书

技术领域

本发明属于电通信技术；测试电路或测试设备；用于检测、指示、或报告故障或事故的电路或设备的技术领域，特别涉及一种可以通过计算机编程及利用GPS技术实现船舶定位及船舶位置信息实时交互的船舶GPS定位核查方法及船舶GPS交互系统。

背景技术

随着电子行业飞速发展，电子技术更新不断加快，各种传感器、摄像头和采集器等被大量应用在电子技术的研发和使用中，且由于各行业对设备自动化和功能数字化的要求提高，使得传感器、摄像头和采集器等电子器件的数量不断加大、功能不断增强。

监控系统不断发展，视频监控系统已从人工控制向智能控制迅速升级，无人值守的船舶动态视频监控系统也随之诞生，且在现有的航道视频监控系统中已进行了推广应用，同时，现在港航系统都要求船舶安装GPS系统，但对于船舶是否安装GPS系统或者安装了是否开启比较难判断。现有的船舶视频监控的过程中，往往只能锁定某条船只的实时航行图，并没有很好的利用GPS系统以确定船只的实际位置，无法及时的确定船舶是否按照规定的航线行驶，亦无法在船舶发生险情时及时定位船舶位置进行施救。从长远的角度来说，现有的船舶视频监控系统有其实用的地方，也存在着无法满足现在对船舶实时定位的要求的缺陷。

发明内容

本发明解决的技术问题是，由于现有技术中，现有的船舶视频监控的过程中，往往功能点都在于锁定某条船只的实时航行图，对于船舶是否安装GPS系统或者安装了是否开启比较难判断，而导致的需要利用大量的人力对于船只精确监控的同时还要排查船只是否使用或开启GPS系统，可能还需要逐一排找发生险情的船只，无法保证工作效率，亦无法满足现在对船舶实时定位的要求的问题，进而提供了一种优化的船舶GPS定位核查方法及船舶GPS交互系统。

本发明所采用的技术方案是，一种船舶GPS定位核查方法，所述定位核查方法包括以下步骤：

步骤1.1：利用摄像机获得全景视频，取最近T时间内全景视频所有帧图像的各像素点的平均值集合作为背景图像A，置为灰度图像；

步骤1.2：取当前时间点的视频图像B，置为灰度图像；将视频图像B与背景图像A做差分运算，比较差值，差值记为M；

步骤1.3：对视频图像B和背景图像A的差分图像C进行二值化，取M与阈值Q比较，若M大于阈值Q则设差分图像C灰度值为255，否则设其灰度值为0，其中8≤Q≤80；

步骤1.4：使用区域生长算法，扫描步骤1.4所得的二值化图像，若有相邻点的像素值为255，则合并成一个区域；

步骤1.5：获取每一个区域的上、下、左、右四个端点组成一矩形框，记为船舶X；

步骤1.6：通过与船舶实时信息数据库中船舶X的理论数据进行比对，判断步骤1.5得到的矩形框是否能够符合船舶X运动规律的特点，若满足则进行下一步，若不满足则作为干扰目标去除，重复步骤1.1；

步骤1.7：对于检测到并判断符合船舶运动规律的船舶X利用目标锁定方法进行锁定，并将摄像机的坐标进行世界坐标转换，转换为经纬度坐标N；

步骤1.8：将经纬度坐标N与船舶实时信息数据库库中船舶X的标定经纬度坐标N’进行比较，记差值为n，若0≤n≤0.001°，则认为识别出来的船舶X就是该信息库中的这条船舶，将数据库中的船名显示在船舶X上；

步骤1.9：船舶X的GPS定位核查结束后，进行下一只船只的核查。

优选地，步骤1.7所述的目标锁定方法包括以下步骤：

步骤2.1：将检测到的船舶X图像写入有效目标队列L；

步骤2.2：遍历后续帧，检测到的船舶Y与原有效目标队列L中的船舶X进行配对比较，若配对成功则进行下一步，若配对不成功则在有效目标队列L中增加新目标Y；

步骤2.3：有效目标帧数加一，并在目标框上标注序号，重复步骤2.2。

优选地，所述阈值Q取25。

优选地，所述T取600s。

优选地，所述n取0.00027°。

优选地，所述配对比较包括以下步骤：

步骤3.1：将新检测到的船舶Y与原有效目标队列L中的船舶X的上、下、左、右四个端点值比较得差值，取差值的绝对值；

步骤3.2：当左端点差值小于a且下端点差值小于b，或右端点差值小于c且上端点差值小于d时配对成功，否则为新目标Y；其中，15＜a＜45，1＜b＜9，15＜c＜45，15＜d＜45。

优选地，所述a取30，b取5，c取30，d取30。

优选地，所述船舶GPS定位核查方法还包括数据库管理方法，所述数据库管理方法包括以下步骤：

步骤4.1：筛选被锁定的船舶的视频图像；

步骤4.2：将比对的结果显示在目标船舶上；

步骤4.3：建立船舶进入和离开监控范围的时间及运动方向，储存入数据库；

步骤4.4：调用数据库查询。

优选地，一种采用所述船舶GPS定位核查方法的船舶GPS交互系统，所述船舶GPS交互系统包括船舶定位终端和船舶GPS定位核查终端，所述船舶定位终端和船舶GPS定位核查终端分别与船舶实时信息数据库通信连接；所述船舶GPS定位核查终端包括采用了所述船舶GPS定位核查方法的处理分析模块及与所述处理分析模块连接的摄像机、显示模块和通信模块。

本发明提供了一种优化的船舶GPS定位核查方法及采用了船舶GPS定位核查方法的船舶GPS交互系统，通过定位核查方法、目标锁定方法、配对比较和数据库管理方法的配合，使得在监控系统的配合下，船舶GPS定位核查终端不仅能获得连续的船舶视频，实现对航道的全天候监控，更能通过与船舶GPS交互系统采用GPS技术排查未安装或者是安装却未开启GPS系统的船只，能对船舶进行实时的位置锁定，一旦船舶发生危险亦能在第一时间赶赴现场进行救援，更好的保证了航道的通畅及船舶的行驶安全，减少了人工操作，实现了自动化管理，且将监控得到的数据信息等储存入数据库，便于船舶的数字化管理，能够在有需要时及时调用，并能够帮助管理人员更多的了解关于船舶的信息。

附图说明

图1为本发明中船舶GPS定位核查方法的流程图；

图2为本发明中目标锁定方法的流程图；

图3为本发明中配对比较过程的流程图；

图4为本发明中数据库管理方法的流程图；

图5为本发明中船舶GPS交互系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细描述，但本发明的保护范围并不限于此。

如图所示，一种船舶GPS定位核查方法，所述定位核查方法包括以下步骤：

步骤1.1：利用摄像机获得全景视频，取最近T时间内全景视频所有帧图像的各像素点的平均值集合作为背景图像A，置为灰度图像；

步骤1.2：取当前时间点的视频图像B，置为灰度图像；将视频图像B与背景图像A做差分运算，比较差值，差值记为M；

步骤1.3：对视频图像B和背景图像A的差分图像C进行二值化，取M与阈值Q比较，若M大于阈值Q则设差分图像C灰度值为255，否则设其灰度值为0，其中8≤Q≤80；

步骤1.4：使用区域生长算法，扫描步骤1.4所得的二值化图像，若有相邻点的像素值为255，则合并成一个区域；

步骤1.5：获取每一个区域的上、下、左、右四个端点组成一矩形框，记为船舶X；

步骤1.6：通过与船舶实时信息数据库中船舶X的理论数据进行比对，判断步骤1.5得到的矩形框是否能够符合船舶X运动规律的特点，若满足则进行下一步，若不满足则作为干扰目标去除，重复步骤1.1；

步骤1.7：对于检测到并判断符合船舶运动规律的船舶X利用目标锁定方法进行锁定，并将摄像机的坐标进行世界坐标转换，转换为经纬度坐标N；

步骤1.8：将经纬度坐标N与船舶实时信息数据库库中船舶X的标定经纬度坐标N’进行比较，记差值为n，若0≤n≤0.001°，则认为识别出来的船舶X就是该信息库中的这条船舶，将数据库中的船名显示在船舶X上；

步骤1.9：船舶X的GPS定位核查结束后，进行下一只船只的核查。

本发明中，定位核查方法主要目的为对船舶轮廓进行捕捉并核查定位。本方法主要流程为：通过摄像机获得航道的全景视频，并取最近T时间内全景视频所有帧图像的各像素点的平均值集合作为背景图像A，置为灰度图像；此时的背景图像A由于取了最近T时间内的全景视频的所有帧图像来做平均值，当画面是无船的情况下，背景图像A为普通的航道全景，当画面是有船的情况下，由于船舶是一直在运动的，故取平均值时背景图像A仍为普通的航道全景；取当前时间点的视频图像B，此时的视频图像B也都是彩色图像，将其置为灰度图像，与背景图像A做差分运算处理；将差分运算处理得到的差值M不断与阈值Q进行比较，一旦发现差值M大于阈值Q则表示有目标船舶X驶入航道，故对当前的差分图像C进行设置其灰度值为255，即全显示白色的二值化处理，并将差值M未大于阈值Q的差分图像C进行设置其灰度值为0，即全显示黑色的二值化处理；理论上，阈值Q是一个范围，在可变范围内随着天气的变化而实时调整，当天气好的时候阈值会自动调整为大于天气差时取得的阈值。

使用区域生长算法，扫描所得的二值化图像，若有相邻点的像素值为255，则合并成一个区域；区域生长算法后，获取每一个区域的上、下、左、右四个端点组成一矩形框，记为船舶X；在得到船舶X后，需要通过与船舶实时信息数据库中船舶X的理论数据进行比对，判断由区域生长算法得到的矩形框是否能够符合船舶X运动规律的特点，如果无法满足就当做干扰目标去除，此处比对的控制由学习获得。

本发明中的阈值Q一般在一个范围内选取，根据学习及计算获得，本发明的实施例中优选为25。

本发明中以T时间为单位动态实时更新视频画面，根据实际的航道状况及分析计算获得，本发明的实施例中优选为600s。

本发明中的图像在截取后都设置为灰度图像。灰度即使用黑色调表示物体，从0%（白色）到100%（黑色）表现物体的亮度值。 

同时，一幅图像包括目标物体、背景还有噪声，要想从多值的数字图像中直接提取出目标物体，最常用的方法就是设定一个阈值Q，用Q将图像的数据分成两部分：大于Q的像素群和小于Q的像素群，此为图像的二值化（BINARIZATION）。图像的二值化，就是将图像上的像素点的灰度值设置为0或255，也就是将整个图像呈现出明显的只有黑和白的视觉效果。而一般情况下，物体的边缘会呈现灰度的不连续性，故可以通过区域生长算法合并分割像素群后的像素群周围的一些散落的与目标的灰度相同的区域，最终获得一个接近矩形的目标框，即为目标。

本发明通过定位核查方法，利用摄像机获取航道全景图像，利用差分算法对船舶轮廓进行捕捉，当发现目标船舶X后在某一发现目标的范围内对目标进行比对，保证目标不丢失，同时及时对于检测到并判断符合船舶运动规律的船舶X利用目标锁定方法进行锁定，并将摄像机的坐标进行世界坐标转换，转换为监控到的船舶X的经纬度坐标N，将经纬度坐标N与船舶实时信息数据库库中船舶X的标定经纬度坐标N’进行比较，如果经纬度在一定偏差范围内，则认为识别出来的船舶X就是该信息库中的这条船舶，将数据库中的船名显示在船舶X上，即完成了一船舶X的定位及核查，结束后，重复本方法流程，继续下一艘船舶的定位核查。

本发明中的监控到的船舶X的经纬度坐标N与船舶实时信息数据库库中船舶X的标定经纬度坐标N’的差值n一般在一个范围内选取，参照实际的世界地图的经纬度范围，根据学习及计算获得，本发明的实施例中差值n优选为0.00027°。

本发明通过定位核查方法实现了对航道的全天候监控，及时核查船舶是否按照要求安装并启用了GPS系统，并且定位船舶的实际位置，有偏离的可以予以提醒，有安全隐患或故障的可以及时给予解决，保障了航道的通畅及船舶的安全，减少了人工操作，实现了自动化管理。

步骤1.7所述的目标锁定方法包括以下步骤：

步骤2.1：将检测到的船舶X图像写入有效目标队列L；

步骤2.2：遍历后续帧，检测到的船舶Y与原有效目标队列L中的船舶X进行配对比较，若配对成功则进行下一步，若配对不成功则在有效目标队列L中增加新目标Y；

步骤2.3：有效目标帧数加一，并在目标框上标注序号，重复步骤2.2。

本发明中，目标锁定方法主要用于获得连续的船舶图像，并且保证在存在有多艘船舶时船舶的序号不出现混淆。本方法主要流程为：在当前已经识别到目标的范围内进行实时的图像截取，截取第一帧的图像，并在图像中检测目标，检测到目标则将检测到的目标图像写入有效目标队列L，然后截取并检测下一帧的图像，将截取的目标与原有效队列L中的已有目标进行配对比较，当配对不成功时表示这是一艘新加入的目标船舶，故另外在有效目标队列L里增加目标，当配对成功时则将有效目标帧数加一，并在目标框上标注序号。例如，一直检索到同一艘船1，则该队列里所有的目标框上标注的都是1，有效帧数为配对成功的次数，意为锁定船1；当监控范围内出现船2时，由于船1和船2的数据无法配对，故将船2增加为另一目标，在目标框上标注2，后检测到一次2则继续在目标框上标注2，有效帧数为配对成功的次数，意为锁定船2。

目标锁定方法是定位核查方法中的一部分，只有目标锁定方法正常工作才能切实保证定位核查方法的顺利进行。

所述配对比较包括以下步骤：

步骤3.1：将新检测到的船舶Y与原有效目标队列L中的船舶X的上、下、左、右四个端点值比较得差值，取差值的绝对值；

步骤3.2：当左端点差值小于a且下端点差值小于b，或右端点差值小于c且上端点差值小于d时配对成功，否则为新目标Y；其中，15＜a＜45，1＜b＜9，15＜c＜45，15＜d＜45。

本发明中，配对比较主要用于比较新检测到的目标与原有效目标队列L中的目标是否配对以决定是否要往原有效目标队列L中加入新的目标。本方法主要流程为：由上述方法可知，本发明的主要截取目标的方式为获得目标所在的被二值化的目标框，根据目标框的走向来确定目标的走向，故通过比较新检测到的目标与原有效目标队列L中的目标的上、下、左、右四个端点值，得到差值，取差值的绝对值；当左端点的差值小于某值a且下端点的差值小于某值b，或右端点的差值小于某值c且上端点的差值小于d时则配对成功，视为是同一个现有目标的正常运动框；当不满足上述的比较条件时，则视为是一个新出现在摄像机中的目标，即配对不成功。

本配对比较的实施例中，a值取30，b值取5，c值取30，d值取30，以上各值可以通过计算学习确定。

本发明通过配对比较判断出现在定位核查的过程中的船舶目标是否为现有的船舶目标，意在控制连续的目标，尤其在监控范围内有多艘船舶时，本方法可以保证对船舶的有效跟踪，保证在跟踪过程中能够锁定每一艘船，并且在跟踪过程中监控范围里出现新进目标船舶时能快速将其置为新目标实施跟踪，切实了解每一艘船不同的运动轨迹，保证不会在监控范围内出现船舶跟丢的情况，亦能保证船只更为安全的航行，不偏离航道。

配对比较是目标锁定方法中的一部分，只有配对比较正常进行才能切实保证目标锁定方法的顺利进行。

所述船舶GPS定位核查方法还包括数据库管理方法，所述数据库管理方法包括以下步骤：

步骤4.1：筛选被锁定的船舶的视频图像；

步骤4.2：将比对的结果显示在目标船舶上；

步骤4.3：建立船舶进入和离开监控范围的时间及运动方向，储存入数据库；

步骤4.4：调用数据库查询。

本发明中，数据库管理方法主要用于截取带有船名号的图片，确认船舶数据信息，建立船舶进入和离开监控点的时间以及运动方向等信息，储存入数据库。本方法主要流程为：在通过上述步骤得到的有效队列中筛选被跟踪并锁定的船舶的视频图像，截取带有船名号的图像并确认船舶编号和船名，甚至衍生出更多信息，根据船舶编号和船名的信息区别建立出船舶进入和离开监控范围的时间及运动方向等信息，并储存入数据库，在需要使用数据库时调用数据库进行查询作业。

本发明通过数据库管理方法将船舶的数据整理入库，包括位置信息，并在需要的时候可以做到及时调阅，可以及时了解船只的情况，更便于船舶的管理，并帮助管理人员更多的了解关于船舶的信息，更适用于大批量的船舶的管理工作，提高效率，降低差错。

本发明技术中还包括了一种采用所述船舶GPS定位核查方法的船舶GPS交互系统，所述船舶GPS交互系统包括船舶定位终端和船舶GPS定位核查终端，所述船舶定位终端和船舶GPS定位核查终端分别与船舶实时信息数据库通信连接；所述船舶GPS定位核查终端包括采用了所述船舶GPS定位核查方法的处理分析模块及与所述处理分析模块连接的摄像机、显示模块和通信模块。

本发明中，采用所述船舶GPS定位核查方法的船舶GPS交互系统包括分别与船舶实时信息数据库通信连接的船舶定位终端和船舶GPS定位核查终端。所述船舶定位终端设于不同的船舶上，用于实时开启以定位船舶的位置，并将船舶的定位信息通过通信连接传输到船舶实时信息数据库；所述船舶GPS定位核查终端包括处理分析模块及与所述处理分析模块连接的摄像机、显示模块和通信模块，上述处理分析模块中则是使用了船舶GPS定位核查方法，所述处理分析模块利用连接的摄像机取得航道的全景视频，通过显示模块显示实时的船舶图像及信息，通过通信模块与船舶实时信息数据库交换数据，完成船舶信息的交互。

本发明解决了由于现有技术中，现有的船舶视频监控的过程中，往往功能点都在于锁定某条船只的实时航行图，对于船舶是否安装GPS系统或者安装了是否开启比较难判断，而导致的需要利用大量的人力对于船只精确监控的同时还要排查船只是否使用或开启GPS系统，可能还需要逐一排找发生险情的船只，无法保证工作效率，亦无法满足现在对船舶实时定位的要求的问题。

本发明通过定位核查方法、目标锁定方法、配对比较和数据库管理方法的配合，使得在监控系统的配合下，船舶GPS定位核查终端不仅能获得连续的船舶视频，实现对航道的全天候监控，不仅能获得连续的船舶视频，实现对航道的全天候监控，更能通过与船舶GPS交互系统采用GPS技术排查未安装或者是安装却未开启GPS系统的船只，采用本系统对船舶进行监控识别，并与数据库中的GPS信息进行比对，就能非常方便的知道船舶是否安装了GPS系统，没有安装可马上派巡逻艇进行拦截，能对船舶进行实时的位置锁定，一旦船舶发生危险亦能在第一时间赶赴现场进行救援，更好的保证了航道的通畅及船舶的行驶安全，减少了人工操作，实现了自动化管理，且将监控得到的数据信息等储存入数据库，便于船舶的数字化管理，能够在有需要时及时调用，并能够帮助管理人员更多的了解关于船舶的信息。