多元聯(lián)合智能水域監(jiān)測系統(tǒng)

胡從宜 崔寧豪 陳思宇

摘 要：隨著水上交通的日益發(fā)展，水域監(jiān)測日益成為海上交通安全中的重要一部分。本文構(gòu)建一種通過雷達(dá)、攝像機等設(shè)備，對水域船舶的交通進(jìn)行管制，實時提供船舶交通組織、助航和信息服務(wù)的監(jiān)視系統(tǒng)。本項目基于互聯(lián)網(wǎng)+理念，將雷達(dá)、船舶自識別系統(tǒng)AIS和攝像機三者數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，構(gòu)造一種水域監(jiān)測多元聯(lián)合感知系統(tǒng)。通過對結(jié)果分析，該系統(tǒng)能自動跟蹤目標(biāo)物體，有效監(jiān)測水域情況。

關(guān)鍵詞：水域監(jiān)測；互聯(lián)網(wǎng)+；多元聯(lián)合感知；自動跟蹤

1 緒論

我國有遼闊的海岸線，并有大量湖泊、河流，對水域進(jìn)行監(jiān)控具有重要意義。傳統(tǒng)的攝像頭，只能對目標(biāo)區(qū)域或者目標(biāo)區(qū)域周圍進(jìn)行監(jiān)控，在復(fù)雜水域環(huán)境下無法實現(xiàn)小目標(biāo)的檢測識別和跟蹤、數(shù)據(jù)的融合記錄和回放以及自動跟蹤報警的功能。其缺陷是范圍較大，無法直接發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，且不能對目標(biāo)物體進(jìn)行針檢查對跟蹤。所以急需一個能夠自動跟蹤異?，F(xiàn)象的監(jiān)控系統(tǒng)來進(jìn)行水域監(jiān)視，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象后能夠發(fā)生報警，同時控制機構(gòu)通過控制轉(zhuǎn)臺來旋轉(zhuǎn)攝像頭進(jìn)行追蹤。轉(zhuǎn)臺不僅要達(dá)到功能和技術(shù)指標(biāo)要求，而且要求結(jié)構(gòu)上簡單、性能可靠和方便運輸。[1]

2 項目總體方案

本水域監(jiān)視系統(tǒng)為了將傳統(tǒng)分立的雷達(dá)系統(tǒng)、AIS系統(tǒng)及攝像機三者關(guān)聯(lián)，共四個模塊：伺服轉(zhuǎn)臺對CCD攝像頭的光學(xué)引導(dǎo)模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、圖像傳輸及處理模塊、多目標(biāo)綜合處理及顯示模塊。

3 模塊具體功能

（1）雷達(dá)發(fā)射電磁波對目標(biāo)進(jìn)行照射并接收其回波，由此獲得目標(biāo)至電磁波發(fā)射點的距離、距離變化率（徑向速度）、方位、高度等信息。本雷達(dá)系統(tǒng)采用目標(biāo)物體檢測與識別一體化處理，可以有效辨別目標(biāo)類型，減少干擾等?！澳繕?biāo)識別是利用了多個方面的特征信息，從多個角度去分析雷達(dá)觀測回波，分辨出更多的目標(biāo)類型，因此，識別是更精細(xì)化的檢測?！盵2]

（2）船舶自動識別系統(tǒng)，是指一種應(yīng)用于船岸、船舶之間的海事安全與通信的新型助航系統(tǒng)，常由VHF通信機、GPS定位儀和與船載顯示器及傳感器等相連接的通信控制器組成。“AIS采用專用的國際頻道，按規(guī)定的通信方式和運行模式，在其信號覆蓋（VHF）區(qū)域內(nèi)，自動向鄰近的岸臺和其他船舶播發(fā)本船的呼號和船名、船長和船寬、船舶與貨物類型、船位、航向和航速等航行狀態(tài)及安全信息。”[3]

（3）系統(tǒng)主要采用STM32作為控制器，完成電機驅(qū)動及圖像采集和圖像處理。采集圖像并供給 STM32 完成圖像的處理，確定目標(biāo)質(zhì)心當(dāng)前位置，然后由是STM32向電機發(fā)送控制量，讓雙軸電動云臺帶動攝像頭。

（4）采集部分主要包括 LM1881N 發(fā)送的同步脈沖信的捕獲、TLC5510 轉(zhuǎn)換信息的存儲等。為了保證系統(tǒng)的實時性，用雙數(shù)組交替進(jìn)行圖像存儲和供給圖像處理，而上一次采集圖像的數(shù)組則再進(jìn)行圖像處理。為了能夠保證整個采集部分的程序能夠穩(wěn)定運行，就要不斷的修改兩個數(shù)組的標(biāo)志位，從而實時采集所需的圖像。為消除混疊，可采用低通濾波器濾掉視頻圖像頻譜的高頻成分，使采樣頻率高于信號最高頻率的兩倍。[4]

（5）目標(biāo)捕獲是為了捕捉到與背景中相異的部分，分割灰度值跳躍較大的區(qū)域。具體方法有很多，用得較多的有幀差法、光流法、背景減除等。[5]本文選用自適應(yīng)背景減除法，第 k 幀灰度圖像中的數(shù)值 I（k，x，y）和實時背景更新的灰度圖像中的數(shù)值B（k，x，y）的差值，是一個二值差分函數(shù)M（k，x，y），δ是背景和跟蹤目標(biāo)之間灰度值之差的臨界值，在本文中 B（k，x，y）為固定值。M（k，x，y）=1 時稱為活動區(qū)域，M（k，x，y）=0 稱為非活動區(qū)域。

（6）運動跟蹤即不斷的提取目標(biāo)在背景中輪廓邊緣位置，并預(yù)測和更改機動目標(biāo)質(zhì)心在所采集的當(dāng)前幀圖像中的坐標(biāo)位置，得以穩(wěn)定準(zhǔn)確的跟蹤上目標(biāo)。以目標(biāo)的質(zhì)心作為跟蹤的主要參數(shù)，能夠避免因為目標(biāo)運動過快，造成部分區(qū)域出現(xiàn)空洞的現(xiàn)象，而影響質(zhì)心的檢測。選用中值濾波算法對當(dāng)前幀圖像進(jìn)行濾波，去除壞點的影響，修正目標(biāo)質(zhì)心坐標(biāo)。

4 項目特色與創(chuàng)新

多目標(biāo)綜合處理與顯示模塊綜合雷達(dá)系統(tǒng)、船舶自識別系統(tǒng)AIS、光學(xué)引導(dǎo)CCD攝像頭三種數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了水域監(jiān)測系統(tǒng)對小目標(biāo)的檢測識別和跟蹤、數(shù)據(jù)的融合記錄和回收以及自動跟蹤報警的多重功能，通過對結(jié)果分析，該系統(tǒng)能有效監(jiān)測水域情況。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫久榮，王大明，李寒.基于STM32的FOD雷達(dá)轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機與數(shù)字工程，2015，43（12）：2288-2290.

[2]李明.雷達(dá)目標(biāo)識別技術(shù)研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢分析[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2010，32（10）：2-8.

[3]谷溪，李軍.船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）的研究和應(yīng)用[J].南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2003，2（1）：25-30.

[4]李洪霞，潘偉，遲學(xué)芬，吳偉剛.TMS320DM642對視頻圖像欠采樣壓縮處理的實現(xiàn)[J].吉林大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版），2008（02）：147-151.

[5]吳永浩，華云松，尚亮.基于OpenCV的運動目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)研究[J].電子測試，2010（08）：21-25.

作者簡介：胡從宜（1986-），男，安徽安慶人，工學(xué)學(xué)士，助理工程師，研究方向：伺服控制；陳思宇（1996-），女，安徽滁州人，安徽大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院在讀本科生。

通訊作者：崔寧豪（1993-），男，河南周口人，安徽大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院在讀研究生，研究方向：伺服系統(tǒng)控制。