(1.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050；2.海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖北武漢 430033)

在港口、碼頭等重要監(jiān)控區(qū)域，船舶航行及停泊時的安全問題日益突出。水面運(yùn)動目標(biāo)的有效視頻探測依賴于各種攝像機(jī)，可見光、微光、紅外等探測技術(shù)均有其局限性。多譜探測是將各種探測手段進(jìn)行有效的融合，充分發(fā)揮各種方式自身的優(yōu)勢，最終形成全天候目標(biāo)探測系統(tǒng)。全天候多譜探測系統(tǒng)需要能夠?qū)崟r對接近目標(biāo)進(jìn)行預(yù)警和跟蹤，預(yù)警監(jiān)控要求為：

(1)能夠有效地監(jiān)視船舶所在鄰近海面和低空，實(shí)時掌控范圍內(nèi)的目標(biāo)活動態(tài)勢，并對運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行識別。

(2)能夠在監(jiān)控場景中設(shè)置各種警戒事件規(guī)則，發(fā)出報警的同時自動記錄并顯示報警的時間地點(diǎn)數(shù)據(jù)。

(3)實(shí)施報警時的監(jiān)控圖片抓拍，并對監(jiān)控場景中的運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時跟蹤，并繪制運(yùn)動軌跡。

(4)支持系統(tǒng)自動選定目標(biāo)進(jìn)行跟蹤、人工指定目標(biāo)進(jìn)行跟蹤、手動跟蹤三種模式；收到報警信息后聯(lián)動短信發(fā)送功能，使值班人員能夠及時獲取安全警報信息，以進(jìn)行快速的響應(yīng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

預(yù)警跟蹤系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際預(yù)警范圍的需要，對以船舶全景及船橋?yàn)橹行牡木浞秶M(jìn)行了定義：①有效警戒范圍(可見光區(qū)設(shè)備)，半徑為5Km范圍海域；②有效警戒范圍(微光夜視設(shè)備)半徑為3Km范圍海域；③有效警戒范圍(紅外設(shè)備)半徑為2Km范圍海域。

預(yù)警系統(tǒng)在船舶上布防的范圍如圖1，攝像機(jī)通過適當(dāng)布置可以形成一個環(huán)形的布防區(qū)域。如圖1，通過8臺不同角度的攝像機(jī)就能夠?qū)崿F(xiàn)對船舶周邊的環(huán)形區(qū)域進(jìn)行覆蓋。

圖1 船舶防控區(qū)域

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 攝像機(jī)

攝像機(jī)的選擇和配置可根據(jù)具體環(huán)境采用可見光攝像機(jī)、紅外攝像機(jī)、微光攝像機(jī)進(jìn)行綜合配置。

2.2 預(yù)警一體機(jī)

預(yù)警一體機(jī)的外部接口包括：(1)五路模擬視頻輸入，可同時對四路視頻進(jìn)行處理，另一路接跟蹤攝像機(jī)圖像；(2)一路跟蹤云臺控制串口；(3)兩路報警設(shè)備USB口；(4)8路網(wǎng)絡(luò)接口，用于系統(tǒng)擴(kuò)展以及網(wǎng)絡(luò)視頻圖像的接入，見圖2。

圖2 預(yù)警一體機(jī)設(shè)計(jì)

其中，云臺控制串口用于將控制指令發(fā)送至跟蹤攝像機(jī)云臺，當(dāng)目標(biāo)檢測算法檢測到運(yùn)動目標(biāo)時，將會依據(jù)目標(biāo)的坐標(biāo)對跟蹤攝像機(jī)進(jìn)行控制，使得跟蹤攝像機(jī)始終對準(zhǔn)運(yùn)動的目標(biāo)，并拉近畫面來顯示目標(biāo)的細(xì)節(jié)。兩路報警設(shè)備USB接口可以用來接入警燈等報警設(shè)備，將預(yù)警信息發(fā)布出來。網(wǎng)絡(luò)接口用于支持網(wǎng)絡(luò)視頻圖像的接入，使得預(yù)警系統(tǒng)能夠?qū)D像接入更加靈活。

預(yù)警一體機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3，內(nèi)部包括圖像編解碼卡和交換機(jī)，主要支持圖像的輸入輸出。圖像采集卡用于支持模擬圖像的輸入，視頻服務(wù)器(DVS)用于支持網(wǎng)絡(luò)圖像的輸入，將全景攝像機(jī)的圖像采集到內(nèi)存之后，使用前述的目標(biāo)檢測算法進(jìn)行目標(biāo)檢測。

圖3 預(yù)警一體機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

依據(jù)信息流向進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先用前端探測器獲取視頻信息，用目標(biāo)檢測算法處理圖像并輸出目標(biāo)信息和預(yù)警信息，再結(jié)合目標(biāo)的特征信息[1]依據(jù)處置方案進(jìn)行處理。

傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)主要采用攝像機(jī)加硬盤錄像機(jī)的結(jié)構(gòu)，需要值班人員目視查看，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時兼容了傳統(tǒng)監(jiān)視系統(tǒng)，可直接將原有的視頻圖像接入系統(tǒng)，進(jìn)而使用目標(biāo)檢測跟蹤算法[2]。通過對目標(biāo)運(yùn)動的檢測，結(jié)合預(yù)先設(shè)定的警戒規(guī)則，得出目標(biāo)活動信息和預(yù)警信息。然后將預(yù)警信息和目標(biāo)活動信息傳遞給報警聯(lián)動部分，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的聯(lián)動處置預(yù)案方法來進(jìn)行相應(yīng)的處置，并發(fā)出控制信息，使跟蹤攝像機(jī)隨動跟蹤目標(biāo)。系統(tǒng)信息流程如圖4所示。

圖4 預(yù)警一體機(jī)信息流程

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖5，視頻信號經(jīng)圖像編解碼單元后，由拼接模塊將多路圖像拼成四畫面顯示，同時圖像進(jìn)入智能分析單元。此模塊包含了圖像去噪算法[3]的實(shí)現(xiàn)和目標(biāo)檢測算法的實(shí)現(xiàn)，之后進(jìn)入中心管理服務(wù)模塊。管理模塊將目標(biāo)信息進(jìn)行分發(fā)，報警服務(wù)組件就能夠啟動報警聯(lián)動裝置，目標(biāo)服務(wù)組件也將進(jìn)行目標(biāo)跟蹤的控制以及為實(shí)時軌跡的顯示提供目標(biāo)信息。

對于圖5當(dāng)中的目標(biāo)服務(wù)組件以及目標(biāo)跟蹤模塊，圖6給出了其更詳細(xì)的邏輯結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)過程中，將目標(biāo)獲取部分、坐標(biāo)變換部分和實(shí)際的云臺控制驅(qū)動部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行分塊，實(shí)現(xiàn)不同的功能模塊，以利于邏輯結(jié)構(gòu)的清晰。

對于圖5當(dāng)中的軌跡顯示，根據(jù)監(jiān)控圖像根據(jù)目標(biāo)檢測算法所提供的目標(biāo)坐標(biāo)在電子地圖畫面窗口進(jìn)行實(shí)時繪制，俯視圖根據(jù)投影變換[4]實(shí)現(xiàn)。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

船舶周邊環(huán)形帶的有效范圍可以通過探測器焦距、架設(shè)高度和角度計(jì)算出來。以成像之后目標(biāo)在圖像中占由100像素點(diǎn)為例，根據(jù)攝像機(jī)的焦距、需要探測的距離，可以換算出所能捕獲的目標(biāo)最小尺寸。小目標(biāo)則占有像素在10個以內(nèi)，也可以物體尺寸換算出系統(tǒng)所能夠預(yù)警的距離，見表1。

圖5 預(yù)警一體機(jī)軟件結(jié)構(gòu)

圖6 跟蹤模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖像中目標(biāo)尺寸(像素)物像距離(米)攝像頭參數(shù)(毫米)實(shí)際尺寸(平方米)10×10100焦距3.336.7310×10100焦距86.2510×10200焦距3.3146.9210×10200焦距825.00

依據(jù)布防的規(guī)?？梢赃M(jìn)行探測器類型的選擇和安裝密度的控制。在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)測試中，可采用船舶單側(cè)的布防，此方法可實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的性能測試。

在完成攝像機(jī)設(shè)置后，可以使用目標(biāo)檢測算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。主要預(yù)警對象的設(shè)計(jì)如下：

(1)防范快艇靠近

對快速接近船舶進(jìn)行監(jiān)控首先要對其測速，可以用雙線的方式來對船只進(jìn)行測速，劃定二條警戒線，在規(guī)定時間內(nèi)穿越則報警，并啟動聯(lián)動跟蹤。

(2)防范漁船靠近

速度慢的漁船在穿越雙警戒線的時候就不會產(chǎn)生報警，則在以鏡頭為圓心，300米為半徑的扇形警戒區(qū)域，只要有船只進(jìn)入該區(qū)域就報警并進(jìn)行跟蹤。

(3)碼頭行人

碼頭行人采用逗留規(guī)則，在碼頭入口處劃定警戒區(qū)域，人員在這一區(qū)域內(nèi)逗留超過一定時間就報警，并通知值班人員前往查看。

(4)游泳人員

防止游泳人員攀爬上船，需在艦舷周圍設(shè)立警戒區(qū)域，有人出現(xiàn)即報警。

5 結(jié) 語

全天侯多譜探測預(yù)警系統(tǒng)中包含的系統(tǒng)信號處理流程、視頻信號處理方法及系統(tǒng)中環(huán)形帶有效范圍內(nèi)設(shè)備參數(shù)，本設(shè)計(jì)方案能在各種復(fù)雜環(huán)境下對進(jìn)入場景中的目標(biāo)進(jìn)行預(yù)警跟蹤，并滿足實(shí)時性需要。