吳正英

(廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361102)

0 引 言

為了對航行安全性提供保障，需要對船舶進(jìn)行實時定位、跟蹤，以便實時掌握船舶航行狀態(tài)，同時，在海上發(fā)生航行事故時，相關(guān)部門能夠在第一時間收到相關(guān)事故信息并及時進(jìn)行相應(yīng)處理。

目前，船舶定位主要依靠衛(wèi)星定位系統(tǒng)，比如美國的GPS（Global Positioning System），中國“北斗”系統(tǒng)，結(jié)合電子海圖顯示與信息系統(tǒng)（Electronic Chart Display and Information System）和船舶自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System）對船舶進(jìn)行定位、追蹤。

國內(nèi)外對船舶定位都進(jìn)行了較多研究，李陽[1]設(shè)計了基于北斗三號的船舶定位系統(tǒng)，定位精度可達(dá)4 m 以內(nèi)；范曉鋒等[2]對基于智能自組網(wǎng)的船舶定位以及身份識別進(jìn)行研究；陳宇[3]研究了物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化下的多源定位方法。本文基于多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出一種通過圖像自動匹配定位的系統(tǒng)，能夠?qū)崟r、快速地處理信息，對船舶的安全航行提供了可靠的保障。

1 多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

1.1 多媒體網(wǎng)絡(luò)的組成

多媒體采用的是數(shù)字信號，可以綜合處理圖片、視頻等多種信息，數(shù)據(jù)形式比較豐富；多媒體提供了易操作并十分友好的界面，更加直觀、便利地實現(xiàn)人機交互；同時，多媒體可以很方便地與各種外部設(shè)備實現(xiàn)連接，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、監(jiān)視控制等各種功能。由于具備這些顯著優(yōu)點，多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)、教學(xué)等多個領(lǐng)域。多媒體網(wǎng)絡(luò)的主要構(gòu)成和工作原理如圖1 所示。

圖1 多媒體網(wǎng)絡(luò)組成及工作原理示意圖Fig.1 Multimedia network composition and working principle schematic diagram

數(shù)據(jù)采集模塊完成對所需圖像、文字等各種信息的采集，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換得到大量的數(shù)字信號，經(jīng)過壓縮處理，去除冗余信息，再對圖像、視頻進(jìn)行增強等處理，傳輸至終端顯示器及控制臺，控制臺也會根據(jù)用戶需求對所需信息進(jìn)行設(shè)定、篩選，再將指令發(fā)送給信息處理模塊（圖1 中虛線部分）。終端顯示器可以是多個用戶，每個用戶都可以對所生成的信息進(jìn)行挑選。

1.2 多媒體網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 文件壓縮

文件壓縮是指處理掉數(shù)據(jù)中的冗余部分，而保留確定需要或有關(guān)的信息，去掉不需要或無關(guān)的信息，這里的冗余主要包括空間冗余、時間冗余、結(jié)構(gòu)冗余、視覺冗余等。

文件壓縮編碼的方法按原始數(shù)據(jù)是否有損失可分為有失真編碼和無失真編碼，按編碼原理分為預(yù)測編碼、變化編碼、統(tǒng)計編碼等。

預(yù)測編碼是根據(jù)已經(jīng)編碼重建后的像素值預(yù)測待編碼的像素值，對原始值和預(yù)測值的差值進(jìn)行編碼，預(yù)測編碼可以分為差分脈沖編碼調(diào)制（Differential Pulse Code Modulation，DPCM）和自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（Adaptive Pulse Code Modulation，ADPCM），其原理圖如圖2 所示。

圖2 預(yù)測編碼工作原理Fig.2 Working principle of predictive coding

變換編碼在編碼時，原始數(shù)據(jù)要從初始空間或時間域經(jīng)過變化后變?yōu)橐粋€更適于壓縮的抽象域，目前最常用的是離散余弦變換。

統(tǒng)計編碼中常用的是霍夫曼編碼，原理是統(tǒng)計不同信息出現(xiàn)的頻率，對于出現(xiàn)次數(shù)多的信息，可以使用長度較短的編碼，而對次數(shù)少的信息，則用較長的編碼，這樣可以提高編碼效率，提高編碼的有效性。

1.2.2 圖像處理及圖像分割

中值濾波是一種對圖形進(jìn)行非線性處理的平滑方法，方法是先確定一個含有奇數(shù)點的窗口W，在圖像上移動這個窗口，把這個窗口W所包含的像素點的灰度值按一定順序排列，則該點的灰度值可以用位于中間的灰度值代替。

圖像銳化可以加重目標(biāo)輪廓，使圖像變得更清晰，單方向的一階銳化是對某個特定方向上的邊緣信息進(jìn)行增強，以水平方向的一階銳化為例，如圖3 所示。

圖3 水平方向的一階銳化Fig.3 First-order sharpening in the horizontal direction

圖像分割是圖像識別和圖像理解的基礎(chǔ)，也是本文實現(xiàn)自動匹配的基礎(chǔ)，是基于目標(biāo)或區(qū)域的特征進(jìn)行的，把圖像分割成互不交疊的有意義區(qū)域，便于進(jìn)一步分析，分開的區(qū)域一般是圖像中用戶感興趣的部分，流程如圖4 所示。

圖4 圖像分割流程Fig.4 Process of image segmentation

圖像分割是基于圖像亮度值的不連續(xù)性和相似性2 個特征，常用的方法灰度閾值分割法、自適應(yīng)閾值分割法、邊緣檢測和區(qū)域生長法。

假設(shè)圖像為f(x,y)，其灰度值范圍是[0，L]，在0 和L之間選擇一個合適的灰度閾值T，灰度閾值分割法則表示為：

在有突發(fā)噪聲或背景灰度變化較大時可以用自適應(yīng)閾值分割法，這個算法的缺點比較復(fù)雜，但其抗噪聲能力較強。在實際應(yīng)用時，需要根據(jù)具體情況選擇合適的方法和閾值。

圖像的邊緣檢測是利用各種算子以及高通濾波處理方法對圖像邊緣進(jìn)行增強。一階算子主要有Roberts算子、Prewitt 算子和Sobel 算子，相對來說，Sobel 算子的檢測效果最好。

區(qū)域生長的原理是把具有相似性質(zhì)的像素點集合成一個區(qū)域，把其中某一個種子像素作為生長的起點，將種子像素附近范圍內(nèi)與這個種子相似的像素合并到其所在的區(qū)域中，再將這個區(qū)域作為新的種子像素重復(fù)上述過程，直到?jīng)]有符合條件的像素出現(xiàn)。

1.2.3 時延抖動消除及數(shù)據(jù)恢復(fù)

信息在離開發(fā)送端時，是按照一定的間隔均勻傳輸?shù)模谕ㄟ^網(wǎng)絡(luò)時，間隔會因不同原因而改變，從而產(chǎn)生時延抖動，在接收端間隔就會發(fā)生變化，如圖5（a）所示。主要原因是網(wǎng)絡(luò)路由狀態(tài)頻繁變化，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點流量擁堵，信息在各個節(jié)點緩存時間過長。

圖5 時延抖動及消除Fig.5 Delay jitter and elimination

為了消除時延抖動，在接收端增加一個緩存，當(dāng)緩存中儲存了一定數(shù)量的分組后，以固定速度按照順序讀出分組并進(jìn)行還原。緩存其實是一個遵循先進(jìn)先出規(guī)則的棧，圖5（b）中的T表示播放延時。

在上述的信息傳輸過程中，可能會發(fā)生分組丟失，數(shù)據(jù)的丟失直接影響到接收端的多媒體文件，雖然（Transmission Control Protocol，TCP）可以有效解決分組問題，但同時會帶來更大的時延抖動。因此，在多媒體數(shù)據(jù)傳輸過程中常使用前向糾錯或數(shù)據(jù)恢復(fù)等技術(shù)來重獲丟失的分組，或采用交織技術(shù)來減少丟失分組對多媒體質(zhì)量的影響[4]。

2 艦船圖像定位自動匹配系統(tǒng)

2.1 定位系統(tǒng)組成和工作原理

本文基于多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建了艦船圖像定位自動匹配系統(tǒng)，如圖6 所示。

圖6 基于多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的艦船圖像定位系統(tǒng)Fig.6 Ship image positioning system based on multimedia network technology

攝像機實時獲取靜態(tài)、動態(tài)信息傳輸至多媒體網(wǎng)絡(luò)模塊，多媒體網(wǎng)絡(luò)模塊根據(jù)前文描述的原理對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用戶可以根據(jù)終端顯示器和控制系統(tǒng)接收到的處理后的多媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢訪問，并可以根據(jù)需求對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，同時，有關(guān)部門也可以對航行中的艦船進(jìn)行必要的實時監(jiān)控[5-6]。

攝像機獲取的信息融合其他來源的信息，如衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)、AIS 數(shù)據(jù)等，通過自動匹配算法對船舶進(jìn)行定位，定位的信息也會實時傳輸至終端顯示器和控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)需要對大量的多媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理、傳輸，以保證艦船的安全航行。

2.2 艦船運動方程

本文建立的運動方程的坐標(biāo)系是以艦船重心為原點，并且固定在Eξη平面上，假設(shè)艦船的運動速度為US，船 角 速 度 為 ΩS， χ 為 潛 浮 角， γ 為 航 跡 角， α、β為水動角。艦船質(zhì)量為m，受到的合力F在坐標(biāo)系上的分量為Fξ、Fη，受到的轉(zhuǎn)矩在坐標(biāo)系上的分量為TξG，轉(zhuǎn)動慣量為JZG，則有：

2.3 圖像匹配

采用尺度不變特征變換算法（Scale-invariant Feature Transform，SIFT）對圖像進(jìn)行匹配，SIFT 具有良好的穩(wěn)定性和不變形、區(qū)分性好、高速性以及可擴展性。SIFT 算法實現(xiàn)特征匹配可以分為提取關(guān)鍵點、定位關(guān)鍵點并確定特征方向、通過各關(guān)鍵點的特征向量三步來完成。

L(x,y,σ) 定義為原始圖像I(x,y)與一個可變尺度的二位高斯函數(shù)G(x,y,σ)的卷積運算為：

式中： (x,y) 為圖像的像素位置， σ為尺度空間因子。

2.4 實驗結(jié)果

基于多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的艦船圖像定位自動匹配系統(tǒng)，對自動匹配的時間和成功率進(jìn)行實驗研究，實驗結(jié)果如圖7 所示。

圖7 自動匹配時間和成功率實驗結(jié)果Fig.7 Automatically match time and success rate experiment results

可以看出，基于多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的艦船圖像定位自動匹配系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)艦船圖像定位的自動匹配，匹配平均時間為5.23 ms，匹配的成功率可以達(dá)到90%。

3 結(jié) 語

基于多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的艦船圖像定位自動匹配系統(tǒng)，能夠?qū)崟r處理、傳輸大量的多媒體數(shù)據(jù)，通過SIFT 圖像匹配算法，可以實現(xiàn)艦船圖像定位的自動匹配，實驗證明，系統(tǒng)性能良好，為艦船的安全航行提供了可靠的保障。在后續(xù)研究中，可以對圖像匹配算法進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能。