徐 進(jìn) 陳姚節(jié)

（武漢科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 武漢 430081）

1 引言

視覺測(cè)距［1］作為機(jī)器視覺［2］領(lǐng)域內(nèi)的基礎(chǔ)技術(shù)之一而受到廣泛的關(guān)注，其廣泛應(yīng)用于機(jī)器視覺定位［3］、目標(biāo)跟蹤［4］、視覺避障［5］等。船舶作為水上運(yùn)輸?shù)慕煌üぞ?，同其他的交通工具比較，不具有很強(qiáng)的靈活性和可控性，需要提前測(cè)量與其他船舶和碰撞物之間的距離，并做好規(guī)避方案，才能有效地避免碰撞事故的發(fā)生。機(jī)器視覺的發(fā)展為解決海上船舶測(cè)量提供了一個(gè)新的方向。通過現(xiàn)有船舶上的攝像頭來模擬人的視覺功能，對(duì)“目標(biāo)圖像”進(jìn)行數(shù)字化，提取相應(yīng)信息，并通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)處理，來實(shí)時(shí)獲取船舶的位置信息和速度。

傳統(tǒng)非機(jī)器視覺測(cè)量船舶距離的方法主要包括雷達(dá)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)［6～7］、船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)［6］、紅外傳感器測(cè)距方法［8］和超聲波測(cè)距方法［9］等。雷達(dá)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)和船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)都是保障船舶安全航行，避免碰撞的有效方式，但現(xiàn)有設(shè)備昂貴，我國僅在大型船舶上配備，很難大范圍普及。紅外傳感器測(cè)距方法是通過發(fā)射紅外光以及接收的紅外光來判斷目標(biāo)船只和本船的距離，在中短距離的判斷上具有較大優(yōu)勢(shì)。但精度不高，容易同其他紅外信號(hào)混淆，造成系統(tǒng)失效。超聲波測(cè)距方法適用于中小型船舶的距離測(cè)量系統(tǒng)，但受天氣的影響特別大，特別是濃霧天氣。

基于機(jī)器視覺的測(cè)量方法［10］主要包括：單目視覺測(cè)量、雙目視覺測(cè)量、結(jié)構(gòu)光視覺測(cè)量等。結(jié)構(gòu)光的應(yīng)用受到光源的限制［11］，本文無法應(yīng)用，這里不做介紹。王健等提出一種在AOI 內(nèi)利用灰度梯度探測(cè)物標(biāo)的方法，但船舶動(dòng)態(tài)搖擺對(duì)該方法的測(cè)距精度影響較大［12］。楊晨曦等提出一種雙目立體視覺測(cè)距方法，該方法測(cè)距精度高，但可測(cè)量距離短［13］。而單目視覺測(cè)距方法具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，運(yùn)行速度快等特點(diǎn)。本文在單目視覺的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究。

2 單目視覺測(cè)距原理

2.1 系統(tǒng)流程

基于單目機(jī)器視覺的實(shí)時(shí)船舶測(cè)距方法及誤差修正是通過Visual Studio 2017 平臺(tái)開發(fā)設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)視覺庫OpenCV實(shí)現(xiàn)功能、SCA200光電云臺(tái)采集圖片并進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，采用faster R-CNN 算法和ECO 算法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別與跟蹤，并畫出矩形框，使用三角幾何原理對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距，并通過誤差修正方法對(duì)誤差進(jìn)行調(diào)整，最后輸出測(cè)距結(jié)果，整個(gè)系統(tǒng)的流程如圖1所示。

圖1 單目測(cè)距流程圖

2.2 測(cè)距原理

光電云臺(tái)獲取目標(biāo)船舶的二維信息，通過機(jī)器視覺faster R-CNN 進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，提取目標(biāo)船舶的特征，根據(jù)船舶形狀框選目標(biāo)，并將光電中心（即為圖像中心）移到目標(biāo)底部中心，利用三角幾何原理計(jì)算與目標(biāo)船舶之間的距離。

點(diǎn)P 為光電云臺(tái)，線段PF 為光電云臺(tái)初始水平方位，矩形ABCD為自動(dòng)船舶的目標(biāo)框，點(diǎn)S為船舶矩形框底部AB的中心點(diǎn)，h為光電云臺(tái)距離水平面的安裝高度OP，d為本船舶與目標(biāo)船舶之間的水平距離OS，角α為光電云臺(tái)的俯仰角，其中f為光電云臺(tái)的有效焦距。(u0，v0)為光軸與像平面的交點(diǎn)，作為像平面坐標(biāo)系的原點(diǎn)，取為( 0 ，0 )；(u，v)為目標(biāo)船舶底部中心點(diǎn)S在像平面上的投影坐標(biāo)。

圖2 單目測(cè)距幾何模型圖

根據(jù)幾何三角原理，其距離計(jì)算公式為

圖像坐標(biāo)系與屏幕坐標(biāo)之間有如下關(guān)系，其中dx，dy 為每一個(gè)像素點(diǎn)在x 軸與y 軸方向上的物理尺寸。(u0，v0)為屏幕坐標(biāo)中心點(diǎn)，為相機(jī)的內(nèi)參，可通過相機(jī)標(biāo)定獲取。中心點(diǎn)S 在像平面上的實(shí)際投影點(diǎn)與屏幕中心點(diǎn)之間的關(guān)系如式（2）。

3 誤差分析及誤差修正方法

3.1 誤差分析

攝像機(jī)鏡頭的幾何畸變和船舶搖擺等問題一直是船舶測(cè)距中的重難點(diǎn)。本文根據(jù)光電云臺(tái)與船舶位置是否發(fā)生偏移將誤差分為靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差兩種，并分別對(duì)誤差因素進(jìn)行分析。靜態(tài)誤差：1）攝像頭幾何畸變?cè)斐赡繕?biāo)成像位置的偏移誤差；2）光電云臺(tái)的安裝高度誤差；3）光電云臺(tái)在跟蹤目標(biāo)時(shí)存在的抖動(dòng)誤差；4）圖像處理中的噪聲誤差以及根據(jù)目標(biāo)輪廓自動(dòng)檢測(cè)形成矩形框所造成的誤差；動(dòng)態(tài)誤差主要是由于船舶搖擺造成的光電云臺(tái)高度以及初始角度發(fā)生的偏移誤差。

由式（1）可得，測(cè)量距離與相機(jī)的安裝高度成正比即d=k·x，k?R。即可表示為在同一偏轉(zhuǎn)角度，隨著光電云臺(tái)安裝高度的增加，所產(chǎn)生的距離誤差不變。如圖3 所示，相機(jī)的安裝高度對(duì)距離計(jì)算誤差影響為固定值，因此本文這里不做分析。

圖3 屏幕坐標(biāo)投影

圖4 相機(jī)安裝高度對(duì)距離影響圖

3.2 靜態(tài)測(cè)距試驗(yàn)

首先進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)，光電云臺(tái)安裝高度為2.0m，計(jì)算3m～20m之間的距離，測(cè)量數(shù)據(jù)為16組。通過光電云臺(tái)沿著某一方向采集圖片，連續(xù)采集目標(biāo)船舶的圖片。光電云臺(tái)在自動(dòng)跟蹤目標(biāo)時(shí)，光電本身存在抖動(dòng)誤差這種誤差是客觀存在的。假設(shè)光電云臺(tái)抖動(dòng)誤差角度為θ，此時(shí)距離計(jì)算公式為

光電云臺(tái)在跟蹤目標(biāo)時(shí)，會(huì)隨著目標(biāo)檢測(cè)的變化在矩形框內(nèi)上下移動(dòng)，導(dǎo)致測(cè)距的角度也在小范圍的變化。本文采取求和計(jì)算平均值法來計(jì)算距離。具體方法為每隔10 幀計(jì)算與目標(biāo)的距離并求和來消除光電云臺(tái)抖動(dòng)誤差角度θ，計(jì)算距離為這10幀的平均值。

通過靜態(tài)試驗(yàn)誤差分析對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，得到的修正后的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 靜態(tài)測(cè)距實(shí)驗(yàn)結(jié)果（單位：m）

從表1 可以看出，利用本文提出的靜態(tài)誤差修正方法，在100m 內(nèi)，實(shí)際距離與測(cè)量誤差在2m 之間，在可接受范圍內(nèi)，說明本方法測(cè)距具有一定的可行性。

3.3 動(dòng)態(tài)測(cè)距試驗(yàn)

當(dāng)船舶在水面上進(jìn)行動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其測(cè)量的橫傾角會(huì)隨著船舶搖擺而改變。不同船舶最大橫傾角要求不同，這里考慮的船舶橫傾角在5°以內(nèi)。船舶受波浪影響造成前后搖擺，此時(shí)會(huì)有以下情況：因無法獲取目標(biāo)船舶搖擺角度。由于單目視覺會(huì)失去空間角度信息，這里只考慮本船舶搖擺中的前傾而導(dǎo)致光電云臺(tái)的高度以及俯仰角會(huì)發(fā)生變化，假設(shè)船舶前傾偏轉(zhuǎn)角為γ。通過陀螺儀實(shí)時(shí)獲取船舶前傾角度。則此時(shí)光電云臺(tái)相對(duì)于水面高度為

這里假設(shè)船舶前傾角度為正，后搖角度為負(fù)。此時(shí)距離計(jì)算公式為

圖5 船舶震蕩角度變化圖

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)分為兩組，第一組為搖擺狀態(tài)下物體靜止測(cè)距實(shí)驗(yàn)，即保持目標(biāo)位置不動(dòng)，距離不變。第二組為搖擺狀態(tài)下物體進(jìn)行在直線移動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)距實(shí)驗(yàn)，保持物體沿著光電云臺(tái)正前方移動(dòng)，同時(shí)使光電云臺(tái)在（-5，5）范圍內(nèi)搖擺。實(shí)驗(yàn)對(duì)比共有四組：實(shí)際距離相同、橫傾角不同的兩組：27.88m和69.44m；實(shí)際距離不同、橫傾角相同的兩組：-2.9655°和-4.6892°。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的基于單目視覺測(cè)距系統(tǒng)的實(shí)時(shí)船舶測(cè)距方法及誤差修正方法能夠很好地降低相對(duì)誤差，且具有很高的可行性。從測(cè)量的數(shù)據(jù)觀察，使用本文提出的修正方法測(cè)距的相對(duì)誤差保持在（0.4%～2.7%）之內(nèi)，修正前相對(duì)誤差在（16.2%～79.2%）之間。說明本文的修正方法，極大地減少了相對(duì)誤差，提高了測(cè)距精度。且本文的修正方法相對(duì)誤差整體保持在3%之內(nèi)，說明該方法效果較穩(wěn)定，具有很好的可行性。

表2 搖擺狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)測(cè)距實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語

本文對(duì)單目視覺在船舶距離測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究，提出了一種改進(jìn)方法和誤差修正方法。其改進(jìn)方法是在傳統(tǒng)的單目視覺測(cè)距基礎(chǔ)上，將光電云臺(tái)光心移至目標(biāo)矩形框的底部中心處，對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行測(cè)量。并通過誤差修正方法對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，使用修正方法之前，相對(duì)誤差在（16.2%～79.2%），而本文的修正方法使測(cè)距相對(duì)誤差保持在（0.4%～2.7%）之間，極大地提高了測(cè)距精度，具有很好的可行性，可以讓船舶工作人更直接地了解前方障礙物距離信息，及時(shí)作出應(yīng)對(duì)措施以避免碰撞事故的發(fā)生。