趙　航,李　棟,袁劍華,邱明華

(1.海軍駐南京地區(qū)雷達系統(tǒng)軍事代表室,南京 210003;2.中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153)

一種VTS系統(tǒng)中CCTV對船舶跟蹤監(jiān)控方法

趙航1,李棟2,袁劍華2,邱明華2

(1.海軍駐南京地區(qū)雷達系統(tǒng)軍事代表室,南京 210003;2.中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153)

摘要：VTS系統(tǒng)主要對港口水域內(nèi)的船舶進行管理。對于重點船舶,當(dāng)船舶進入通航管理的重點水域時,不但要知道在哪兒,航速航向是多少,而且也需要對這類船舶進行現(xiàn)場全程監(jiān)管,實現(xiàn)監(jiān)控攝像機自動全程跟蹤。本文提出一種綜合考慮水位、船舶位置、長度、寬度、高度、吃水、航向、航速等多因素的CCTV對船舶跟蹤監(jiān)控方法。結(jié)果表明該方法可以實現(xiàn)CCTV對船舶的跟蹤監(jiān)控,并可以達到較好的監(jiān)控效果。

關(guān)鍵詞:VTS系統(tǒng);CCTV;跟蹤監(jiān)控

0引言

VTS系統(tǒng)(船舶交通導(dǎo)航系統(tǒng))包括雷達子系統(tǒng)、VHF子系統(tǒng)、AIS 子系統(tǒng)、CCTV子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)等。雷達子系統(tǒng)通過雷達掃描主動對雷達所覆蓋區(qū)域的船舶位置和航行狀況進行偵測。VHF子系統(tǒng)通過VHF通信系統(tǒng)對監(jiān)控區(qū)內(nèi)的重點船舶進行人工標(biāo)識和跟蹤。AIS子系統(tǒng)通過安裝在船上的AIS船臺發(fā)出船舶的MMSI、經(jīng)緯度、航速、航向、船舶尺寸、船舶吃水等信息,由岸基AIS臺站接收船舶的AIS信息,實現(xiàn)對AIS船舶的跟蹤。CCTV子系統(tǒng)是以視頻攝錄為信息采集手段的直觀的現(xiàn)場監(jiān)管手段。雷達子系統(tǒng)對于一些特定的水域環(huán)境、特定的時段的監(jiān)控不便、監(jiān)控失效,而CCTV系統(tǒng)可以完成實時的監(jiān)控。因此,采用CCTV系統(tǒng)來進行輔助監(jiān)控,彌補雷達監(jiān)控的不足[1-2]。數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)保存船舶的基本資料、船舶違章等信息。

對于重點船舶,如危險品船舶、客輪、客滾輪和其他需要重點監(jiān)控的船舶,當(dāng)船舶進入通航管理的重點水域時,不但要知道在哪兒,航速航向是多少,而且也需要對這類船舶進行現(xiàn)場全程監(jiān)管,實現(xiàn)監(jiān)控攝像機自動全程跟蹤,以確保這類船舶的航行安全。因此,實現(xiàn)CCTV對船舶跟蹤監(jiān)控是非常必要的[3]。

CCTV對船舶進行跟蹤監(jiān)控,除了要保證被監(jiān)控船舶一直在監(jiān)控畫面中,還要保證算法能夠自適應(yīng)船舶的尺度變化[4]。本文提出一種VTS系統(tǒng)中綜合考慮水位、船舶位置、長度、寬度、高度、吃水、航向、航速等多因素的CCTV對船舶跟蹤監(jiān)控方法,可以實現(xiàn)CCTV 對船舶的跟蹤監(jiān)控,并且保證在跟蹤監(jiān)控過程中不同大小、不同航向狀態(tài)的船舶在監(jiān)控畫面中所占的比例相同,達到較好的跟蹤監(jiān)控效果。

1原理

首先測量CCTV監(jiān)控點鏡頭的經(jīng)緯度和鏡頭距離水面的高度,從數(shù)據(jù)庫或AIS系統(tǒng)獲取被監(jiān)控船舶的高度、寬度和長度信息,從AIS系統(tǒng)和雷達系統(tǒng)實時獲取被監(jiān)控船舶的經(jīng)緯度、航向、航速、吃水信息及數(shù)據(jù)生成時間。根據(jù)最新獲取的被監(jiān)控船舶的經(jīng)緯度、航向、航速及與數(shù)據(jù)生成時間,預(yù)測被監(jiān)控船舶當(dāng)前的經(jīng)緯度信息。根據(jù)預(yù)測得到的被監(jiān)控船舶當(dāng)前的經(jīng)緯度和監(jiān)控點鏡頭的經(jīng)緯度計算被監(jiān)控船舶相對于監(jiān)控點鏡頭的水平偏轉(zhuǎn)角度及水平距離。根據(jù)被監(jiān)控船舶的高度和當(dāng)前時刻獲取的吃水信息計算被監(jiān)控船舶當(dāng)前的水面以上高度。再根據(jù)計算出的船舶當(dāng)前水面以上高度和監(jiān)控點鏡頭距離水面的高度、監(jiān)控點鏡頭在當(dāng)前方位的垂直偏轉(zhuǎn)角度、被監(jiān)控船舶到鏡頭的水平距離計算被監(jiān)控船舶相對于監(jiān)控點鏡頭的垂直偏轉(zhuǎn)角度。根據(jù)被監(jiān)控船舶的長度、寬度、航向及被監(jiān)控船舶當(dāng)前的水面以上高度、監(jiān)控點鏡頭到被監(jiān)控船舶的水平距離計算鏡頭監(jiān)控船舶需要的焦距值。最后控制云臺轉(zhuǎn)動到上述計算出的水平偏轉(zhuǎn)角度和垂直偏轉(zhuǎn)角度,并通過云臺調(diào)節(jié)鏡頭至計算出的焦距值。重復(fù)上述步驟,實現(xiàn)CCTV對船舶的跟蹤監(jiān)控。該算法原理如圖1。

2工程實現(xiàn)

在VTS系統(tǒng)中,CCTV對船舶的跟蹤監(jiān)控通過以下多個步驟實現(xiàn):

(1) 鏡頭經(jīng)緯度和高度測量

通過儀器測量監(jiān)控點鏡頭的經(jīng)緯度和距離水面的高度,從海事服務(wù)網(wǎng)下載港口的潮汐表信息。從潮汐表中查詢測量時刻的潮位信息,以該潮位信息和測量的高度信息作為基準(zhǔn)潮位信息和基準(zhǔn)高度信息。

(2) 船舶高度、寬度、長度等信息獲取

從船舶交通導(dǎo)航系統(tǒng)中的AIS系統(tǒng)獲取或通過MMSI、船名等從數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中查詢被監(jiān)控船舶的船舶高度、寬度和長度信息。

圖1　CCTV對船舶跟蹤監(jiān)控原理圖

(3) 船舶經(jīng)緯度等信息獲取

實時從船舶交通導(dǎo)航系統(tǒng)中的AIS系統(tǒng)或雷達系統(tǒng)中獲取被監(jiān)控船舶的經(jīng)緯度、航向、航速、轉(zhuǎn)向率及數(shù)據(jù)生成時間信息,從AIS系統(tǒng)或數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)獲取船舶吃水信息。

(4) 水平偏轉(zhuǎn)計算

提取最新獲取的被監(jiān)控船舶的經(jīng)緯度、航向、航速、轉(zhuǎn)向率及與數(shù)據(jù)生成時間,預(yù)測得到被監(jiān)控船舶當(dāng)前位置的經(jīng)緯度;由被監(jiān)控船舶當(dāng)前位置的經(jīng)緯度和監(jiān)控點鏡頭的經(jīng)緯度計算被監(jiān)控船舶相對于監(jiān)控點鏡頭的水平偏轉(zhuǎn)角度及水平距離。

(5) 垂直偏轉(zhuǎn)計算

垂直偏轉(zhuǎn)包括兩部分,一部分是船舶當(dāng)前位置相對于鏡頭的垂直偏轉(zhuǎn),一部分是在具體工程實施過程中由于云臺和鏡頭安裝不水平等原因造成的鏡頭在該水平角度的垂直偏轉(zhuǎn)。

?船舶相對于鏡頭的垂直偏轉(zhuǎn)

從港口潮汐表中查詢當(dāng)前時刻港口的潮位信息。根據(jù)當(dāng)前的潮位信息、基準(zhǔn)潮位信息和基準(zhǔn)高度信息計算出當(dāng)前時間段監(jiān)控點鏡頭距離水面的高度。再根據(jù)被監(jiān)控船舶當(dāng)前的水面以上高度和監(jiān)控點鏡頭距離水面的高度、被監(jiān)控船舶到鏡頭的水平距離計算被監(jiān)控船舶相對于監(jiān)控點鏡頭的垂直偏轉(zhuǎn)角度。計算方法是:設(shè)監(jiān)控點鏡頭距離水面的高度為H,被監(jiān)控船舶當(dāng)前的水面以上高度為h(被監(jiān)控船舶的高度減去船舶當(dāng)前吃水),被監(jiān)控船舶到監(jiān)控點鏡頭的水平距離為d,并設(shè)定系數(shù)n,如圖2所示。被監(jiān)控船舶相對于監(jiān)控點鏡頭的垂直偏轉(zhuǎn)角度θ的計算公式為

(1)

(2)

式中,垂直偏轉(zhuǎn)角度θ取反表示是向下偏轉(zhuǎn)。由h/n控制鏡頭的監(jiān)控畫面中心指向船舶垂直方向的部分,n可取0

當(dāng)系數(shù)n取值為2時,被監(jiān)控船舶相對于監(jiān)控點鏡頭的垂直偏轉(zhuǎn)角度θ的計算公式為

(3)

在此狀態(tài)下,監(jiān)控點鏡頭的監(jiān)控畫面中心指向船舶垂直方向中心,具有較好的監(jiān)控效果。

圖2　垂直偏轉(zhuǎn)角度計算示意圖

?鏡頭在該水平角度的垂直偏轉(zhuǎn)

垂直偏轉(zhuǎn)主要是由于云臺不水平造成的。當(dāng)鏡頭轉(zhuǎn)動到不同的水平角度時,該偏轉(zhuǎn)值不同。設(shè)鏡頭在該水平角度的垂直偏轉(zhuǎn)為β,則β的計算公式為

(4)

式中,β1表示由于云臺不水平造成的鏡頭在轉(zhuǎn)動過程中相對于水平面的最大夾角,γ0表示當(dāng)鏡頭轉(zhuǎn)動到與水平面夾角為0時的水平角度,γ表示鏡頭轉(zhuǎn)動過程中實時的水平角度。β1和γ0都是未知參數(shù)。在實際工程實施中,監(jiān)控2個不同位置的目標(biāo),調(diào)整到最佳監(jiān)控效果時查看對應(yīng)的2個β和γ值,解方程就可以求出β1和γ0值。

綜合考慮以上兩部分,垂直偏轉(zhuǎn)的計算公式為

(5)

在上述公式中,使用的水平角度值都是以正北方向為參考0°,順時針方向為正的角度值。云臺有自己的坐標(biāo)系。通常情況下,云臺的0°與正北方向不一致,但之間的夾角很容易測試計算出來。實際工程實施中,通過旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

(6) 焦距值計算

根據(jù)所獲得的被監(jiān)控船舶的長度、寬度、航向及被監(jiān)控船舶當(dāng)前的水面以上高度、監(jiān)控點鏡頭到被監(jiān)控船舶的水平距離計算獲得鏡頭監(jiān)控船舶需要的焦距值。計算方法是:首先計算船舶在鏡頭中的切向投影長度,設(shè)步驟(4)中計算出的被監(jiān)控船舶相對于監(jiān)控點鏡頭的水平偏轉(zhuǎn)角度為γ′,船舶的航向為ψ,船舶船長為l,則船舶在鏡頭中的切向投影長度為

(6)

當(dāng)被監(jiān)控船舶航向不同時,被監(jiān)控船舶在監(jiān)控點鏡頭中的投影長度有所不同。被監(jiān)控船舶正常航行時,船身的方向與航向是一致的。當(dāng)被監(jiān)控船舶沿監(jiān)控點鏡頭的切向方向行駛時,被監(jiān)控船舶在監(jiān)控點鏡頭中的投影長度為船舶長度。當(dāng)被監(jiān)控船舶沿鏡頭徑向方向行駛時,被監(jiān)控船舶在監(jiān)控點鏡頭中的投影長度為船舶寬度。設(shè)船寬為w,被監(jiān)控船舶在鏡頭中的投影長度L的計算公式如下:

(7)

設(shè)鏡頭當(dāng)前距離水面的高度為H,船舶當(dāng)前水面以上高度為h,船舶到鏡頭的水平距離為d,并設(shè)定系數(shù)n,則船舶到鏡頭的實際距離D的表達式為

(8)

式中系數(shù)n可取0

根據(jù)被監(jiān)控船舶在監(jiān)控點鏡頭中的實際投影長度L和被監(jiān)控船舶當(dāng)前的水面以上高度h,分別計算兩個焦距值f1和f2:

f1=vD/L

(9)

f2=uD/h

(10)

式中,v表示圖像的寬度,即被監(jiān)控船舶在ccd靶面上成像寬度;u表示圖像的高度,即被監(jiān)控船舶在ccd靶面上成像高度。

為了保證在監(jiān)控點鏡頭的監(jiān)控圖像中可以看到完整的船舶圖像,實際的焦距值取兩個焦距值中的較小值。雷達、AIS系統(tǒng)在探測船舶位置時都有誤差。根據(jù)航向、航速、轉(zhuǎn)向率及與數(shù)據(jù)生成時間預(yù)測被監(jiān)控船舶當(dāng)前位置時也會有誤差,而且云臺有指示和控制精度誤差。所以,在計算焦距時增加一個可配置參數(shù)p,在實際工程實施中,通過多次測試為該參數(shù)設(shè)置一個較優(yōu)值,焦距f的表達式為

f=min(f1,f2)-p

(11)

(7) 云臺控制

控制云臺轉(zhuǎn)動到步驟(4)計算出的水平偏轉(zhuǎn)角度和步驟(5)計算出的垂直偏轉(zhuǎn)角度,并通過云臺調(diào)節(jié)鏡頭至步驟(6)計算出的焦距值。

重復(fù)上述步驟,實現(xiàn)CCTV監(jiān)控點鏡頭對船舶的跟蹤監(jiān)控。

3結(jié)束語

本文提出了一種船舶交通導(dǎo)航系統(tǒng)中CCTV對船舶跟蹤監(jiān)控方法,重點在于在監(jiān)控過程中綜合考慮了潮位、船舶的經(jīng)緯度、航向、航速、船舶長度、寬度、高度、吃水等信息,實現(xiàn)了CCTV對船舶的跟蹤監(jiān)控,并且在跟蹤監(jiān)控過程中不同大小、不同航向的船舶在監(jiān)控畫面中所占的比例相同。目前,采用上述方法的CCTV對船舶跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)在多個海事交通管理系統(tǒng)中得到應(yīng)用,并取得了較好的跟蹤監(jiān)控效果。

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A ship tracking and monitoring method with CCTV in VTS system

ZHAO Hang1, LI Dong2, YUAN Jian-hua2, QIU Ming-hua2

(1. Military Representative Office of Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003;2. No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Abstract:The VTS system is mainly in charge of the vessel management within the port waters. For key ships, when they enter the key waters of navigation management, it is required that their positions, speed and heading should be known and superintended on site all the time, realizing automatic tracking and monitoring with cameras. A ship tracking and monitoring method with the CCTV is proposed, taking the water level, ship's position, length, width, height, draft, heading, speed and other factors into consideration. The results indicate that this method can realize ship tracking and monitoring with the CCTV with good monitoring effect.

Keywords:VTS system; CCTV; tracking and monitoring

收稿日期:2016-03-28;修回日期:2016-04-03

作者簡介:趙航(1989-),男,助理工程師,研究方向:雷達工程;李棟(1985-),男,工程師,碩士,研究方向:雷達數(shù)據(jù)處理;袁劍華(1984-),男,工程師,碩士,研究方向:雷達綜合識別;邱明華(1984-),女,工程師,碩士,研究方向:科技情報研究。

中圖分類號:U666

文獻標(biāo)志碼:A

文章編號:1009-0401(2016)02-0012-03