控制河段智能視覺跟蹤控制系統設計

鐘 麗 靳 智 梁 山

（1.長江瀘州航道局 瀘州 646000；2.重慶大學自動化學院 重慶 400044）

隨著航運業的發展，水上交通越來越擁擠，由此導致的事故不斷增多。為了對通航船舶進行有效監管，同時迅速準確掌握事故原因以制定有效的救援方案，并為責任劃分提供證據，對控制河段通航船舶的可視化監控成為控制河段通行智能指揮系統的主要建設內容之一。

國內外諸多研究者均對航道可視化展開了研究，湯一平［1］將計算機視覺引入內河航道，采用數字圖像處理與模式識別技術識別、跟蹤船舶，但是船舶與攝像機距離大時容易出現跟蹤丟失，同時天氣因素對系統的檢測精度影響較大［2］。蘭培真［3］提出了海事場景的網絡視頻監控，通過網絡獲取現場視頻圖像并監控用戶自定義的區域，缺點是不能適應劇烈天氣變化和光照變化，同時目標被遮擋后會出現跟蹤丟失。為了擴大監視范圍并提高目標識別的準確度，有學者提出采用1臺固定的廣角攝像機與PTZ攝像機跟蹤運動物體［4］，固定攝像機提供背景模板圖像用于提取目標，目標定位后采用PTZ攝像機跟蹤目標進行特寫。

由于控制河段狹窄彎曲，多呈C形，航道水深，監視區域線長、面廣，航道背景復雜變化較大，通航環境復雜，因此將圖像識別技術用于內河船舶跟蹤監視難度較大。

目前已廣泛應用于內河航道的視頻監控系統仍舊依靠人工通過鍵盤、鼠標來控制云臺，費時費力且控制不準確。為了解決手動直接控制云臺較難尋找目標的問題，于臣［5］提出了基于電子海圖的CCTV監控方法，從電子海圖中所顯示的待跟蹤船舶中選擇目標后，系統經過角度計算并自動調節云臺攝像機對準目標。

蘭培真［6－8］等人根據接收到的 AIS信息自動對船舶進行優先級排序，并選擇最佳智能球自主跟蹤目標船舶，但是跟蹤存在滯后且有脫離視場情況。文獻進一步提出了結合視頻與AIS信息的船舶跟蹤方案，采用Kalman濾波預測跟蹤以消除跟蹤滯后，達到平滑圖像的目的，實現離散點位的跟蹤未能考慮船舶位置誤差及預測過程中產生的誤差處理。

本文針對內河控制河段船舶通行情況智能化視覺跟蹤的要求，采用AIS與數字云臺攝像機進行聯動跟蹤，并通過圖像識別技術校正跟蹤誤差，實現對船舶的智能自動視頻連續跟蹤。

1 系統功能分析

（1）船舶信息自動獲取功能。隨著船載船舶自動識別系統的強制安裝實施，為通航船舶導航監視提供了自動化技術支持。在信號臺安裝具備AIS信息接收功能的設備，實現船—岸間自動傳輸信息，避免了人工電話詢問所帶來的不便。

（2）目標船舶的動態監控功能。現有的VTS中AIS與CCTV聯動目標跟蹤監視中，多是已知目標船舶的始末位置再進行相應的動作而未考慮AIS信息的滯后問題，跟蹤過程中容易造成圖像抖動，目標丟失或殘缺。本系統在離散點位跟蹤的基礎上采用目標船舶動態預測跟蹤，實時調整云臺姿態，達到圖像平滑無滯后的目的。必要時可啟用多個云臺攝像機接力跟蹤，滿足船隊尾隨通航的需要，縮短等待時間。

（3）視頻信息的采集與存儲功能。船舶通航指揮監控中心將通過云臺攝像機獲得船舶通航的實時畫面，根據需要可人工選擇是否存儲視頻信息，經計算機處理后的視頻信息可以存儲在本地硬盤中，方便日后回放。

2 數字云臺控制系統總體設計

2.1 AIS信息采集

AIS信息收發設備主要包括VHF天線、AIS收發機、外置GPS天線。由于AIS收發機可以從數據接口以串行（RS－232或RS－422）的方式輸出NMEA－0183格式的電文信息，計算機通過串行接口連接AIS接收設備獲取AIS信息，見圖1。

圖1 AIS信息接收示意圖

2.2 視頻信息采集

數字視頻監控系統硬件部分主要由云臺攝像機、嵌入式系統終端、網絡傳輸設備和視頻監控終端組成。其軟件功能單元包括：視頻壓縮傳輸單元、運動目標檢測與跟蹤單元。根據運動目標檢測與跟蹤單元所處的位置，可將該系統分為3種：前端嵌入式方式、后端服務器方式、分布式方式。前端嵌入式方式是指在嵌入式系統終端中完成運動目標的監測與跟蹤控制，后端服務器方式是通過計算機進行圖像識別完成運動目標的檢測與跟蹤控制。本文采用后端服務器方式進行監控，系統結構見圖2。

圖2 分布式數字視頻監控系統結構

2.3 數字云臺驅動控制

根據目標船舶跟蹤監控的功能要求，結合現有的AIS信息采集與運動目標視頻監控方案，設計目標船舶視覺跟蹤監控系統，系統結構見圖3。內河航道目標船舶視覺監控系統的硬件主要包括信息采集前端、信息傳輸系統、監控中心、供電與防雷設備。信號臺將接收到的AIS信息輸出到監控中心計算機，AIS信息被解碼后進行目標船舶跟蹤監控角度解算，并通過網絡視頻服務器控制云臺攝像機動作。同時，監控中心通過網絡訪問網絡視頻服務器獲取實時視頻信息，經過相應的處理并存入硬盤。

圖3 目標船舶視覺跟蹤監控系統結構

3 數字云臺的控制方法

內河航道存在較多的S形彎曲狹窄河段，若采用基于船載AIS報告位置的離散靜態跟蹤，將會導致船舶偏離視場中心區域，甚至視場內的目標殘缺不全，這種現象在船舶距離監測點較遠、視場角窄的時候更容易出現。為了解決以上問題，本文在目標船舶靜態跟蹤的基礎上提出了目標船舶動態跟蹤的構思，見圖4。

圖4 目標船舶動態跟蹤控制框圖

當目標船舶駛入監視區域時，監控中心根據其位置信息控制云臺攝像機進行初始對準，在此后的通航過程中會根據初始航速、航向進行下一時刻位置的預測直至收到目標船舶的最新報告信息，并據此信息再次預測以致目標船舶駛出監視河段。在此期間，預測一次即可求得云臺攝像機相應的預測跟蹤角度。由于在初始對準和預測過程中均存在誤差，特輔助圖像中心對準算法在船舶報告AIS信息的一系列點處進行誤差校正。

4 跟蹤控制軟件設計

控制河段船舶智能視覺跟蹤監控應滿足實時性、穩定性的要求。監控中心軟件主要在VC＋＋6.0開發環境完成以下任務：①實時監聽計算機串口，一旦串口接收到字符，程序必須盡快讀取，否則串口接收緩沖區填滿后將會溢出，導致信息丟失；②已經成功讀取的電文需按規則進行解碼，解碼結束將所有信息存入數據庫，與云臺攝像機控制的相關數據可以暫存在相關的全局變量中以方便讀取，同時確定船舶通航優先級；③云臺攝像機控制部分讀取解碼程序提供的船舶航行狀態信息，并計算姿態調節角度等，同時調用Matlab引擎進行圖像處理以獲取誤差校正值；④必須通過本地局域網絡訪問網絡視頻服務器，讀取實時視頻信息。

監控軟件分為4個相對獨立的程序模塊，通過數據共享、消息傳遞，協同工作完成上述4類任務。因此，在Windows平臺下可將4個程序模塊劃分為4個線程。由于現有的計算機一般都是單CPU，在某一時刻只能運行一個線程，無法同時執行多個任務，可以通過多線程來解決這個問題。基于多線程的目標船舶跟蹤監控軟件結構見圖5。

圖5 目標船舶跟蹤監控軟件結構

5 人機交互界面設計

（1）系統的參數配置。系統參數主要是指信號臺的地理參數、計算機采集AIS信息的串口參數、網絡視頻服務器的連接及其透明串口參數、解碼器的地址、圖像放大倍數、視頻存儲位置。在系統工作之前根據實際情況進行參數配置，每次配置的參數將存入配置文件“monitor.ini”，以后可再次修改或自動獲取配置文件中的參數。

（2）信息顯示與控制面板。人機信息交互界面主要包括實時圖像的顯示、目標船舶的主要航行狀態信息、系統控制按鈕（云臺動作、手動調焦、系統參數配置、視頻采集與停止等）。

打開監控軟件后根據需要進行系統參數設置，如果不需重置參數則點擊視頻播放按鈕，采集實時圖像。根據需要可選擇手動或自動控制云臺攝像機跟蹤監視目標船舶，當點擊上、下、左、右或調焦按鈕將進行相應的動作，點擊自動按鈕將切換至自動跟蹤模式并予以自動調焦。

在自動跟蹤監視狀態，將顯示當前所跟蹤的目標船舶航行狀態信息。監控系統軟件人機交互界面見圖6。

圖6 監控系統人機交互界面

6 結語

為了保證船只安全、快速通過狹窄、彎曲的控制河段，通常設有信號臺對通航船只進行統一指揮調度和監視。本文將AIS和數字云臺結合，采用預測跟蹤方法解決了靜態跟蹤中的滯后問題，融合圖像識別消除跟蹤誤差，對控制河段智能視覺跟蹤控制系統進了設計，并對系統結構、云臺控制、跟蹤控制軟件、人機交互等進行了詳細介紹。控制河段船舶通行情況視頻監控，是控制河段智能指揮系統的一個重要組成部分，將AIS和視頻監控結合，實現對船舶的智能跟蹤和監控是實現控制河段信號臺數字化和智能化不可缺少的主要手段。

［1］湯一平.基于計算機視覺的內河航道智能監控系統［C］.／／全國模式識別學術會議論文集，2007：369－376.

［2］蘭培真.海事智能視頻監控系統設計與實現［J］.中國航海，2008，31（1）：24－27.

［3］王 瑩.CCTV目標定位技術在VTS領域中的應用［D］.大連：大連海事大學，2010.

［4］湯一平.多視覺信息融合的內河航道智能監控系統［J］.中國圖象圖形學報，2008，13（8）：1608－1616.

［5］于 臣.基于電子海圖的CCTV智能控制系統［C］.／／中國航海學會通信導航專業委員會2006年學術年會論文集.大連：大連海事大學出版社，2006：93－98.

［6］蘭培真，陶 進.海事閉路電視智能監管聯動系統［J］.中國航海，2010，33（4）：26－29.

［7］ZHOU Jianmin，WANG Jie.Intelligent vessel dynamics video monitoring system based on AIS data［C］.／／Proceedings of SMC，2009：4932－4935.

［8］周劍敏，王 捷.基于AIS數據的智能船舶動態視頻監控系統設計［J］.上海海事大學學報，2009，30（4）：26－29.