基于視頻的夜間航標燈定位與狀態檢測

張鈞儼 李文華 陳先國 何浩

摘要：航標維護是航道巡查工作的重要部分，自數字航道運行后，視頻監控幾乎覆蓋了航道的所有關鍵河道，因此，該項工作方式也應該得到升級和轉變。文章對夜間監控視頻進行分析，通過對視頻取幀差的方法，將航標燈與背景分割，從而實現定位;并統計其亮滅的時間序列，對航標燈進行分類識別，進而判斷其工作狀態是否正常。與傳統作業相比，該方法充分利用了視頻監控信息，在理想狀態下，能大幅減少人為巡檢的工作量，也改變了以往只能在現場進行巡檢的工作方式，基本滿足隨時查看的需求，節省了人力、物力，具有較好的效用;為更好地實現數字航道下航道巡查提供建議。

關鍵詞：航標維護;幀差法;航標燈;定位;狀態識別

中圖分類號：TP311? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）04-0125-02

航標燈是一種導航設施，通過在夜間發出一定頻率和顏色的燈光來對夜行的船舶進行指引。我國幅員遼闊，眾多的航道上，航標燈的存在保證了船只的安全。國大內量使用的航標燈光源大都為燈泡型光源，存在著光效不高、功率大、維護周期短等問題[1]。所以在航道管理中，航標燈的檢查和維護工作占了很大的比重。在內河航道中的航標燈，由于會受到河流水沖擊的影響，其位置是變化的，而且，目前還沒有針對航標燈的跟蹤攝像頭;因此，通過視頻來檢測航標燈的第一步就是定位，然后對航標燈的亮滅進行時序分析，判斷航標燈類別及工作狀態。

1 航標燈定位

幀間差分法（幀差法）是通過對視頻圖像序列中連續的幾幀作差分運算來獲得運動目標輪廓的方法。考慮到在夜間環境下，航標燈的亮滅與周邊環境有較大的反差，幀差法由于計算量小，能快速檢測出視頻中航標燈的位置。

1.1 實現步驟

對圖像進行預處理，去掉隨機噪聲，減少對處理結果的干擾;

在圖像序列中選取連續的兩幀，前一幀為[fk?1x，y]，后一幀為[fkx，y];

按照式1將兩幅圖對應像素點的灰度值相減，取絕對值，得到差分圖像[Dn];

設定合理的閾值T，按照式2對差分圖像[Dn]進行二值化處理，得到二值化圖像[R'n];

對圖像[R'n]進行形態學運算，得到含有目標的圖像[Rn]。

經上述操作，夜間航標燈的位置如圖1所示;左側為處理前，右側為處理后的圖像。處理后圖片中存在三個大小不一的白色區域，也對應處理圖片的三個航標燈（一個距離較近，兩個距離較遠），通過設置面積的閾值，讓靠后的兩個航標燈不在統計范圍內。

2 航標燈狀態分析

航標燈的亮滅具有一定的節奏，并按照節奏不斷的循環，除了顏色這一個重要特征，燈光的亮滅節奏和周期也是航標燈狀態分析的關鍵指標。夜間環境下，航標燈顏色在去除背景干擾的情況下很容易被檢測出來，因此，航標燈燈質的節奏和周期是分析的要點。

表1列舉了幾種常見的航標燈燈質，在統計閃光周期時，亮滅時間比也是一個重要的分類標準。

在實際生產中，航標燈能選擇的亮滅節奏和周期多達兩百多種，包括單閃、雙閃、三閃、塊閃及摩爾斯燈光等，而且在安裝實施上更需要考慮河道環境、識別度、能耗等多樣的因素[2]。因此，要對航標燈進行狀態識別，需要首先識別航標燈的類別。

傳統人工檢測的方法是通過肉眼去判斷航標燈的亮滅節奏，用秒表來記錄航標燈的閃滅周期，這種室外的檢測方式效率較低，且準確度不高。為簡化工作方式，提高檢測的準確度，孫小鵬[3]等人利用光譜分析設計了便攜式的航標燈燈質檢測儀，具有較高的使用價值，而在檢測燈質的節奏和周期時，要求盡可能在現場靠近航標燈，需要一定人力、物力的支出。另一種常見的識別方式[4]是通過記錄航標燈亮滅的持續時間，該方法在實施上要求周圍環境對航標燈的影響盡可能地小，最好是在光學暗室內進行。

基于視頻的夜間航標燈狀態檢測方法將燈質的檢測工作進一步簡化為對視頻幀的分析和統計，假定當前檢測的航標燈發光時輸入信號為1，燈滅時輸入信號為0;連續多幀的統計后，得到類似于01…01的數字串;接著通過最小周期匹配的方法得出該航標燈的亮滅周期，最后在周期內分析出航標燈的節奏規律，從而達到識別航標燈類別的目的。具體步驟描述如下：

（1）把從第一次燈亮開始，到第一次燈滅的時間當作最小的周期，稱為模板周期;

（2）以該周期為模板，向后取相同的時間長度進行匹配，如果兩個周期時間相近或相? ? 等，則認為該周期為燈質的亮滅周期;

（3）如果不匹配，在第一步的基礎上繼續向后選取到第n+1次燈滅的時間為模板周期，? 并重復第二步的步驟，直到匹配成功;

（4）在航標燈周期內統計亮滅的節奏時長，確定航標燈種類。

上述方法將數據處理對象轉換成了單一的數字串，降低了分析難度，且在高幀率視頻的統計下有較高的準確度。

3 結論

回顧近幾年，我國航道經歷了從全線整合到數字航道聯通的真正實現，全面提高了公共服務能力[5]。本文以視頻為載體進行航標燈的檢測，是傳統航標燈巡檢工作的改進。本文提供了一種對視頻幀連續統計的方法，分析出航標燈燈質種類;然而，也從側面反映了視頻質量對該方法的使用限制，而且，航標燈燈泡普遍具有充放電效應，形成了對統計的干擾，由于所占比例很小，可以人為地過濾掉;另一方面，燈泡選用較好的材料也是一個值得探討的問題。

參考文獻：

[1] 王吉平. 目視航標燈器發展初探[A]. 中國航海學會航標專業委員會沿海航標學組、中國航海學會航標專業委員會內河航標學組.中國航海學會航標專業委員會沿海、內河航標學組聯合年會學術交流論文集[C].中國航海學會航標專業委員會沿海航標學組、中國航海學會航標專業委員會內河航標學組：中國航海學會，2003：3.

[2] 徐峰，鄭毅，潘國杰.再談長江下游航標燈單、雙、三閃航標燈閃光節律及閃光周期的選擇[J].中國水運.航道科技，2019（4）：23-28.

[3] 孫小鵬，張臨強，侯嘉.便攜式航標燈燈質智能檢測儀[J].中國海事，2020（9）：53-56.

[4] 張金奎，李文華，明瑞.基于機器視覺的可視化航標燈監測系統[J].電腦編程技巧與維護，2021（6）：129-131.

[5] 張卷卷，李健.數字航道建設 推動長江中游航道維護管理模式轉型升級[J].中國水運，2015（4）：28-29.

收稿日期：2021-08-23

作者簡介：張鈞儼（1997—），男（土家族），湖北人，在讀碩士，研究方向為計算機應用技術、圖像處理、計算機視覺;李文華（1965—），男，湖北人，副教授，研究方向為軟件工程、網絡數據庫技術、GIS技術。