基于图像和AIS的船舶识别及侵入告警方法研究

◆高东

（中国电子科技集团公司第二十八研究所 江苏 210000）

在海事、船舶管理系统等民用领域中，视频监控成为一种重要的信息来源，从实时视频监控中快速有效的提取船舶目标，对船舶身份进行自动判别，对船舶异常行为进行告警，成为一个重要的应用领域。在目标检测技术中，应用比较广泛的有背景差分法、“帧间差分法”、光流法等，背景差分法易受环境光线变化的影响，不适用于背景变化很大的情况；“帧间差分法”为“帧间”时间间隔的选取很重要，只能提取出目标边界；光流法对硬件要求比较高，计算较复杂，“抗噪性”差。因此，如何快速有效地检测船舶目标，结合其他来源信息，对船舶身份和行为进行判别成为一个重要发展趋势。

1 方法概述及流程

本文介绍一种基于视频的船舶身份识别与侵入区域告警方法，主要包括三个过程。一是利用PTZ摄像头采集图像，利用平均“帧间差分法”与背景差分法将采集到的当前图像与背景图像进行差分，提取运动船舶目标；二是利用摄像机标定，结合图像处理方法，提取船舶目标的位置、尺寸、颜色等参数信息；三是以AIS信息为参考基准，对船舶身份进行判别，对船舶是否侵入区域进行告警判断。处理流程如图1所示。

图1船舶身份识别与告警处理流程

2 船舶识别步骤及方法

2.1 船舶目标检测

首先利用PTZ摄像头采集图像，采用平均“帧间差分法”实现图像背景的重建与自动更新。采用平均“帧间差分法”实现图像背景更新的具体步骤为：

第1，连续采集最新的k幅图像序列fi（x，y）,（i=1，2，…，k），进行彩色图像灰度化处理；

第2，对连续k幅灰度图像作两两帧间差分处理，差分图像的计算公式为：

式中，（x，y）表示图像中像素坐标，fi（x，y）表示第i帧图像中坐标（x，y）处像素的灰度值，fi-1（x，y）表示第i-1帧中坐标（x，y）处的像素灰度值；

通过下述公式对背景图像进行重建：

式中，T为预设的“帧”差阈值，Bi（x，y）为重建的第i“帧”背景图像，N为重建的背景图像总数，B（x，y）为重建后的参考背景图像。

其次，利用改进的背景差分法将采集到的当前图像与背景图像进行差分，提取运动船舶目标。采用改进的背景差分法实现船舶目标检测的具体步骤为：

第1，根据采集图像的宽度和高度取值，在图像中设置“虚拟线圈”矩形触发区域；

第2，对于实时输入的图像序列，在矩形区域内通过下述公式将采集图像和背景图像作差分处理：

式中，T0为预设的差分阈值，（x，y）为矩形区域内的像素，fi（x，y）为第i帧图像，B（x，y）为背景图像；

统计Di（x，y）中像素大于零的个数，若总数大于设定的阈值，则当前图像被触发，可能含有运动船舶目标，否则丢弃当前图像，继续处理下一帧；

第3，对于成功触发的图像，将图像中的所有像素与背景图像做差分，“差分值”大于指定阈值处的像素“灰度值”置为255，小于指定阈值置为0，从而得到二值图像；

第4，对二值图像进行滤波等“去噪”处理，利用图像开闭运算等形态学方法去除二值图像中的孔洞。

2.2 船舶参数信息提取

船舶目标检测后，提取船舶目标的位置、尺寸、颜色等参数信息，提取船舶目标参数信息的具体步骤为：

图2摄像机标定模型

第1，利用Canny边缘检测方法提取二值图像中船舶目标的轮廓，计算外接矩形区域的重心所在处的像素坐标，结合图2摄像机标定模型，根据摄像机的焦距、高度、姿态等参数，利用下述摄像机标定模型将像素坐标转换为物理坐标：

式中，u-v为图像坐标系，原点位于图像中心；Xw-Yw-Zw为物理坐标系，原点为摄像机光轴与地面交点；f为摄像机焦距，H为摄像机高度，t为摄像机俯仰角，p为偏角，s为旋转角。

第2，利用船舶目标的外接矩形区域计算船舶目标在图像坐标中的长度和宽度，根据标定模型和摄像机焦距计算实际船舶目标的长度和宽度。

第3，利用船舶目标的外接矩形区域参数将采集的原始图像中的船舶目标提取出来，根据RGB色彩空间信息提取目标的“主色彩”特征，判断船舶目标的颜色。

2.3 船舶识别与告警处理

以AIS信息为参考基准，对船舶身份进行判别，对船舶是否侵入区域进行告警判断。对船舶身份和侵入区域告警判断具体步骤为：

第1，以AIS信息中的时间、位置、船舶尺寸等参数为参考基准，与基于图像提取的船舶时间、位置、尺寸等参数进行配准、比对分析，对船舶身份进行判别，识别非合作船舶目标；

第2，根据设置的告警区域、告警门限、目标过滤等告警规则信息，结合船舶目标的物理位置判断是否侵入预设区域并进行告警。

3 结论

与现有技术相比，本文提出的一种基于图像的船舶身份识别与侵入区域告警方法，具有以下特点：采用平均“帧间差分法”实现图像背景的快速重建和自动更新，采用改进的背景差分法实现目标快速有效地检测；提取船舶目标的参数信息，同时结合AIS参数信息，进行船舶身份判别和侵入区域告警处理；计算简单，易于实现，具有较好的工程应用前景。