一種激光水面漂浮物體識(shí)別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用激光照射水面識(shí)別漂浮物體的方法，尤其涉及一種激光水面漂浮物體識(shí)別方法，屬于電子及光學(xué)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程，水體的污染情況加重，漂浮物增多、航行設(shè)備大量出現(xiàn)；如何快速有效的識(shí)別水面漂浮物，為水面安全規(guī)避、污染物清潔、水面交通安全等領(lǐng)域提供早期預(yù)警及實(shí)時(shí)監(jiān)控等信息，成為了信息化、傳感器領(lǐng)域的重要課題之一。
[0003]現(xiàn)有的水面目標(biāo)識(shí)別方法，通過CCD相機(jī)獲取水面圖像，進(jìn)行識(shí)別，錯(cuò)誤率高、成本高、監(jiān)控范圍有限；通過碰撞和距離傳感器，獲取傳感信息，實(shí)時(shí)性差，安全性差，使用壽命有限；通過聲納雷達(dá)等設(shè)備，維護(hù)成本高昂，無(wú)法適應(yīng)惡劣環(huán)境；很難大規(guī)模應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)需求領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種激光水面漂浮物體識(shí)別方法，實(shí)現(xiàn)快速、有效的對(duì)水面漂浮物體進(jìn)行檢測(cè)、識(shí)別。
[0005]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
一種激光水面漂浮物體識(shí)別方法，其特征在于，包括以下步驟:
(1)在待檢測(cè)預(yù)定水面的一側(cè)放置近紅外激光發(fā)射器；另一側(cè)對(duì)應(yīng)放置專用紅外攝像機(jī)；打開近紅外激光發(fā)射器，對(duì)待檢測(cè)預(yù)定水面進(jìn)行照射；專用紅外攝像機(jī)實(shí)時(shí)進(jìn)行攝像；所述的近紅外激光發(fā)射器和專用紅外攝像機(jī)至少設(shè)置一組；且所述的近紅外激光發(fā)射器以30° — 60°的角度照射水面；以一定密度平均覆蓋待檢測(cè)預(yù)定水面的全部；所述專用紅外攝像機(jī)設(shè)置在近紅外激光發(fā)射器發(fā)射激光照射水面后的反射激光覆蓋區(qū)域；且所述專用紅外攝像機(jī)設(shè)置在遠(yuǎn)離近紅外激光發(fā)射器發(fā)射激光照射在靜止水面的反射路徑上；
(2)專用紅外攝像機(jī)CMOS元器件成像后，通過圖像處理系統(tǒng)利用軟件數(shù)字濾波手段濾除圖像畫面噪聲點(diǎn)，計(jì)算整張圖像畫面的白平衡，根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)確定二值化圖像所需要的灰度閥值；對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理；對(duì)獲得的二值化圖像，自動(dòng)判別、統(tǒng)計(jì)畫面中的光斑數(shù)目；所述光斑數(shù)目大于等于零，小于等于近紅外激光發(fā)射器的個(gè)數(shù)；且所述的專用紅外攝像機(jī)的鏡頭前還設(shè)置有用于將圖像亮度降低至日夜變化范圍均不超過量化閥值的濾光片；所述的專用紅外攝像機(jī)的CMOS元器件之前還設(shè)置有用于將近紅外激光發(fā)射器發(fā)射的中心頻率在一定范圍以外的電磁波進(jìn)行高分貝的衰減的物理專用窄帶數(shù)字濾波器；
(3)根據(jù)獲得的光斑數(shù)目，以及專用紅外攝像機(jī)的位置輸入計(jì)算機(jī)模型分析出待檢測(cè)預(yù)定水面的漂浮物是否存在，以及漂浮物的類型、表面崎嶇度、厚度、面積大小信息。
[0006]本發(fā)明的有益效果在于:利用紅外激光設(shè)備照射水面，利用水面、水體對(duì)紅外激光的折射，來(lái)檢測(cè)水面漂浮物；識(shí)別精度高、實(shí)時(shí)性好、維護(hù)成本低、應(yīng)用范圍廣、使用壽命長(zhǎng)；可以很好的替代現(xiàn)有的水面識(shí)別設(shè)備和漂浮物檢測(cè)傳感器設(shè)備，應(yīng)用于各種信息化的系統(tǒng)中；進(jìn)一步的，可以根據(jù)利用其一系列特點(diǎn)，大規(guī)模的應(yīng)用于識(shí)別水面漂浮物，為水面安全規(guī)避、污染物清潔、水面交通安全等領(lǐng)域提供早期預(yù)警及實(shí)時(shí)監(jiān)控等，實(shí)現(xiàn)較大的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益。
[0007]【附圖說明】:
圖1為本發(fā)明方法對(duì)專用紅外攝像機(jī)拍攝圖像處理流程示意圖；
圖2為本實(shí)施例水面無(wú)漂浮物時(shí)反射光線示意圖；
圖3為本實(shí)施例水面有漂浮物時(shí)反射光線示意圖；
圖中主要附圖標(biāo)記含義如下:
1、紅外激光發(fā)射器，2、專用紅外攝像機(jī)，3、水面，4、漂浮物。
[0008]【具體實(shí)施方式】:
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做具體的介紹。
[0009]如圖2所示，左側(cè)為紅外激光發(fā)射器I，右側(cè)為專用紅外攝像機(jī)2 ;中間水面3不存在漂浮物4時(shí)，由于水面3和水體的折射和吸收，反射光線的強(qiáng)度和方向特定；在反射路徑之外幾乎不存在電磁輻射；如圖3所示，當(dāng)照射到一定的漂浮物4體上的時(shí)候，折射損失消失，發(fā)生漫反射；反射光線的強(qiáng)度根據(jù)漂浮物4體的表面特性和顏色在一定范圍內(nèi)被專用紅外攝像機(jī)2捕獲；圖中的光線強(qiáng)度以顏色的黑色程度標(biāo)識(shí)；而且，通過圖像處理系統(tǒng)預(yù)設(shè)的處理手段，捕獲的圖像可以有效的避免水面3波動(dòng)帶來(lái)的鏡面反射的短暫影響。
[0010]本發(fā)明方法具體步驟如下:
在待檢測(cè)預(yù)定水面3的一側(cè)放置多個(gè)近紅外激光發(fā)射器I ;另一側(cè)對(duì)應(yīng)放置多個(gè)專用紅外攝像機(jī)2 ;打開近紅外激光發(fā)射器1，對(duì)待檢測(cè)預(yù)定水面3進(jìn)行照射；專用紅外攝像機(jī)2實(shí)時(shí)進(jìn)行攝像；本實(shí)施例所述的近紅外激光發(fā)射器I都以30°的角度照射水面3 ;以一定密度平均覆蓋待檢測(cè)預(yù)定水面3的全部；當(dāng)然，也可以都以35°、40°、45°、50°、55°、60°的角度照射水面3 ;所述專用紅外攝像機(jī)2設(shè)置在近紅外激光發(fā)射器I發(fā)射激光照射水面3后的反射激光覆蓋區(qū)域；且所述專用紅外攝像機(jī)2設(shè)置在遠(yuǎn)離近紅外激光發(fā)射器I發(fā)射激光照射在靜止水面3的反射路徑上。
[0011]專用紅外攝像機(jī)2通過設(shè)置在鏡頭前的濾光片，物理預(yù)先過濾排除自然強(qiáng)光干擾，將圖像亮度降低至日夜變化范圍均不超過量化閥值；專用紅外攝像機(jī)2CMOS元器件成像后，本實(shí)施例將可見光及近紅外激光發(fā)射器I范圍內(nèi)的光強(qiáng)將至實(shí)際光強(qiáng)度的0.02%，即37db的衰減；本實(shí)施例選用近紅外激光發(fā)射器中心波長(zhǎng)為808nm，衰減程度小于等于3db的區(qū)域?yàn)?798nm~818nm。
[0012]通過圖像處理系統(tǒng)利用軟件數(shù)字濾波手段濾除圖像畫面噪聲點(diǎn)，計(jì)算整張圖像畫面的白平衡，根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)確定二值化圖像所需要的灰度閥值；所述灰度閥值是根據(jù)場(chǎng)景水體水面3的反射特性，即水體底部物質(zhì)的反射和水中懸浮物質(zhì)的反射；以及該處水體的光譜吸收和透射特性，即水體中懸浮物質(zhì)的種類確定；在特定的場(chǎng)景測(cè)試后得出的合適的值；對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理；強(qiáng)制灰度低于閥值的像素區(qū)塊的灰度為O ;強(qiáng)制灰度高于閥值的像素區(qū)塊的灰度值為255 ;對(duì)獲得的二值化圖像，自動(dòng)判別、統(tǒng)計(jì)畫面中的光斑數(shù)目；對(duì)一塊特定大小的像素區(qū)域內(nèi)灰度為O的像素點(diǎn)超過一定數(shù)目，判斷為一個(gè)獨(dú)立的光斑；所述光斑的數(shù)目大于等于零，小于等于近紅外激光發(fā)射器I的個(gè)數(shù)；且本實(shí)施例在所述的專用紅外攝像機(jī)2的CMOS元器件之前還設(shè)置有用于將近紅外激光發(fā)射器I發(fā)射的中心頻率在一定范圍以外的電磁波進(jìn)行高分貝的衰減的物理專用窄帶數(shù)字濾波器。
[0013]根據(jù)獲得的光斑數(shù)目，以及多個(gè)專用紅外攝像機(jī)2的位置輸入計(jì)算機(jī)模型分析出待檢測(cè)預(yù)定水面3的漂浮物4是否存在，以及漂浮物4的類型、表面崎嶇度、厚度、面積大小信息。
[0014]本發(fā)明的光學(xué)科學(xué)領(lǐng)域的原理分析如下:
水的光譜特征主要是由水本身的物質(zhì)組成決定，同時(shí)又受到各種水狀態(tài)的影響；地表較純凈的自然水體對(duì)0.4?2.5 μ??波段的電磁波吸收明顯高于絕大多數(shù)其它地物；在光譜的可見光波段內(nèi)，水體中的能量物質(zhì)相互作用比較復(fù)雜，光譜反射特性概括起來(lái)有以下特點(diǎn):
(1)光譜反射特性可能包括來(lái)自三方面的貢獻(xiàn):水的表面反射、水體底部物質(zhì)的反射和水中懸浮物質(zhì)的反射；
(2)光譜吸收和透射特性不僅與水體本身的性質(zhì)有關(guān)，而且還明顯地受到水中各種類型和大小的物質(zhì)——有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的影響；
(3)在光譜的近紅外和中紅外波段，水幾乎吸收了其全部的能量，即純凈的自然水體在近紅外波段更近似于一個(gè)“黑體”，因此，在1.1?2.5μπι波段，較純凈的自然水體的反射率很低，幾乎趨近于零。
[0015]參考現(xiàn)有文獻(xiàn)，光線入射純凈較深水面，對(duì)各個(gè)波長(zhǎng)反射率:藍(lán)紫光，特征波長(zhǎng)0.45 μ m，反射率2.9% ;綠光，特征波長(zhǎng)0.555 μ m，反射率3.4% ;紅光，特征波長(zhǎng)0.65 μ m，反射率2.6% ;近紅外光，特征波長(zhǎng)0.9 μ m，反射率2.2% ；中近紅外光，特征波長(zhǎng)2.0 μ m，反射率1.7%沖紅外光，特征波長(zhǎng)>2.5 μ m，反射率>2.0% ;因此自然潔凈水體呈現(xiàn)暗墨綠色；對(duì)應(yīng)的，水面特征漂浮物，漫反射率介于1°/『7%，即黑色、黑褐色，到25°/『40%，即白色、銀色；因此可以有效的通過識(shí)別近紅外光線的反射率，確定水面漂浮物是否存在。
[0016]上述實(shí)施例不以任何形式限制本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種激光水面漂浮物體識(shí)別方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)在待檢測(cè)預(yù)定水面的一側(cè)放置近紅外激光發(fā)射器；另一側(cè)對(duì)應(yīng)放置專用紅外攝像機(jī)；打開近紅外激光發(fā)射器，對(duì)待檢測(cè)預(yù)定水面進(jìn)行照射；專用紅外攝像機(jī)實(shí)時(shí)進(jìn)行攝像； (2)專用紅外攝像機(jī)CMOS元器件成像后，通過圖像處理系統(tǒng)利用軟件數(shù)字濾波手段濾除圖像畫面噪聲點(diǎn)，計(jì)算整張圖像畫面的白平衡，根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)確定二值化圖像所需要的灰度閥值；對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理；對(duì)獲得的二值化圖像，自動(dòng)判別、統(tǒng)計(jì)畫面中的光斑數(shù)目； (3)根據(jù)獲得的光斑數(shù)目，以及專用紅外攝像機(jī)的位置輸入計(jì)算機(jī)模型分析出待檢測(cè)預(yù)定水面的漂浮物是否存在，以及漂浮物的類型、表面崎嶇度、厚度、面積大小信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光水面漂浮物體識(shí)別方法，其特征在于，步驟(I)所述的近紅外激光發(fā)射器和專用紅外攝像機(jī)至少設(shè)置一組。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種激光水面漂浮物體識(shí)別方法，其特征在于，所述的近紅外激光發(fā)射器以30° — 60°的角度照射水面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光水面漂浮物體識(shí)別方法，其特征在于，步驟(2)所述的專用紅外攝像機(jī)的鏡頭前還設(shè)置有用于將圖像亮度降低至日夜變化范圍均不超過量化閥值的濾光片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光水面漂浮物體識(shí)別方法，其特征在于，步驟(2)所述的專用紅外攝像機(jī)的CMOS元器件之前還設(shè)置有用于將近紅外激光發(fā)射器發(fā)射的中心頻率在一定范圍以外的電磁波進(jìn)行高分貝的衰減的物理專用窄帶數(shù)字濾波器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光水面漂浮物體識(shí)別方法，其特征在于，步驟(I)所述專用紅外攝像機(jī)設(shè)置在近紅外激光發(fā)射器發(fā)射激光照射水面后的反射激光覆蓋區(qū)域；且所述專用紅外攝像機(jī)設(shè)置在遠(yuǎn)離近紅外激光發(fā)射器發(fā)射激光照射在靜止水面的反射路徑上。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種激光水面漂浮物體識(shí)別方法，包括以下步驟：（1）在待檢測(cè)預(yù)定水面的一側(cè)放置近紅外激光發(fā)射器；另一側(cè)對(duì)應(yīng)放置專用紅外攝像機(jī)；（2）專用紅外攝像機(jī)CMOS元器件成像后，通過圖像處理系統(tǒng)判別、統(tǒng)計(jì)畫面中的光斑數(shù)目；（3）根據(jù)獲得的光斑數(shù)目，以及專用紅外攝像機(jī)的位置輸入計(jì)算機(jī)模型分析出待檢測(cè)預(yù)定水面的漂浮物是否存在，以及漂浮物的類型、表面崎嶇度、厚度、面積大小信息。本發(fā)明利用紅外激光設(shè)備照射水面，利用水面、水體對(duì)紅外激光的折射，來(lái)檢測(cè)水面漂浮物；識(shí)別精度高、實(shí)時(shí)性好、維護(hù)成本低、應(yīng)用范圍廣。
【IPC分類】G01B11-28, G01B11-06, G01B11-30, G01N21-47, G01V8-10
【公開號(hào)】CN104765073
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510129794
【發(fā)明人】趙建, 季錦章, 楊正, 臧正保, 劉轟, 郭亞中, 王瑞
【申請(qǐng)人】江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司
【公開日】2015年7月8日
【申請(qǐng)日】2015年3月24日