本發明涉及圖像處理領域。本發明涉及一種基于圖像識別的橋梁防撞主動預警方法及系統。
背景技術:
1、隨著水運行業的發展,橋梁的基礎安全是大橋橋梁保護最重要的主題之一。在水上交通中,船舶通常需要經過橋梁航行,然而,由于船舶的尺寸較大、操作復雜,以及水上交通環境的復雜性,船舶與橋梁之間的碰撞事故時有發生。這些事故可能會導致船舶的損壞和人員傷亡,還可能造成橋梁的結構損壞和交通中斷,對航道安全和交通運輸造成嚴重影響。
2、目前,公開號為cn106530837a的專利申請文件公開了一種基于機器視覺的橋梁主動防船撞方法。方法包括:選擇合適的橋墩布置攝像頭,利用機器視覺技術對江面船只進行靜態和動態的識別,通過對船只的速度、航向、所在位置等信息進行綜合分析,給出橋梁船只碰撞風險評估,并在碰撞發生前及時預警。
3、上述方法主要針對的是利用機器視覺技術從橋梁的視角對航行的船只進行監測和預警,然而,由于使用的攝像頭處于高處,雖然可以覆蓋較廣的區域,但高處的視角可能導致對小型船只檢測不足,且由于攝像頭的位置和角度是固定的,可能在橋墩下方或遠處形成視覺盲區,無法精確判斷船只在水平面上的高度和寬度,這可能導致無法準確評估船只是否能夠安全通過橋洞。
技術實現思路
1、為解決上述在橋墩上安裝攝像頭去識別航行的船只,存在一定的視野限制,無法準確評估船只是否能夠安全通過橋洞的技術問題,本發明在如下的多個方面中提供方案。
2、在第一方面中,一種基于圖像識別的橋梁防撞主動預警方法,包括:
3、在船舶行駛過程中,建立當前時刻在水平面上的船舶三維模型,并啟動船舶搭載的無人機前往指定位置采集橋梁的點云數據,從而構建橋梁三維模型;
4、將船舶三維模型和橋梁三維模型分別轉換為船舶體素網格和橋梁體素網格,對齊船舶體素網格和橋梁體素網格并進行相交測試,若船舶體素網格和橋梁體素網格存在交集,發出碰撞預警信息;
5、其中,無人機前往拍攝位置采集橋梁的點云數據的過程為:
6、設定無人機的飛行區域、飛行高度以及拍攝角度的范圍,在所述范圍內任意選擇初始的拍攝位置和拍攝角度作為目標函數的輸入,所述目標函數與無人機在多個拍攝角度下的點云數據的重疊度、點云密度正相關;
7、對目標函數進行迭代,在每次迭代中使用優化算法,直至達到預設的迭代次數后輸出使目標函數值最高的最優的拍攝位置和角度;
8、無人機在最優的拍攝位置和角度獲取橋梁的點云數據。
9、有益效果:本發明使用船舶搭載的無人機對橋梁進行拍攝,在拍攝過程中通過多次迭代并使用優化算法不斷調整無人機的拍攝位置和角度,進而獲得高質量的橋梁點云數據,以構建準確的橋梁三維模型,將船舶三維模型和橋梁三維模型整合到一個共同的參考系統中以更好地進行碰撞檢測,并及時發出警報,從而通過實時監控和預警避免船舶與橋梁之間可能發生的碰撞,提高船舶航行的安全性。
10、在一個實施例中,所述目標函數為:
11、;式中,為所述目標函數,為無人機的拍攝位置,為拍攝角度,、、均為權重系數,為所述點云密度,為橋梁點間距,為在多個拍攝角度下的點云數據的重疊度;其中,和表示拍攝時無人機的水平位置,表示無人機飛行的高度。
12、有益效果:通過最大化點云密度,目標函數確保無人機拍攝的每個畫面都盡可能包含更多的點云信息,這直接提高了橋梁數據的精度和可靠性。
13、在一個實施例中,所述對齊船舶體素網格和橋梁體素網格包括:
14、選取橋梁體素網格作為固定參考坐標系,使用迭代最近點算法計算船舶體素網格與橋梁體素網格之間的最佳變換矩陣;其中,所述迭代的終止條件為兩個所述體素網格之間的距離小于設定閾值;
15、根據所述最佳變換矩陣,將船舶體素網格轉換到橋梁體素網格的坐標系下,進而使船舶三維模型和橋梁三維模型在固定參考坐標系中對齊。
16、有益效果:通過對齊兩個體素網格,系統能夠以高精度確定船舶與橋梁之間的相對位置和距離,這對于準確判斷碰撞風險至關重要,在實時監控系統中,船舶的位置不斷變化,對齊體素網格可以實時更新船舶與橋梁的相對位置,為駕駛員或自動導航系統提供及時的避碰信息。
17、在一個實施例中,所述相交測試的步驟為:
18、基于橋梁體素網格和船舶體素網格分別構建相應的八叉樹,遍歷兩個所述八叉樹,若兩個所述八叉樹的根節點之間存在不相交,則確認船舶和橋梁之間沒有碰撞;
19、若兩個所述八叉樹的根節點之間存在相交,對于相交的根節點繼續遍歷,當遍歷到達葉子節點時,分別將兩個所述八叉樹的葉子節點中的體素離散化為一個離散點集合;
20、設定距離閾值,若兩個所述離散點集合的任意兩個離散點之間的距離小于所述距離閾值,則確認船舶和橋梁之間發生碰撞。
21、有益效果:使用八叉樹可以顯著減少不必要的計算,因為不相交的部分可以被快速排除,通過離散點集合和距離閾值的設定,算法能夠在體素級別精確地判斷出碰撞的發生。
22、在一個實施例中,所述船舶三維模型的獲取步驟為:
23、確定當前時刻船舶在水平面以上的高度,根據所述高度、船舶的寬度和船舶的長度建立船舶在水平面以上的船舶三維模型;
24、所述船舶三維模型中以水平面為原點,x軸代表船舶的前進方向,y軸代表船舶的橫向位置,z軸代表船舶在水平面以上的高度。
25、在一個實施例中,所述構建橋梁三維模型還包括:
26、利用雙目視覺系統拍攝所述橋梁的圖像對,使用特征匹配算法在所述圖像對中找到對應的特征點對;
27、利用所述特征點對計算所述圖像對的視差信息,并使用雙目視覺系統中相機的標定數據將所述視差信息轉換為三維坐標,生成所述點云數據;
28、將所述點云數據預處理并重建為橋梁三維模型。
29、有益效果:雙目視覺系統能夠適應多種光照和環境條件,使得三維模型重建在不同的環境下都能穩定工作,提高了系統的穩定性和可靠性。
30、在一個實施例中,所述橋梁三維模型中定義原點為橋梁在水平面上的重心,x軸表示橋梁的長度,y軸表示橋梁的寬度,z軸表示橋梁在水平面以上的高度。
31、第二方面,一種基于圖像識別的橋梁防撞主動預警系統,包括:處理器和存儲器,所述存儲器存儲有計算機程序指令,當所述計算機程序指令被所述處理器執行時實現上述的一種基于圖像識別的橋梁防撞主動預警方法。
1.一種基于圖像識別的橋梁防撞主動預警方法,其特征在于,包括:
2.根據權利要求1所述的一種基于圖像識別的橋梁防撞主動預警方法,其特征在于,所述目標函數為:
3.根據權利要求2所述的一種基于圖像識別的橋梁防撞主動預警方法,其特征在于,所述對齊船舶體素網格和橋梁體素網格包括:
4.根據權利要求3所述的一種基于圖像識別的橋梁防撞主動預警方法,其特征在于,所述相交測試的步驟為:
5.根據權利要求1所述的一種基于圖像識別的橋梁防撞主動預警方法,其特征在于,所述船舶三維模型的獲取步驟為:
6.根據權利要求1所述的一種基于圖像識別的橋梁防撞主動預警方法,其特征在于,所述構建橋梁三維模型還包括:
7.根據權利要求6所述的一種基于圖像識別的橋梁防撞主動預警方法,其特征在于,所述橋梁三維模型中定義原點為橋梁在水平面上的重心,x軸表示橋梁的長度,y軸表示橋梁的寬度,z軸表示橋梁在水平面以上的高度。
8.一種基于圖像識別的橋梁防撞主動預警系統,其特征在于,包括:處理器和存儲器,所述存儲器存儲有計算機程序指令,當所述計算機程序指令被所述處理器執行時實現根據權利要求1-7任一項所述的一種基于圖像識別的橋梁防撞主動預警方法。