一種證據鏈形式的船舶視頻的生成及顯示方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于計算機視覺及信息融合技術領域，具體涉及船舶監控系統中查詢及取 證任務使用的一種證據鏈形式的船舶視頻的生成及顯示方法。
【背景技術】
[0002] 船舶視頻監控系統通常被集成在船舶交通管理系統（VesselTraffic Service，VTS)或電子巡航系統中，用于港區船舶航行的監控管理，以彌補雷達存在盲區、易 受電子干擾和無真實圖像等不足，其重要性在整個VTS中正逐漸增強。目前，國內外部署的 VTS中，視頻監控系統的各種應用操作大多采用人工手段，智能化水平較低。
[0003] 對于船舶監控系統來說，調閱指定船舶的歷史視頻信息是一項基本的任務。然而， 從多個攝像機的長時間視頻錄像中找出包含指定船舶的所有信息無疑是非常費時費力的， 而且很容易出錯。另外，找到指定船舶的一段視頻后，自動識別出指定船舶目標和其他船 舶，對于觀察船舶目標并分析船舶行為具有非常重要的意義。
[0004]目前關于船舶視頻監控系統的文獻中，通常將CCTV系統與AIS系統進行互聯互 通，以實現對船舶的智能監控管理。如文章《AIS，CCTV，VTS整合及功能拓展》（龔瑞卿，中國 水運，第10期，2005年，P42-43)介紹了一種CCTV與AIS整合聯動的例子，當船舶有碰撞危 險或擱淺危險時，除自動報警外還可依據船舶的AIS信息控制CCTV自動調整到對此船舶的 最佳觀測狀態，以便可以更好地發現問題并及時解決；文章《基于AIS數據的智能船舶動態 視頻監控系統設計》（周劍敏，王捷，上海海事大學學報，第4期，第30卷，2009年，p26-29) 介紹了一種利用AIS數據進行智能船舶動態視頻監控的方法，根據AIS系統中獲取的船舶 動態數據，設計自動監控決策控制模塊，通過驅動攝像機陣列對待監控船舶隊列進行智能 排序定位，實現對航行船舶的自動化智能視頻跟蹤。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是：提供一種證據鏈形式的船舶視頻的生成及顯示方法，從眾多監 控攝像機的長時間視頻錄像中快速提取出包含指定船舶的多個視頻片段，并將其按時間順 序排列起來形成證據鏈。
[0006] 本發明公開了一種證據鏈形式的船舶視頻的生成及顯示方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟1 :計算監控攝像機的視場角范圍：依據攝像機的成像模型和自身參數，計算 出攝像機的視場角范圍，用于判斷船舶目標能否進入攝像機的監控畫面中；
[0008] 步驟2 :推算船舶目標進入和駛離每一個攝像機監控范圍的時間：根據船舶目標 歷史AIS信息中的位置、時間信息以及攝像機的觀測范圍公式，判斷出該船舶目標處于攝 像機的觀測范圍之內的時刻，進而計算出船舶目標進入和駛離監控范圍的時間點；
[0009] 步驟3 :截取視頻片段并形成證據鏈：按照計算出來的船舶進入和駛離每一個攝 像機監控范圍的時間點，從每一個攝像機的監控錄像中截取包含該船舶目標的視頻片段并 按時間順序排列起來形成證據鏈；
[0010] 步驟4 :檢測視頻畫面中的運動船舶目標；提取一幀證據鏈視頻圖像，采用幀間差 法，通過將當前幀圖像與上一幀圖像相減來檢測出圖像中發生變化的區域，進而得到船舶 目標輪廓，實現船舶目標檢測，得到船舶目標檢測區域；
[0011] 步驟5 :獲取視頻畫面時刻進入攝像機監控范圍內的船舶AIS信息：首先判斷視頻 畫面來自哪一臺攝像機，然后根據所有船舶的AIS信息序列及攝像機的觀測范圍公式，查 找視頻畫面時刻進入該攝像機觀測范圍內的所有船舶的AIS信息；
[0012] 步驟6 :融合船舶圖像信息與AIS信息，顯示視頻。
[0013] 本發明步驟1中，通過以下攝像機觀測范圍公式判斷船舶目標所處的空間點 P(H，z。）能否進入攝像機的監控畫面中：
[0014]
[0015] 其中，W表示視頻圖像的寬度，Η表示視頻圖像的高度，f'x，f' ￥分別表示水平方 向和豎直方向上的像素焦距，u。，V。表示攝像機光軸投影點的像素坐標值，X。，y。，z。分別表示 目標點在攝像機坐標系下的坐標值。下標c表明是在攝像機坐標系下的坐標。
[0016] 本發明步驟2包括：
[0017] 步驟2-1 :獲取指定船舶目標在各個時刻的AIS信息，并且按照時間先后順序排列 為一個序列；
[0018] 步驟2-2 :針對每一個攝像機，從AIS信息序列中找出第一個和最后一個滿足相機 觀測范圍公式的時刻，最早滿足公式的時刻即為船舶進入相機觀測范圍的時刻，最后滿足 公式的時刻為船舶駛離觀測范圍的時刻；判斷船舶位置是否處于攝像機觀測范圍之內的方 法為：將AIS信息中的船舶位置轉換為攝像機坐標系下的坐標，再將其代入攝像機觀測范 圍公式中進行判斷。
[0019] 本發明步驟3通過推算船舶目標進入和駛離每一個攝像機監控范圍的時間來截 取視頻片段，并按時間順序排列形成證據鏈，包括：
[0020] 步驟3-1 :按照計算出來的船舶進入和駛離每一個攝像機監控范圍的時間點，從 每一個攝像機的監控錄像中截取包含該船舶目標的視頻片段；
[0021] 步驟3-2:以船舶進入攝像機觀測范圍的時刻為依據，將各個視頻片段按時間先 后順序排列起來形成證據鏈視頻。
[0022] 本發明步驟4包括：
[0023] 步驟4-1 :將當前圖像與上一幀圖像相減，得到幀差圖：
[0024] Rt(i，j) = |lt(i，j)_Itl(i，j) |，
[0025] 其中，It(i，j)表示t時刻的視頻圖像，ItJi，j)表示t-1時刻的視頻圖像，Rt(i，j) 表示t時刻的幀差圖；
[0026] 步驟4-2 :使用預設閾值對幀差圖進行二值化操作，得到運動區域圖：
[0027]
[0028] 其中，Wt(i，j)表示運動區域圖，thres為二值化閾值；
[0029] 步驟4-3:對區域圖進行開運算，濾除虛假船舶目標；
[0030] 步驟4-4:對區域圖進行閉運算，填補船舶目標區域中的空隙和間隔；
[0031] 步驟4-5:檢測聯通區域，得出船舶目標輪廓和外接矩形框，顯示在視頻畫面上， 完成檢測，得到船舶目標檢測區域。
[0032] 本發明步驟5包括：
[0033] 步驟5-1 :計算當前視頻畫面所屬的攝像機；
[0034] 步驟5-2 :考察一個船舶目標，獲取其各個時刻AIS信息所組成的序列；
[0035] 步驟5-3 :從中找出視頻畫面時刻所對應的AIS信息；
[0036] 步驟5-4 :利用該AIS信息中的船舶位置和攝像機觀測范圍公式，判斷所述船舶目 標此刻是否進入攝像機觀測范圍內，如果在觀測范圍內，則將該AIS信息作為一項結果保 存起來，返回步驟5-2,直至考察完所有船舶。
[0037] 本發明步驟6包括：
[0038] 步驟6-1 :計算步驟4得到船舶目標檢測區域的質心，得到船舶在圖像上的位置點 集，即檢測點集；
[0039] 步驟6-2:從步驟5獲取的船舶AIS信息中提取空間位置信息，形成船舶在空間中 的位置點集，即空間點集；
[0040] 步驟6-3 :將船舶的空間位置投影至圖像上得到投影點集；
[0041] 步驟6-4:尋找檢測點集與投影點集之間的最佳匹配點對：遍歷匹配點對的所有 情況，由匹配點對之間的位置關系計算相應的平移變換參數，對所有的投影點進行平移變 換；計算所有檢測點與最近投影點間距離的平均值作為衡量該平移變換準確與否的指標； 選擇衡量指標最好的那個平移變換對所有投影點進行位置偏差補償；
[0042] 步驟6-5 :采用最近鄰法完成匹配任務：對于每一個投影點，與其距離最近的檢測 點為其匹配點；同時設置門限，當最小距離大于一定閾值時認為該投影點為局外野值；當 兩個以上投影點對應同一個檢測點時，判斷艦船檢測時出現船舶目標粘連現象，則這個檢 測點為兩個以上船舶目標聯合區域的中心；
[0043] 步驟6-6 :明確關聯關系，得到每一個船舶檢測區域所對應的AIS信息；
[0044] 步驟6-7 :顯示視頻，在船舶檢測框內展示出包括船舶的身份、航行狀態和航行計 劃的AIS信息。
[0045] 本發明綜合利用閉路電視監控系統（ClosedCircuitTelevision,CCTV)和船舶 自動識別系統（AutomaticIdentificationSystem,AIS)，智能地生成并顯示指定船舶的 視頻證據鏈，提高船舶監控系統中查詢與取證的效率。
[0046]本發明具有智能化和全自動的優點，能夠從眾多攝像機的長時間視頻錄