[发明专利]一种夜雾天况下的舰船进出港导航系统及其构建方法

权利要求书

1.一种夜雾天况下的舰船进出港导航系统，其特征在于：包括港口周边海岸全景图系统（1）、夜雾天况下彩色视频重构系统（2）、无线请求信号发送模块（3）、无线视频信号发送模块（4）、无线视频信号接收模块（5）、红外摄像机成像系统（6）、视频显示模块（7）和差分GPS系统（8）；

所述的港口周边海岸全景图系统（1）安装在岸上控制中心的电脑中，用来存储在能见度良好的天况下对港口周边海岸（10）进行拍照取得的港口周边海岸全景图以及拍照每张图片对应的拍照位置和红外摄像机（14）参数信息；所述的夜雾天况下彩色视频重构系统（2）安装在岸上控制中心的电脑中，在夜雾天况下接收到舰船发送来的视频请求信号之后，根据舰船的航向和位置信息重新构建出最适合舰船端观察视场的港口周边海岸（10）彩色视觉视频；所述的无线视频信号发送模块（4）安装在岸上控制中心，负责将重构好的彩色视频发送到舰船端；所述的无线请求信号发送模块（3）和无线视频信号接收模块（5）均安装在舰船上，当舰船在夜雾天况下进出港时，无线请求信号发送模块（3）向岸上控制中心发出视频请求信号；无线视频信号接收模块（5）用来接收重构的彩色视频；所述的红外摄像机成像系统（6）安装在舰船上，用来捕获舰船周围的实时动态情况；所述的视频显示模块（7）安装在舰船上，用来显示红外摄像机成像系统（6）捕捉的实时视频和接收到的重构视频；所述的差分GPS系统（8）安装在港口岸上，用来精确定位舰船的位置并向彩色视频重构系统提供舰船的准确信息。

2.一种如权利要求1所述的夜雾天况下的舰船进港导航系统的构建方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、构建港口周边海岸全景图系统（1）

预先在晴朗的天气和海面上无船舶作业的情况下，在港口航道（11）内对港口周边海岸（10）进行拍照，将港口周边海岸（10）的固定目标全部捕捉到，后期通过预处理把图片的重合区域去除，拼接成一个完整的港口周边海岸全景图；在取景过程中要保证港口周边海岸（10）的所有固定目标都被取到；照片的最下面是水，中间是固定目标即港口基础设施，最上面是天空；在取景过程中，同时记录拍照点的位置和红外摄像机（14）的参数信息，建立两个文件，使拍得的照片与位置信息和参数信息一一对应，即每一张图片和取景地理位置坐标以及红外摄像机（14）拍照视场角一一对应；假设拍照第i张图片的坐标位置点记为P_i，i=1、2…n，拍照位置距离港口周边海岸（10）的垂直距离记为d_i，i=1、2…n，那么一副图片的宽度对应的实际宽度距离

若红外摄像机（14）拍到的图片的分辨率为m×n，那么一列像素对应的实际宽度距离为W_i/n；每间隔一段时间重新取景一次，用来消除港口规划建设对信息库的影响；

B、构建夜雾天况下彩色视频重构系统（2）

根据船舶进出港的类型的不同，构建不同的夜雾天况下的彩色视频重构系统：对于经常出没于本港口的舰船，转步骤B1；否则，转步骤B2；

B1、对于经常出没于本港口的舰船，预先在视频显示模块（7）存放拼接好的港口周边海岸全景图，然后在舰船上安装红外摄像机成像系统（6），等到舰船进入港口航道（11）之后，即在视频显示模块（7）的显示屏上显示港口周边海岸全景图，同时与红外摄像机成像系统（6）捕获的视频进行对比，很清楚地观看港口附近的情景，不需要和港口岸上的控制中心进行远程联络，只需要通过视频显示模块（7）构建出港口周边海岸（10）的高清晰彩色实景视频；根据需要对视图进行放大或者缩小，以便清楚的观察港口周边海岸（10）的细节情况；所述的红外摄像机成像系统（6）包括一台红外摄像机（14）；结束；

B2、对于那些不是经常在本港口活动的舰船，将港口周边海岸全景图存放在岸上的控制中心，待岸上控制中心接收到舰船的无线请求信号时把重新构建好的彩色视频发送给舰船；舰船上预先只需要安装无线请求信号发送模块（3）、无线视频信号接收模块（5）、红外摄像机成像系统（6）和视频显示模块（7）即可；所述的红外摄像机成像系统（6）包括一台红外摄像机（14）；具体的构建步骤如下：

B21、当有舰船通过无线请求信号发送模块（3）发出视频请求信号时，岸上控制中心接收到舰船的请求信号之后，通过差分GPS系统（8）获取舰船的差分GPS信息，准确定位舰船的位置A(Xa，Ya)、方向角度α信息；这里的舰船位置信息是以进港处左端O点为零点之后的归一化坐标值；方向角度α是相对于进港标志线差分GPS系统（9）为水平线之后的偏离水平线的方向锐角；β是红外摄像机成像系统（6）的视场角；

B22、将港口航道（11）内的二维坐标展开为一维坐标，以港口周边海岸（10）岸线为一维坐标轴，这样港口周边海岸全景图就正好对应在一维坐标轴上面，根据α、β的大小划分为α≥β/2和α＜β/2两种情形；接下来是通过舰船的位置和方向信息来确定重构图片的显示宽度；

设舰船所在的位置点为A点，到岸边的垂直距离为AB，红外摄像机成像系统（6）的视场角观看到的港口岸边场景的边界点为C、D，AC与AB之间的夹角为摄像机的视场角β和舰船方向角α之和或差，则BC和BD的长度由如下公式确定：

BC=AB×tan(β/2±α)BD=AB×tan(β/2+‾α)---(2)]]>

由A点的Y坐标值可以得到B点到坐标原点O点的距离OB，在原先预存好的图片库中从靠近O点的第一张图片的拍照点P₁点开始统计每张图片对应的实际宽度距离，计算出B点是处于图片库中的哪张图片对应区域；当

Σi=0k-1Wi≤OB<Σi=0kWi,k=1,2,...,n---(3)]]>

那么B点就位于P_k位置点的图片区域内，假设B点对应于P_k位置点图片的第f列像素点，那么就有

f=n×(OB-Σi=0k-1Wi)Wk,k=1,2,...,n---(4)]]>

B点左右分别取BD、BC长度，就找到需要显示的图片对应的的实际宽度距离CD，

CD=BC-BDOB≤ODBC+BDOB>OD---(5)]]>

同时需要判断两边是否超出边界点，如果超出边界点，则把超出的部分用水面灰度值补齐，这样图片的宽度就由CD确定了；

B23、根据图片中每一列像素到达A点的距离，对CD宽度内的图片进行压缩处理，以达到与人眼观察最相近的视图；假设第k列与A点的距离为L_k，那么第k列对应的实际距离OK的长度为

OK=Wi×kn---(6)]]>

则Lk=OK2+(OD-OB)2---(7)]]>

然后，通过计算第k列到达在拍照本张图片时候的Pt点的距离与L_k的比值作为压缩比来对本列像素进行压缩，但是由于CD范围内的所有图片列数、以及所有列数的像素点都需要一次距离运算，使得运算量大大增加，计算速度变慢，实际操作起来出现困难，所以这里做了近似运算，以每幅图片为单位进行分段处理；A点到达第k幅图片的中心点的距离S_k为

Sk=AB2+(Σi=0k-1Wi+Wk2)2---(8)]]>

假设第k幅图片的压缩比为ρ_k，由成像原理可知

ρk=skdk---(9)]]>

对CD范围内的每一张图片求其压缩比，根据压缩比对每一幅图片进行横向和纵向压缩，把压缩之后的图像以图像中心行为基准点进行重新拼接；由于对每一幅图片进行了压缩比不同的处理，拼接后整幅图像中有很明显的断裂情况以及空白区域，对空白区域的处理，采取灰度填充的方法，图像的上方空白区域，用图像的最上面一行天空的灰度值填充，下面的空白区域用最下面一行海水的灰度值进行填充；对断裂情况，采用低通滤波来处理，予以平滑两幅图像拼接时候的突变部分；

B24、彩色视觉视频的发送与接收

重构夜雾天况下彩色视频系统以每秒25帧的频率不断重新构建最佳视场图片，把重新构建好的加密视频图像通过无线请求信号发送模块（3）发送给舰船，当进出港舰船（13）接收到岸上控制中心发来的视频数据的时候，视频解密后在视频显示模块（7）的显示器上显示，这样就很直观的在夜雾天况下观察到港口岸上的信息，然后再和红外摄像机（14）捕捉到的视频进行对比，在红外摄像机（14）中多出来的部分，便是海面上新增加的障碍物。