浮动航标视觉识别技术研究前瞻

李楠 张峰

摘 要：航标设施作为水上交通运输基础性、先导性、保障性资源，需要不断跟进科技发展步伐，持续发挥助航效能。浮动航标作为最为传统的助航标志，如何在智能航运、E航海、无人船时代继续发挥效能需要我们认真思考和研究。而计算机视觉识别技术作为前沿科技研究成果可以引入传统航标领域。本文通过对浮动航标视觉识别技术研究的成果前瞻，设想了研究的主要内容、主要方向、主要应用等方面，为计算机视觉识别技术引入传统航标领域提供了技术设想和前瞻。

关键词：浮动航标 视觉识别 航标效能

航标即助航标志，是帮助船舶安全、经济和便利航行而设置的视觉的、音响的和无线电的有信息服务作用的设施。其中，视觉航标在航标系统中占据主要位置，也是数量最多、最为传统的助航标志。随着科技的进步和发展，船舶已经配备了GPS、AIS、电子海图等导助航信息系统，视觉航标在现代船舶导助航体系中的功能有所弱化。而随着智能航运的发展，E航海、无人船时代的来临，依靠视觉进行识别的航标如何继续发挥原有效能，在未来的信息化时代继续占有一席之地需要我们认真思考。而计算机视觉识别技术在其他领域的蓬勃发展和广泛应用为我们提供了很好的借鉴。

1.计算机视觉识别技术的发展现状

计算机视觉是一门研究如何使机器“看”的科学，更进一步的说，就是是指用摄影机和电脑代替人眼对目标进行识别、跟踪和测量等，并进一步做图形处理，使其成为更适合人眼观察或传送给仪器检测的图像。简而言之，计算机视觉就是用各种成象系统代替视觉器官作为输入敏感手段，由计算机来代替大脑完成处理和解释。计算机视觉的最终研究目标就是使计算机能象人那样通过视觉观察和理解世界，具有自主适应环境的能力。目前，最为广泛应用的是人脸识别技术。该技术已在商业场所、住宅保安系统得到了深入应用，并逐步扩展到移动终端领域。物体识别技术也是计算机视觉的一项基础研究，就是识别出图像中有什么物体。其关键是特征提取，计算机通过不断、反复、大量的对同一类物体图像进行深入学习，从而提取识别物体的关键特征和普遍特征，进而具备在纷乱复杂的环境中识别出物体的能力。

2.研究的主要内容

航标按配布的水域可分为海区航标和内河航标。按配布位置的可靠性可分为固定航标和浮动航标。相对于固定航标的外形不尽相同，浮动航标外形基本上符合《浮标通用技术条件》（JT/T 760-2009）。本研究的主要内容即海上浮动航标的视觉识别技术。浮动航标是具有一定形状、尺寸、颜色的漂浮物体，锚碇在指定位置用作助航标志。浮动航标包括灯浮标、浮标和燈船。灯浮标主要有不同尺寸的常规灯浮标、冰期灯浮标和四季通用灯浮标等。浮标主要有棒标及不加装灯器的常规灯浮标等。灯浮标和浮标的形状基本有罐形、锥形、球形、柱形和杆形。最为常用的是柱形的常规灯浮标和四季通用灯浮标、锥形的冰期灯浮标等。浮动航标视觉识别技术研究的重点也是最为广泛应用的常规灯浮标、冰期灯浮标和四季通用灯浮标等。

3.研究的主要方向

（1）浮动航标视觉识别技术研究的第一步也是最为重要的一步是能应用计算机视觉识别技术在复杂海洋环境背景下识别出海上浮动航标，包括标志主体特征、标志种类等。相对于夜间海上特别是码头附近背景灯光复杂、辨识度低等特点，可以先行开展日间海上浮动航标视觉识别技术研究。日间，海上浮动航标主要以标体颜色、顶标形状区分标志种类。初期研究以应用计算机视觉识别技术在复杂环境中识别出海上浮动航标，并依据标体颜色、顶标形状判断标志种类为主要内容。该项研究需要收集整理不同背景、不同气象条件下各类型浮动航标的水中姿态图片，这项工作也是最为艰苦、时间最长的工作。在此过程中，计算机通过学习收集整理的大量图片，提取浮动航标的特征，进而在复杂背景下、众多物体中识别出浮动航标，并判断标志种类。该项研究同时也需要进行大量的海上实景测试。

（2）应用计算机视觉识别技术对海上浮动标志进行有效识别后，进一步开展视觉识别海上浮动航标的有效距离测试。按《海区航标效能验收规范》（JT/T 759-2009），浮动航标在不小于1海里显形视距内，肉眼能较清晰辨认标色。按《海区浮动助航标志配备导则》（GB/T 26781-2011），沿航道轴线设置的同侧标志间的距离，在标准气象能见度（T=0.74）条件下，对直线段的浮标间距，原则上白天应达到能从一座浮标处看到同一侧相邻的下一座浮标。 该项研究以标准气象能见度为基准，测试计算机视觉识别技术有效识别海上浮动航标的有效距离。该项研究取决于两个方面，一是取景摄像头的选取及摄像头安装位置，通过测试寻求具备最佳效果的取景摄像头。而对于摄像头安装的位置，一般应安装在船舶驾驶室前端，与驾驶人员瞭望位置相符。二是计算机深度学习的效果，而通过有效距离测试也是加深计算机深度学习效果。

（3）对应用计算机视觉识别技术对海上浮动航标有效识别并形成有效距离测试数据后，进一步开展视觉识别海上浮动航标的连续性测试。按《海区浮动助航标志配备导则》（GB/T 26781-2011），沿航道轴线设置的同侧标志间的距离，在标准气象能见度（T=0.74）条件下，对直线段的浮标间距，原则上白天应达到能从一座浮标处看到同一侧相邻的下一座浮标。该项研究以视觉识别海上浮动侧面标志为主。通过有效识别出一侧一座侧面标志后，测试应用计算机识别视觉技术连续识别同类型海上浮动航标的反应时间。同时，可进一步研究计算机通过对两座及以上双侧侧面标志进行有效识别后对航道走向的预测判断、对下一座侧面标志位置的预测判断。

（4）应用计算机视觉识别技术对海上浮动航标进行有效识别后，进一步研究海上浮动航标缺陷判断。即通过计算机的深度学习，对因碰撞、刮蹭而标体损坏、变形的海上浮动航标进行缺陷判断，形成预警信息。

4.研究的主要应用

（1）为智能航运、e航海、无人船发展提供技术支持。随着智能航运的发展、e航海的实践、无人船的深入研究，作为水上交通运输基础性、先导性、保障性资源的航标设施需要尽快融入未来发展需求、展现新的发展趋势。特别是视觉航标需要继续发挥传统助航优势、跟上时代发展需求。智能航运、e航海、无人船的共同点就是广泛应用信息化手段、减少人为因素影响，构建更为安全、便捷、经济的航运模式。海上浮动航标视觉识别技术研究可以提供辅助航行安全信息，为船舶导航系统提供航行水域实际助航信息。

（2）为海上浮动航标效能核查提供技术支持。按《海区航标效能验收规范》（JT/T 759-2009），视觉航标的效能核查一般通过人眼目测的方式，对于其作用距离测试也是依人为主观判断。作为航标主管机关，航标效能核查是最为重要的一项工作，也是对航标管理、维护水平的客观评价。海上浮动航标视觉识别技术研究可以提供航标效能的客观依据，进而为航标效能核查提供数据支持。

（3）为航标视频巡检提供技术支持。随着图像获取技术的发展，视频航标巡检逐渐受到关注。视频航标巡检即通过摄像头获取某一区域内航标视频片段，从而对航标状况进行分析。而分析航标视频片段的工作一般由人工进行，效率低且易误判和漏判。海上浮动航标视觉识别技术研究可以为航标视频巡检提供技术支持，通过计算机的分析判断寻找存在外观缺陷的航标，进而进一步分析寻找存在异常状况的航标。若航标标体存在损坏等情况，及时实施航标效能恢复工作。

5.结束语

计算机视觉技术经过长期的发展和研究已经逐渐应用到现实，在商业场所、住宅安保等方面发挥着重要作用，并逐步扩展到移动终端领域。航标设施作为水上交通运输最为基础性、先导性、保障性资源，需要不断适应科技发展，持续发挥助航效能。而通过浮动航标视觉识别技术的研究可以为传统航标如何适应智能航运、E航海、无人船时代的发展需求提供一定的借鉴。