基于视频的夜间航标灯定位与状态检测

张钧俨 李文华 陈先国 何浩

摘要：航标维护是航道巡查工作的重要部分，自数字航道运行后，视频监控几乎覆盖了航道的所有关键河道，因此，该项工作方式也应该得到升级和转变。文章对夜间监控视频进行分析，通过对视频取帧差的方法，将航标灯与背景分割，从而实现定位;并统计其亮灭的时间序列，对航标灯进行分类识别，进而判断其工作状态是否正常。与传统作业相比，该方法充分利用了视频监控信息，在理想状态下，能大幅减少人为巡检的工作量，也改变了以往只能在现场进行巡检的工作方式，基本满足随时查看的需求，节省了人力、物力，具有较好的效用;为更好地实现数字航道下航道巡查提供建议。

关键词：航标维护;帧差法;航标灯;定位;状态识别

中图分类号：TP311     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）04-0125-02

航标灯是一种导航设施，通过在夜间发出一定频率和颜色的灯光来对夜行的船舶进行指引。我国幅员辽阔，众多的航道上，航标灯的存在保证了船只的安全。国大内量使用的航标灯光源大都为灯泡型光源，存在着光效不高、功率大、维护周期短等问题[1]。所以在航道管理中，航标灯的检查和维护工作占了很大的比重。在内河航道中的航标灯，由于会受到河流水冲击的影响，其位置是变化的，而且，目前还没有针对航标灯的跟踪摄像头;因此，通过视频来检测航标灯的第一步就是定位，然后对航标灯的亮灭进行时序分析，判断航标灯类别及工作状态。

1 航标灯定位

帧间差分法（帧差法）是通过对视频图像序列中连续的几帧作差分运算来获得运动目标轮廓的方法。考虑到在夜间环境下，航标灯的亮灭与周边环境有较大的反差，帧差法由于计算量小，能快速检测出视频中航标灯的位置。

1.1 实现步骤

对图像进行预处理，去掉随机噪声，减少对处理结果的干扰;

在图像序列中选取连续的两帧，前一帧为[fk−1x，y]，后一帧为[fkx，y];

按照式1将两幅图对应像素点的灰度值相减，取绝对值，得到差分图像[Dn];

设定合理的阈值T，按照式2对差分图像[Dn]进行二值化处理，得到二值化图像[R'n];

对图像[R'n]进行形态学运算，得到含有目标的图像[Rn]。

经上述操作，夜间航标灯的位置如图1所示;左侧为处理前，右侧为处理后的图像。处理后图片中存在三个大小不一的白色区域，也对应处理图片的三个航标灯（一个距离较近，两个距离较远），通过设置面积的阈值，让靠后的两个航标灯不在统计范围内。

2 航标灯状态分析

航标灯的亮灭具有一定的节奏，并按照节奏不断的循环，除了颜色这一个重要特征，灯光的亮灭节奏和周期也是航标灯状态分析的关键指标。夜间环境下，航标灯颜色在去除背景干扰的情况下很容易被检测出来，因此，航标灯灯质的节奏和周期是分析的要点。

表1列举了几种常见的航标灯灯质，在统计闪光周期时，亮灭时间比也是一个重要的分类标准。

在实际生产中，航标灯能选择的亮灭节奏和周期多达两百多种，包括单闪、双闪、三闪、块闪及摩尔斯灯光等，而且在安装实施上更需要考虑河道环境、识别度、能耗等多样的因素[2]。因此，要对航标灯进行状态识别，需要首先识别航标灯的类别。

传统人工检测的方法是通过肉眼去判断航标灯的亮灭节奏，用秒表来记录航标灯的闪灭周期，这种室外的检测方式效率较低，且准确度不高。为简化工作方式，提高检测的准确度，孙小鹏[3]等人利用光谱分析设计了便携式的航标灯灯质检测儀，具有较高的使用价值，而在检测灯质的节奏和周期时，要求尽可能在现场靠近航标灯，需要一定人力、物力的支出。另一种常见的识别方式[4]是通过记录航标灯亮灭的持续时间，该方法在实施上要求周围环境对航标灯的影响尽可能地小，最好是在光学暗室内进行。

基于视频的夜间航标灯状态检测方法将灯质的检测工作进一步简化为对视频帧的分析和统计，假定当前检测的航标灯发光时输入信号为1，灯灭时输入信号为0;连续多帧的统计后，得到类似于01…01的数字串;接着通过最小周期匹配的方法得出该航标灯的亮灭周期，最后在周期内分析出航标灯的节奏规律，从而达到识别航标灯类别的目的。具体步骤描述如下：

（1）把从第一次灯亮开始，到第一次灯灭的时间当作最小的周期，称为模板周期;

（2）以该周期为模板，向后取相同的时间长度进行匹配，如果两个周期时间相近或相    等，则认为该周期为灯质的亮灭周期;

（3）如果不匹配，在第一步的基础上继续向后选取到第n+1次灯灭的时间为模板周期，  并重复第二步的步骤，直到匹配成功;

（4）在航标灯周期内统计亮灭的节奏时长，确定航标灯种类。

上述方法将数据处理对象转换成了单一的数字串，降低了分析难度，且在高帧率视频的统计下有较高的准确度。

3 结论

回顾近几年，我国航道经历了从全线整合到数字航道联通的真正实现，全面提高了公共服务能力[5]。本文以视频为载体进行航标灯的检测，是传统航标灯巡检工作的改进。本文提供了一种对视频帧连续统计的方法，分析出航标灯灯质种类;然而，也从侧面反映了视频质量对该方法的使用限制，而且，航标灯灯泡普遍具有充放电效应，形成了对统计的干扰，由于所占比例很小，可以人为地过滤掉;另一方面，灯泡选用较好的材料也是一个值得探讨的问题。

参考文献：

[1] 王吉平. 目视航标灯器发展初探[A]. 中国航海学会航标专业委员会沿海航标学组、中国航海学会航标专业委员会内河航标学组.中国航海学会航标专业委员会沿海、内河航标学组联合年会学术交流论文集[C].中国航海学会航标专业委员会沿海航标学组、中国航海学会航标专业委员会内河航标学组：中国航海学会，2003：3.

[2] 徐峰，郑毅，潘国杰.再谈长江下游航标灯单、双、三闪航标灯闪光节律及闪光周期的选择[J].中国水运.航道科技，2019（4）：23-28.

[3] 孙小鹏，张临强，侯嘉.便携式航标灯灯质智能检测仪[J].中国海事，2020（9）：53-56.

[4] 张金奎，李文华，明瑞.基于机器视觉的可视化航标灯监测系统[J].电脑编程技巧与维护，2021（6）：129-131.

[5] 张卷卷，李健.数字航道建设 推动长江中游航道维护管理模式转型升级[J].中国水运，2015（4）：28-29.

收稿日期：2021-08-23

作者简介：张钧俨（1997—），男（土家族），湖北人，在读硕士，研究方向为计算机应用技术、图像处理、计算机视觉;李文华（1965—），男，湖北人，副教授，研究方向为软件工程、网络数据库技术、GIS技术。