[0001] 本申请涉及船舶技术领域，尤其是一种基于机器视觉的船舶舷侧兴波特征提取方法。

[0002] 船舶工业在我国制造业中占有重要的地位，船舶的性能优化研究是船舶设计领域的重要发展方向，而船舶的性能优化研究往往依赖于船载环境波浪测试，通过船载环境波浪测试提取船舶航行过程的波浪特征参数，对于船舶性能的分析和优化至关重要。

[0003] 船载环境波浪测试所需要获取到波浪特征参数包括船舶不同区域的波浪特征参数，包括船艏、船艉以及舷侧，目前获取的舷侧的波浪特征参数主要是船舶舷侧远场的波浪和波高，但是在船舶模型试验、实船试验中，舷侧近场的兴波特征难以通过现有的技术手段进行测量。

[0036] 下面结合附图对本申请的具体实施方式做进一步说明。

[0037] 本申请公开了一种基于机器视觉的船舶舷侧兴波特征提取方法，请参考图1所示的流程图，该船舶舷侧兴波特征提取方法包括如下步骤：

[0038] 步骤1，利用图像采集装置获取目标船的船体近场的舷侧兴波图像，船体近场是指船体附近预定范围内的区域。

[0039] 图像采集装置至少包括摄像头和图形采集器，图形采集器通过摄像头获取目标船的舷侧兴波图像。可选的，考虑到在光照充足的情况下，直接利用自然光源即可，但是在实际应用场景下，存在需要在光照不足的情况下获取舷侧兴波图像的情况，则图像采集装置还包括光照设备，光照设备朝向目标船的舷侧的摄像头的拍摄区域，用于提高获取到的舷侧兴波图像的图像质量。

[0040] 本申请提供两种不同的应用场景：

[0041] 一、图像采集装置直接安装在目标船1上，图像采集装置中的摄像头2布置在目标船1的舷侧且视场范围覆盖目标船1的舷侧兴波区域。请参考图2和图3的示意图。

[0042] 二、图像采集装置安装采集船3上，图像采集装置中的摄像头2朝向目标船1布置且视场范围覆盖目标船1的舷侧兴波区域，摄像头2的视准轴在水平面上沿着采集船3的船宽方向。采集船3是与目标船1间隔不超过预定距离的其他船，以保证目标船1位于摄像头2的拍摄范围内。在实际应用时，在误差范围内保证采集船3与目标船1的航向角和像素相同，从而提高获取到的舷侧兴波图像的图像质量且提高安全性。

[0043] 由于单个摄像头的拍摄范围有限，而提取船舶舷侧兴波特征时往往需要提取目标船从船艏至船艉整个船长方向舷侧的兴波特征，因此不管是上述哪种应用场景，实际应用时，图像采集装置包括多个摄像头2，各个摄像头2的视场范围分别覆盖目标船1的沿着船长方向的不同舷侧局部区域，且所有摄像头2的视场范围覆盖目标船1从船艏至船艉整个船长方向的舷侧区域，则图像采集装置通过多个摄像头分别获取不同舷侧局部区域的舷侧兴波图像。图2‑图4中以扇形区域表示每个摄像头的视场范围覆盖区域，可以看出通过多个不同姿态的摄像头可以全覆盖船长方向的整个舷侧区域，也即覆盖船艏兴波区域、船艉兴波区域和平行中体兴波区域。图中以摄像头覆盖目标船的单侧的舷侧区域获取图像为例，实际根据需要可以对目标船的两侧舷侧都按这种方式布置摄像头。

[0044] 步骤2，对舷侧兴波图像进行图像处理提取得到初始兴波曲线。包括如下步骤：

[0045] (1)不管图像采集装置包括一个摄像头采集到一张舷侧兴波图像，还是包括多个摄像头采集到多张舷侧兴波图像，首先对每张舷侧兴波图像进行图像处理提取得到波面像素点，这里使用到的图像处理方法包括二值化处理、图像分割以及像素梯度检测等方法，这部分属于现有成熟方法，本申请不再赘述。

[0046] (2)对每张舷侧兴波图像提取得到的波面像素点进行坐标转换。当只采集到一张舷侧兴波图像时，这里转换得到的即为所需的初始兴波曲线。当采集到多张舷侧兴波图像时，这里可以绘制得到在一个舷侧局部区域内在目标船的船体坐标系中的局部波形曲线。

[0047] 利用摄像头的安装位置参数以及镜头光学参数等可以预先标定图像坐标系、相机坐标系和船体坐标系之间的坐标转换关系，利用该坐标转换关系就可以对波面像素点进行坐标转换得到船体坐标系中的局部波形曲线。但是这种做法存在一定的误差，因此在一个实施例中，目标船的舷侧预先设置有舷侧标记物，一般沿着船长方向设置有若干个舷侧标记物，每个摄像头的视场范围内均布设有至少一个舷侧标记物，每个舷侧标记物在船体坐标系中的位置都是已知的，则根据每个舷侧兴波图像中的舷侧标记物对应的像素点及其在船体坐标系中的位置，就可以对波面像素点进行坐标转换，在没有舷侧标记物的区域，使用舷侧标记物上的像素点的位置进行插值处理得到其他像素点的坐标。

[0048] 舷侧标记物具体可以是舷侧图画、标尺或其他自定义的标记物，舷侧标记物的颜色明显区分于船体颜色，且舷侧标记物的颜色不易在水面形成倒影。另外，该舷侧标记物采用荧光材料或反光材料，从可以在夜间等光照条件较差的场景下也能提供较好的标记效果。

[0049] (3)当得到多个舷侧局部区域内的局部波形曲线时，将基于各个舷侧兴波图像提取得到的各个舷侧局部区域内局部波形曲线进行拼接，并对局部波形曲线的重合部分进行插值平均，处理得到完整舷侧区域的初始兴波曲线。该步骤使用波形曲线拼接方式代替图像拼接的方式，降低了图像拼接的畸变影响。

[0050] 骤3，根据目标船的运动参数对初始兴波曲线进行曲线形态修正，得到相对于目标船的船体的修正后兴波曲线，这里使用到的目标船的运动参数已经与舷侧兴波图像完成时间同步。

[0051] 根据场景不同，这里的曲线形态修正方法也有一些差异，分别介绍如下：

[0052] 一、图像采集装置直接安装在目标船1上时，执行的曲线形态修正包括：

[0053] (1)将初始兴波曲线减去目标船的升沉值进行竖直方向的平移修正，以得到相对于目标船的船体基线的初始兴波曲线。

[0054] (2)根据目标船的姿态数据对初始兴波曲线进行旋转修正。包括：以目标船的船舶质心为基点，对初始兴波曲线旋转目标船的纵摇角度。

[0055] 平移修正和旋转修正的执行顺序没有特定要求，图1以先执行平移修正为例进行说明。

[0056] 二、图像采集装置安装采集船3上时，执行的曲线形态修正包括：

[0057] (1)将初始兴波曲线减去目标船的升沉值进行竖直方向的平移修正，以得到相对于目标船的船体基线的初始兴波曲线。

[0058] (2)根据目标船的横摇角和船宽计算得到水线基线并修正由于横摇角导致的左右舷吃水不平均。

[0059] (3)根据目标船的姿态数据以及采集船的姿态数据对初始兴波曲线进行旋转修正，该场景下还需要使用到采集船的姿态数据，这里采集船的姿态数据与目标船的运动参数和舷侧兴波图像均完成时间同步。

[0060] 旋转修正的方法包括：以目标船1的船舶质心为基点，对初始兴波曲线旋转采集船3的纵摇角度，再对初始兴波曲线反向旋转目标船1的纵摇角度。

[0061] 步骤4，基于修正后兴波曲线提取得到舷侧兴波特征。

[0062] 不管是上述哪种场景，在得到目标船的修正后兴波曲线后，即可基于修正后兴波曲线进行舷侧兴波特征的提取，包括如下多方面的特征提取：

[0063] 从修正后兴波曲线中提取目标船沿船长不同位置处的舷侧兴波峰谷值。比如提取船艏位置的舷侧兴波峰谷值、船艉位置的舷侧兴波峰谷值等。且在提取舷侧兴波峰谷值时，为了避免双峰的影响，从修正后兴波曲线中识别相应位置处的两个峰谷值并取其中最值作为舷侧兴波峰谷值。

[0064] 和/或，计算修正后兴波曲线的波形频率。选取平行中体位置的修正后兴波曲线，通过傅里叶变换等方法即可提取得到波形频率。

[0065] 和/或，通过水动力性能评价原则基于修正后兴波曲线得到目标船的船型的兴波性能评价指标。

[0066] 和/或，根据不同时刻的修正后兴波曲线得到舷侧兴波特征统计值。

[0067] 以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本申请不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本申请的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本申请的保护范围之内。