一种基于CCTV的船舶驾驶视线补偿方法

技术领域

本发明属于船舶驾驶设计技术领域，具体涉及一种基于CCTV(闭路电视，ClosedCircuit Television)的船舶驾驶视线补偿计方法。

背景技术

为了开展对船用风力助推转子的工程示范应用研究，需要在较大型的船舶平台上加装风力助推转子，由于风力助推转子属于大型甲板装备，对于驾驶室位于船舯或艉部的现有设计，加装的风力助推转子极易形成驾驶室视线遮挡，对驾驶安全造成影响。

以某45000DWT散货船为目标船，需在船上加装4个风力助推转子进行节能技术改造。但加装该风力转子后，按照ISO提供的视线确定方法，将距离驾驶室前舱壁750mm的位置作为指挥位置，此时转子对于视线的遮蔽角度约为5.49°，不符合中国海事局《国内航行海船法定检验技术规则》中的自船首前方至任何一舷10°范围内，每一单独的盲视区均不应超过5°的要求。驾驶室视线的遮蔽情况如附图3所示，需要进行视线补偿设计。

发明内容

针对以上问题，本发明设计了一种基于CCTV的船舶驾驶视线补偿方法，可以根据实际船舶参数及风力主推转子安装参数利用可避开遮挡的闭路电视摄像头，实现船舶驾驶视线遮挡设计满足规范要求。

本发明设计的一种基于CCTV的船舶驾驶视线补偿方法，通过适当的至少一台图像传感器(CCTV摄像头)视场设计，弥补船舶驾驶室指挥员因视线遮挡造成的通视效果不理想问题，其特征在于，包括如下步骤：

S1、计算遮挡角，根据驾驶指挥位置、风力助推转子尺寸和安装位置，依据ISO(国际标准化组织)视线确定方法计算风力助推转子的遮挡角，所述遮挡角包括水平方向遮挡角、垂直方向遮挡角(本发明遮挡计算中可以不予考虑)；

S2、确定视线补偿范围，所述视线补偿范围包括覆盖水平遮挡角的范围；

S3、确定图像传感器(CCTV摄像头)安装位置，所述图像传感器安装位置包括主桅或前桅，一般应在甲板上建区域，对船艏方向海面通视效果较好的位置；

S4、计算等效视线补偿范围，所述等效视线补偿范围的计算原则包括从图像传感器安装位置看向视线遮挡方向，覆盖步骤S2所述视线补偿范围(船艏两侧)；

记驾驶指挥位置到图像传感器安装位置水平距离为a(单位为m)，图像传感器安装位置到船头的水平距离为b，视线补偿范围θ，船艏起遮挡边界长度d；则等效视线补偿范围φ，

φ＝2*atan((a+b+d)*tan(θ/2)/(b+d))

其中，tan()为正切函数，atan()为反正切函数；

S5、选择合适的图像传感器(CCTV摄像头)，选择原则包括图像传感器视场范围满足所述等效视线补偿范围要求(水平视场范围至少大于等效视线补偿范围，一般应明显大于)，视距不小于1000m，并确定CCTV摄像头的焦距、视场角及可视范围；较短的焦距可以提供更广阔的视野，但图像可能较为模糊，较长的焦距可以提供更远的视距和更清晰的图像，但视野较窄；

S6、驾驶室视频连接配置，实时补偿被遮挡的视线方向。

进一步的，所述图像传感器包括主用图像传感器和备用图像传感器，所述主用图像传感器和备用图像传感器上下结构安装或左右结构安装，视场范围均满足等效视线补偿范围要求和规范要求；上下结构安装时两图像传感器水平视场覆盖范围基本重合，左右结构安装时两图像传感器水平视场重合部分不小于等效视线补偿范围。

进一步的，所述图像传感器至少包括第一图像传感器、第二图像传感器和第三图像传感器，三台或三台以上图像传感器水平方向并列放置，相邻两台图像传感器视场覆盖范围相连或相互部分重合覆盖，所有图像传感器视场合并后模拟人眼视场全景。

进一步的，对所述图像传感器进行安全防护设计，所述安全防护设计包括增强摄像头玻璃的抗浪强度(如采用更厚的钢化玻璃)、增设不锈钢保护罩(指光轴方向除外的部分)、提高布置位置(本实施例将摄像头布置于结构水线以上16.9米)、加强设备底座(提高其抗腐蚀、抗冲击、抗震动能力)等措施中的任意多项。

进一步的，对所述图像传感器进行防水设计，防止设备进水、结冰，所述防水设计包括摄像头采用IP68防水设计、增加加热功能、雨刷功能中的任意多项。

进一步的，对所述图像传感器进行增加夜视功能设计，防止夜晚图像不清晰，所述增加夜视功能包括采用高灵敏红外传感器和/或高效白光阵列灯，两者结合可使夜间有效探测距离高达2000m。

本发明的优点和有益效果在于：本发明所设计的一种基于CCTV的船舶驾驶视线补偿方法，通过在船艏前桅安装CCTV摄像头作为视线补偿的优化设计，能够有效解决因风力转子设备导致的驾驶室视线盲区问题，弥补船员的视线范围，增加对船舶周围环境的观察能力，从而提高船舶的驾驶安全性，满足了相关规范规则要求；另一方面，开展全景及夜视功能设计，可进一步优化驾驶室航行通视效果，比人工观察范围更大、距离更远、凝视效果更稳定；同时避免了因修改船体结构和转子安装尺寸，而产生大量的修改费用。该发明对于其他船舶有类似视线盲区问题，有很好的参考意义。

附图说明

图1是一种基于CCTV的船舶驾驶视线补偿方法流程示意图；

图2是安装风力助推转子后的船舶主体侧视图；

图3是驾驶位置遮挡角(俯视)示意图；

图4是驾驶室视频连接原理框图。

图中标记：

图像传感器1、指挥位置2、风力助推转子3、船艏4、船舶中轴线5、水线6；

第一风力助推转子(3.1)、第二风力助推转子(3.2)、第三风力助推转子(3.3)、第四风力助推转子(3.4)；

驾驶指挥位置到图像传感器安装位置水平距离为a(单位为m)，图像传感器安装位置到船头的水平距离为b，船艏起到规范定义的遮挡边界长度d，驾驶位置与船艏端相连的延长线从船艏延伸出去部分的水平长度e；

遮挡角左右边界线延长后与船艏起规范定义的遮挡边界交点分别为A点和B点，AB连线即为规范定义的长度方向遮挡边界。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

本实施例以某45000DWT散货船为目标船，在船上需加装4个风力助推转子，根据节能效果技术指标的要求，整个转子尺寸与布置方案已不能修改，只能通过其他技术设计来满足规范规则要求。依据中国海事局《国内航行海船法定检验技术规则》(2020)“总则”第5条“等效与替代设计”，本船将采用CCTV的等效设计，对驾驶室视野进行补偿，以消除可视范围的视线盲区，增加船员对船舶周围环境的观察能力，从而提高船舶的驾驶安全性。

如图2图3所示，风力助推转子3从船艏4到船艉沿船舶中轴线5分别布置第一风力助推转子3.1、第二风力助推转子3.2、第三风力助推转子3.3、第四风力助推转子3.4；将距离驾驶室前舱壁750mm的位置作为驾驶指挥位置，此时最靠近驾驶位置的第四风力助推转子对于视线的遮蔽角度最大，约为5.49°，不符合中国海事局《国内航行海船法定检验技术规则》中的自船首前方至任何一舷10°范围内，每一单独的盲视区均不应超过5°的要求。

本发明设计的一种基于CCTV的船舶驾驶视线补偿方法，通过适当的图像传感器1(CCTV摄像头，至少一台)视场设计，弥补船舶驾驶室指挥员因视线遮挡造成的通视效果不理想问题，如图1所示，包括如下步骤：

S1、计算遮挡角，如图2和图3所示，根据驾驶指挥位置2、风力助推转子3尺寸和安装位置，依据ISO(国际标准化组织)视线确定方法计算风力助推转子的遮挡角，所述遮挡角包括水平方向遮挡角、垂直方向遮挡角(本发明遮挡计算中可以不予考虑)；

S2、确定视线补偿范围，所述视线补偿范围包括覆盖水平遮挡角的范围；本实施例水平方向视线补偿范围不小于5.49°(从驾驶指挥位置看向船头方向)；很多情况下确定视线补偿范围除了大于遮挡角的要求外，还会考虑驾驶员视觉习惯并留有余地，一般都会明显大于遮挡角；

S3、确定图像传感器(CCTV摄像头)安装位置，所述图像传感器安装位置包括主桅或前桅，一般应在甲板上建区域，对船艏方向海面通视效果较好的位置，如图2和图3所示，本实施例驾驶室视线盲区是由甲板面4个转子依次形成的，如果考虑在中间或艉部上建区域布置摄像头，是不能够从根本上解决视线盲区问题的，所以要从根本上解决问题，布置在艏部区域是最佳的选择；同时，考虑到避开艏部装卸货设备的碰撞，最终选择布置在前桅顶上，前桅的位置为图像传感器所在位置；

根据船舶设计规范要求，从驾驶位置上所见的海面视域,在所有吃水、纵倾和甲板货状态下,自船首前方至任何一舷10°范围内均不应有超过两倍船长或500m(取其小者，为船长度方向遮挡边界)的遮挡。本实施例45000DWT散货船，如图2所示，通过驾驶位置与船艏端相连，其延长线从船艏延伸出去部分的水平长度e约为365m，小于两倍船长380m；而通过步骤S3所确定的图像传感器安装位置即视线点与船艏端相连，延伸出船艏长度远小于e，因此本实施例所选择的图像传感器安装位置可以满足规范要求。

S4、计算等效视线补偿范围，所述等效视线补偿范围的计算原则包括从图像传感器安装位置看向视线遮挡方向，覆盖步骤S2所述船艏两侧视线补偿范围；由于船舶海上航行驾驶通视一般都是对水面方向，即水平方向，垂直方向一般没有补偿要求，而且图像传感器垂直方向覆盖范围一般都达到10度以上，其等效视线补偿范围计算可以光轴水平为基准；本发明根据驾驶位置与安装位置的相对关系、光轴方向以及视线补偿范围计算等效视线补偿范围；如图3所示，根据几何原理，以遮挡角直接作为视线补偿范围，遮挡角左右边界线延长后与船艏起规范定义的遮挡边界交点分别为A点和B点(AB连线即为规范定义的长度方向遮挡边界，图示边界长度d与长度a、b不成比例关系)，则图像传感器安装位置等效视线补偿范围为从安装点分别到A点和B点的连线所覆盖的角度范围；

根据本实施例驾驶指挥位置到图像传感器安装位置水平距离为a(单位为m)，图像传感器安装位置到船头的水平距离为b，视线补偿范围θ，船艏起到规范定义的遮挡边界长度d；根据船舶规范和本实施例45000DWT散货船实际尺寸，以驾驶位置与船艏端相连的延长线从船艏延伸出去部分的水平长度e＝365m作为遮挡计算的边界长度d(也可以考虑用两倍船长380m)，则等效视线补偿范围φ，

φ＝2*atan((a+b+d)*tan(θ/2)/(b+d))

其中，tan()为正切函数，atan()为反正切函数；

本实施例视线补偿范围取遮挡角，即θ＝5.49°，根据船舶实际尺寸a＝155.7m，b＝12.8m，d＝365m，计算结果等效视线补偿范围φ＝7.75°。为图示清晰，图中长度d与a、b不成比例，只是原理示意；当取d＝380m时，φ＝7.66°。

S5、选择合适的图像传感器(CCTV摄像头)，选择原则包括图像传感器视场范围满足所述等效视线补偿范围要求(水平视场范围至少大于等效视线补偿范围，一般应明显大于)，视距不小于1000m，并确定CCTV摄像头的焦距、视场角及可视范围；较短的焦距可以提供更广阔的视野，但图像可能较为模糊，较长的焦距可以提供更远的视距和更清晰的图像，但视野较窄；

本实施例根据船舶试航时的实际情况进行了焦距和视场角的优化选择，以平衡视野和图像清晰度的需求；最终摄像头的参数为：

焦距：4.8～120mm

白天/夜间模式：自动切换

可视角度(T长焦)水平：2.5°～57.6°

垂直：1.4°～34.4°

最小可视距离：1m

有效可视距离：2000m

调焦模式：手动/自动/一次对焦

针对以上图像传感器焦距调整需满足水平视场大于等效视线补偿范围(7.75°)的基本要求，本实施例调整中等焦距，将水平视场设置为25°，垂直视场约为12°；该设置以中远距离通视为主，指挥员小范围适当调整指挥位置后风力转子形成新的遮挡方向仍然在图像传感器的视线补偿范围内，不影响最终通视效果。

图像传感器光轴朝向可以水平向前，也可以适当向下倾斜，倾斜角度一般不超过5°，具体视图像传感器安装高度(离水面高度)而定，高度越高，可以考虑光轴朝向向下倾斜。

S6、驾驶室视频连接配置，实时补偿被遮挡的视线方向。

在驾驶室指挥位置附近配置视频监视器，通过图像处理器和通讯模块将所选图像传感器的图像实时显示出来，供指挥员实时观察，各单元或模块连接原理图如图4所示(图中线缆连接上的标识为线缆编号或型号)；所述图像处理器包括硬盘录像机、供电单元、光纤盒和光纤收发器等模块；本实施例通过图像处理算法对CCTV传输的实时视频信号进行视线补偿处理，修复视线盲区的图像，增强图像的亮度、对比度、锐度等；信号传输线路采用光纤光缆，更好的保证信号传输的稳定性。

优选的，对所述图像传感器进行安全防护设计，所述安全防护设计包括增强摄像头玻璃的抗浪强度(如采用更厚的钢化玻璃)、增设不锈钢保护罩(指光轴方向除外的部分)、提高布置位置(本实施例将摄像头布置于结构水线以上16.9米)、加强设备底座(提高其抗腐蚀、抗冲击、抗震动能力)等措施中的任意多项，本实施例以上所有措施都进行了设计。

优选的，对所述图像传感器进行防水设计，防止设备进水、结冰，所述防水设计包括摄像头采用IP68防水设计、增加加热功能、雨刷功能中的任意多项，本实施例同时开展了IP68防水、加热及雨刷功能设计。

优选的，对所述图像传感器进行增加夜视功能设计，防止夜晚图像不清晰，所述增加夜视功能包括采用高灵敏红外传感器和/或高效白光阵列灯，两者结合可使夜间有效探测距离高达2000m。

由于船舶海上航行盐雾、温度、振动等环境较为恶劣，对船舶设备特别是舱外设备影响较大，需开展定期维护和校准，编制风险控制措施手册，通过该手册定期检查摄像头的清洁情况，调整焦距，视场角等参数，以保持最佳的图像质量和视线补偿效果(驾驶通视效果)。

实施例2

与实施例1的差别在于，所述图像传感器包括主用图像传感器和备用图像传感器，所述主用图像传感器和备用图像传感器上下结构安装或左右结构安装，视场范围均满足等效视线补偿范围要求和规范要求；上下结构安装时两图像传感器水平视场覆盖范围基本重合，左右结构安装时两图像传感器水平视场重合部分不小于等效视线补偿范围；本实施例增设一套CCTV系统作为备用，上下结构安装在前桅上，当1套出现故障，可以利用另外一套作为视线补偿；设备供电采用正常、应急二路供电，同时设备电缆布线，采用钢管保护并布置在舱口围保护区域防止电缆损坏。实施例1只安装一台图像传感器即为主用图像传感器。

实施例3

与实施例1的差别在于，所述图像传感器至少包括第一图像传感器、第二图像传感器和第三图像传感器，三台或三台以上图像传感器水平方向并列放置，相邻两台图像传感器视场覆盖范围相连或相互部分重合覆盖，所有图像传感器视场合并后模拟人眼视场全景。

本实施例配置方案主要考虑在其中一台图像传感器能够完成驾驶等效视线补偿范围需求的情况下，通过多台图像传感图像拼接，使拼接后的视场与人眼观察视场相近或比人眼观察视场更大，从而实现利用图像传感器的近似全景观察；所述图像拼接技术为成熟技术。

由于海上航行驾驶需要对左右舷及前方不间断的监视，特别是夜间航行，有时左右舷需专门设置观察哨；另一方面人眼长时间观察易产生疲劳，现实中，人视觉在10度内是敏感区，10～20度可以正确识别信息，20～30度对动态东西比较敏感，一般当图像的垂直方向视角为20度，水平方向的视角为36度时，会有非常好的视觉临场感，更大范围优质观察则需要人的主动运动加以弥补。

因此本实施例结合视线补偿，通过多个摄像头图像拼接实现单人或多人大范围的观察效果，可以在更大的视场范围内实现同质、无疲劳观察。

考虑到人单眼的水平视角最大可达156度，双眼的水平视角最大可达188度；人两眼重合视场为124度，当集中注意力时约为五分之一，即25度，单眼舒适视域为60度。因此本实施例配置3台图像传感器，每台图像传感器设置为水平视场50度、垂直视场30度，相邻两台图像传感器有10度的交叉覆盖范围，则3台图像传感器图像拼接后可形成水平130度、垂直30度的稳定覆盖范围。更多的图像传感器配置可以形成不同的近似全景观察覆盖。

本发明的基本原理是：通过计算遮挡角、确定视线补偿范围、确定图像传感器安装位置、计算等效视线补偿范围、选择合适的图像传感器、驾驶室视频连接配置等步骤，对图像传感器进行视场设计，弥补船舶驾驶室指挥员因视线遮挡造成的通视效果不理想问题。该设计能够有效解决因风力转子等设备改装导致的船舶驾驶室视线盲区问题，弥补驾驶室指挥人员视觉被物理遮挡的视线范围，增加对船舶周围环境的观察能力，从而提高船舶的驾驶安全性，满足了相关规范规则要求。

以上所述仅是本发明的一些较为系统全面的基于CCTV的船舶驾驶视线补偿方法实施例，事实上可以根据优选方案优化选择图像传感器配置(如设置更多的图像传感器)，选择性进行图像传感器的安全防护设计、防水设计、夜视功能设计等项目，这些组合也应视为本发明的保护范围，这里不再一一列举。