TWI744795B - 海平面影像偵測系統 - Google Patents

Abstract

一種海平面影像偵測系統，其包括影像擷取器、離散餘弦轉換器以及卡爾曼濾波器。影像擷取器拍攝海平面影像。離散餘弦轉換器將海平面影像分為多個像素區塊並計算其相應的標示值，離散餘弦轉換器比較各像素區塊之標示值和門檻值，以區分各像素區塊為海洋或天空，進而取得離散海平面影像及海平面線。卡爾曼濾波器根據前次海平面影像及前次海平面線修正離散海平面影像及海平面線。透過前述的設置，使海平面影像較為穩定，並去除海平面起伏較大的海平面影像。

Description

海平面影像偵測系統

本發明關於一種利用離散餘弦轉換器和卡爾曼濾波器取得較為穩定的海平面影像之海平面影像偵測系統。

以往，海平面的影像偵測會受到海水載浮載沉的影響而晃動，導致海平面影像進而晃動、飄移或傾斜。現有的海平面影像偵測系統為利用霍夫轉換(Hough transform)和卡爾曼濾波器(Kalman Filter)進行海平面影像的選定，並過濾晃動、飄移或傾斜的海平面影像；然而，海平面影像經過霍夫轉換而可能產生多條對應海平面影像的線，難以判斷確切海平面的位置。

美國公開號US20180217243A1之專利為利用超聲波的方式偵測海平面的高度，進而得知船所處的海平面位置，但仍未取得海平面影像，而仍未知船所處的海平面狀況。

綜觀前所述，本發明之發明者思索並設計一種海平面影像偵測系統，以期針對習知技術之缺失加以改善，進而增進產業上之實施利用。

有鑑於上述習知之問題，本發明的目的在於提供一種海平面影像偵測系統，用以解決習知技術中所面臨之問題。

基於上述目的，本發明提供一種海平面影像系統，其包括影像擷取器、離散餘弦轉換器以及卡爾曼濾波器。影像擷取器拍攝海平面影像。離散 餘弦轉換器電性連接影像擷取器以接收海平面影像，離散餘弦轉換器將海平面影像分為複數個像素區塊並計算其相應的標示值，離散餘弦轉換器比較各像素區塊之標示值和門檻值，以區分各像素區塊為海洋或天空，進而取得離散海平面影像及海平面線。卡爾曼濾波器電性連接離散餘弦轉換器以接收離散海平面影像及海平面線，卡爾曼濾波器儲存前次海平面影像以及前次海平面線，卡爾曼濾波器根據前次海平面影像及前次海平面線修正離散海平面影像及海平面線。透過離散餘弦轉換器和卡爾曼濾波器的設置，使海平面影像較為穩定，並去除海平面起伏較大的海平面影像。

較佳地，各複數個像素區塊具有複數個像素。

較佳地，複數個像素的數量相異或相同於複數個像素區塊的數量。

較佳地，離散餘弦轉換器計算各像素區塊之複數個像素的直流係數值和複數個交流係數值，離散餘弦轉換器平均各像素區塊之複數個交流係數值以取得平均係數值，並找出各像素區塊的平均係數值之最大係數值，離散餘弦轉換器將各像素區塊之平均係數值和最大係數值相除以取得標示值。

較佳地，當像素區塊之標示值小於門檻值，像素區塊為天空。

較佳地，當像素區塊之標示值大於門檻值，像素區塊為海洋。

較佳地，卡爾曼濾波器根據前次海平面影像及前次海平面線預估當前海平面影像以及當前海平面線，卡爾曼濾波器比對當前海平面影像和當前海平面線和離散海平面影像及海平面線，以修正離散海平面影像及海平面線。

較佳地，卡爾曼濾波器根據前次海平面線所對應的座標值及前次海平面影像中的風速，預估當前海面線所對應的座標值及當前海平面影像中的風速。

較佳地，修正後離散海平面影像以修正後海平面線為基準透視轉換為穩定海平面影像。

較佳地，靠近海洋之所屬為天空之各像素區塊互相連接為海平面線。

承上所述，本發明之海平面影像系統，透過離散餘弦轉換器和卡爾曼濾波器的設置，使海平面影像較為穩定，並去除海平面起伏較大的海平面影像。

10:影像擷取器

20:離散餘弦轉換器

30:卡爾曼濾波器

BSLP:前次海平面影像

BSL:前次海平面線

L:標示值

PB:像素區塊

SLP:海平面影像

THRS:門檻值

:k狀態的估計值

:前次狀態的預測結果

B _k μ _k-1:估計中的雜訊

Pk:估計後所得到預測的狀態

F _k P _k-1:目前變化狀態估計k-1前一個狀態後的估計後的變化時間

F _k ^T :轉換矩陣

Q _k :過濾雜訊

第1圖為本發明之海平面影像系統之配置圖。

第2圖為海平面影像之多個像素區塊之轉換圖。

第3圖為海平面影像經過離散餘弦轉換器後之示意圖。

第4圖為卡爾曼濾波器之作動機制圖。

第5圖為本發明之海平面影像圖。

本發明之優點、特徵以及達到之技術方法將參照例示性實施例及所附圖式進行更詳細地描述而更容易理解，且本發明可以不同形式來實現，故不應被理解僅限於此處所陳述的實施例，相反地，對所屬技術領域具有通常知 識者而言，所提供的實施例將使本揭露更加透徹與全面且完整地傳達本發明的範疇，且本發明將僅為所附加的申請專利範圍所定義。

應當理解的是，儘管術語「第一」、「第二」等在本發明中可用於描述各種元件、部件、區域、層及/或部分，但是這些元件、部件、區域、層及/或部分不應受這些術語的限制。這些術語僅用於將一個元件、部件、區域、層及/或部分與另一個元件、部件、區域、層及/或部分區分開。因此，下文討論的「第一元件」、「第一部件」、「第一區域」、「第一層」及/或「第一部分」可以被稱為「第二元件」、「第二部件」、「第二區域」、「第二層」及/或「第二部分」，而不悖離本發明的精神和教示。

另外，術語「包括」及/或「包含」指所述特徵、區域、整體、步驟、操作、元件及/或部件的存在，但不排除一個或多個其他特徵、區域、整體、步驟、操作、元件、部件及/或其組合的存在或添加。

除非另有定義，本發明所使用的所有術語(包括技術和科學術語)具有與本發明所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。將進一步理解的是，諸如在通常使用的字典中定義的那些術語應當被解釋為具有與它們在相關技術和本發明的上下文中的含義一致的定義，並且將不被解釋為理想化或過度正式的意義，除非本文中明確地這樣定義。

請參閱第1圖至第3圖，其為本發明之海平面影像系統之配置圖、海平面影像經過離散餘弦轉換器後之示意圖以及海平面影像經過離散餘弦轉換器後之示意圖。如第1圖至第3圖所示，本發明之海平面影像系統，其包括影像擷取器10、離散餘弦轉換器20以及卡爾曼濾波器30。影像擷取器10拍攝海平面影像SLP。離散餘弦轉換器20電性連接影像擷取器10以接收海平面影像SLP，離 散餘弦轉換器20將海平面影像SLP分為複數個像素區塊PB並計算其相應的標示值L，離散餘弦轉換器20比較各像素區塊PB之標示值L和門檻值THRS，以區分各像素區塊PB為海洋SEA或天空SKY，進而取得離散海平面影像DSLP及海平面線SL。卡爾曼濾波器30電性連接離散餘弦轉換器20以接收離散海平面影像DSLP及海平面線SL，卡爾曼濾波器30儲存前次海平面影像BSLP以及前次海平面線BSL，卡爾曼濾波器30根據前次海平面影像BSLP及前次海平面線BSL修正離散海平面影像DSLP及海平面線SL。透過離散餘弦轉換器20和卡爾曼濾波器30的設置，使海平面影像SLP較為穩定，並去除海平面起伏較大的海平面影像。

具體而言，如第2圖所示，離散餘弦轉換器20將海平面影像SLP分為複數個像素區塊PB，各像素區塊PB具有複數個像素，複數個像素區塊PB的數量相異或相同於複數個像素的數量；舉例而言，離散餘弦轉換器20將海平面影像SLP分為64個像素區塊PB，各像素區塊PB具有64個像素，當然可依據海平面影像SLP的實際尺寸進行像素區塊PB和像素的數量調整，而未侷限於本發明所列舉的範圍。

接著，離散餘弦轉換器20計算各像素區塊PB之複數個像素的直流係數值和複數個交流係數值，其運算公式如下(設定像素的數量為64，1個直流係數值和63個交流係數值)：

，i,j=0,1,2.....,7 其中，P_mn指的是在輸入的像素區塊PB內相對應(m,n)的像素值，每個DCT區塊共有8x8個像素，因此i,j=0~7代表每個像素區塊PB的位置，ε_i ,ε_j是一個變 數係數，唯有在i=j=0時，ε_i ,ε_j設為

，其餘情況(i,j=1~7)，ε _i ,ε _j 則設為

。

離散餘弦轉換器20平均各像素區塊PB之63個交流係數值以取得平均係數值，並找出各像素區塊PB的平均係數值之最大係數值，離散餘弦轉換器20將各像素區塊PB之平均係數值和最大係數值相除以取得標示值L(亦即，

，

為平均係數值，

為平均係數值)，設定門檻值THRS為0.1。

續言之，如第3圖所示，單個像素區塊PB之標示值L若小於門檻值THRS(其數值為0.1)，單個像素區塊PB標示為天空SKY(第3圖之白色區塊)；單個像素區塊PB之標示值L若大於門檻值THRS(其數值為0.1)，單個像素區塊PB標示為海洋SEA(第3圖之黑色區塊)，接著將靠近海洋SEA之所屬為天空SKY之各像素區塊PB互相連接為海平面線SL，從而取得離散海平面影像DSLP及海平面線SL。

請參閱第4圖，其為卡爾曼濾波器30之作動機制圖。如第4圖所示，卡爾曼濾波器30根據前次狀態預估下次狀態，其預估公式如下：

P _k =F _k P _k-1 F _k ^T +Q _k 其中，

為k狀態的估計值(例如速度或座標)，

為前次狀態(k-1狀態)的預測結果，B _k μ _k-1為估計中的雜訊；P _k 是誤差共變異數(亦即誤差值)，主要估算k狀態的不確定性，P _k-1為前次狀態(k-1狀態)的誤差變異數，P _k 透過P _k-1和狀態轉換矩陣(F _k 和F _k ^T )可將不確定性雜訊加入到P _k 的預估，並且由於預測模型也可能會有誤差值，因此額外在加入Q _k (誤差值)，F _k 和F _k ^T 為狀態轉換矩陣，Q _k 為過濾雜訊。

請參閱第5圖，其為本發明之海平面影像圖。舉例來說，如第5圖所示，並搭配第4圖，紅點為海平面線SL的2個點(此為k-1狀態的海平面線，相當於

)，搭配B _k μ _k-1的運算，能取得k狀態的海平面線(

)。

續言之，考慮權重值K _k (卡爾曼增益值)將前述公式修正如下：

為估計狀態的變化轉換矩陣，(

+R)^-1為誤差，

為估計變化時間。

將前述原理應用於海平面影像，

包括前次海平面影像BSLP以及前次海平面線BSL所對應的座標值及風速，

為卡爾曼濾波器30所預測出的當前海平面影像以及當前海平面線所對應的座標值及風速，卡爾曼濾波器30比對當前海平面影像和當前海平面線和離散海平面影像DSLP及海平面線SL，以修正離散海平面影像DSLP及海平面線SL，最後修正後離散海平面影像DSLP以修正後海平面線為基準透視轉換為穩定海平面影像。

需提及的是，在一實施例中，影像擷取器10設置於無人船中，離散餘弦轉換器20和卡爾曼濾波器30設置於遠端的電腦；因此，影像擷取器10和離散餘弦轉換器20和卡爾曼濾波器30為皆有設置對應的無線收發器，以透過無線的方式傳送海平面影像SLP。在另一實施例中，影像擷取器10設置於無人船中，離散餘弦轉換器20和卡爾曼濾波器30設置於遠端的電腦，並具有雲端伺服器，雲端伺服器和影像擷取器10及遠端的電腦網路連接；影像擷取器10傳送海平面影像SLP至雲端伺服器，遠端的電腦在跟雲端伺服器連接以取得海平面影像 SLP。前述配置僅為舉例，當然也可為其他較佳的配置，而未侷限於本發明所列舉的範圍。

觀前所述，本發明之海平面影像系統，透過離散餘弦轉換器20和卡爾曼濾波器30的設置，使海平面影像SLP較為穩定，並去除海平面起伏較大的海平面影像。總括而言，本發明之海平面影像系統，具有如上述的優點，能取得較為理想的海平面影像。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

10:影像擷取器

20:離散餘弦轉換器

30:卡爾曼濾波器

BSLP:前次海平面影像

BSL:前次海平面線

DSLP:離散海平面影像

L:標示值

PB:像素區塊

SKY:天空

SEA:海洋

SL:海平面線

SLP:海平面影像

THRS:門檻值

Claims (10)

1. 一種海平面影像偵測系統，其包括：一影像擷取器，拍攝一海平面影像；一離散餘弦轉換器，電性連接該影像擷取器以接收該海平面影像，該離散餘弦轉換器將該海平面影像分為複數個像素區塊並計算其相應的一標示值，該離散餘弦轉換器比較各該像素區塊之該標示值和一門檻值，以區分各該像素區塊為海洋或天空，進而取得一離散海平面影像及一海平面線；以及一卡爾曼濾波器，電性連接該離散餘弦轉換器以接收該離散海平面影像及該海平面線，該卡爾曼濾波器儲存一前次海平面影像以及一前次海平面線，該卡爾曼濾波器根據該前次海平面影像及該前次海平面線修正該離散海平面影像及該海平面線。
2. 如請求項1所述之海平面影像偵測系統，其中，各該複數個像素區塊具有複數個像素。
3. 如請求項2所述之海平面影像偵測系統，其中，該複數個像素的數量相異或相同於該複數個像素區塊的數量。
4. 如請求項2所述之海平面影像偵測系統，該離散餘弦轉換器計算各該像素區塊之該複數個像素的一直流係數值和複數個交流係數值，該離散餘弦轉換器平均各像素區塊之複數個交流係數值以取得一平均係數值，並找出各該像素區塊的該平均係數值之一最大係數值，該離散餘弦轉換器將各像素區塊之該平均係數值和該最大係數值相除以取得該標示值。
5. 如請求項1所述之海平面影像偵測系統，當該像素區塊之該 標示值小於該門檻值，該像素區塊為天空。
6. 如請求項1所述之海平面影像偵測系統，當該像素區塊之該標示值大於該門檻值，該像素區塊為海洋。
7. 如請求項1所述之海平面影像偵測系統，該卡爾曼濾波器根據該前次海平面影像及該前次海平面線預估一當前海平面影像以及一當前海平面線，該卡爾曼濾波器比對該當前海平面影像和該當前海平面線和該離散海平面影像及該海平面線，以修正該離散海平面影像及該海平面線。
8. 如請求項7所述之海平面影像偵測系統，該卡爾曼濾波器根據該前次海平面線所對應的座標值及該前次海平面影像中的風速，預估該當前海面線所對應的座標值及該當前海平面影像中的風速。
9. 如請求項1所述之海平面影像偵測系統，其中，修正後該離散海平面影像用以修正後該海平面線為基準透視轉換為一穩定海平面影像。
10. 如請求項1所述之海平面影像偵測系統，其中，靠近海洋之所屬為天空之各該像素區塊互相連接為該海平面線。

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