基于CCTV技术的视线补偿设计与应用

2023-10-17沈恺,姚文

江苏船舶 2023年4期

沈恺,姚文

(中船澄西船舶修造有限公司,江苏江阴 214433)

0 引言

风力转子技术作为一种环保节能的设备,逐渐得到航运业的青睐。然而,受到安装位置和尺寸的限制,风力转子设备会导致驾驶员的视线盲区,给船舶的驾驶安全性带来威胁。因此,如何解决风力转子设备带来的视线盲区,以及改善驾驶员的视线情况,是当前亟待解决的问题。传统的视线补偿方法主要采用人工进行视线补偿,即在驾驶室内增加观察窗口或通过调整驾驶员的坐姿等方式来改善驾驶员的视线情况。然而,这些方法都有其局限性,例如增加观察窗口需要占用船舶的空间,而调整驾驶员的坐姿则容易引起船舶操作的不稳定性。因此,传统方法无法完全解决风力转子设备带来的视线盲区问题。

近年来,随着摄像技术的不断发展,基于CCTV技术的视线补偿方法逐渐成为研究的热点。该方法通过安装在船上的CCTV设备,实现对驾驶室盲区的实时监控,从而改善驾驶员的视线情况,增加对船舶周围环境的观察能力,提高船舶的驾驶安全性。在对船舶航行安全方面的研究中,船舶交通服务、船舶航行路线、对海上及沿海船舶运动监测是最重要的课题[1]。

本文以某45 000载重吨散货船加装4个风力助推转子进行节能技术改造为背景,提出基于CCTV技术的视线补偿设计方案,详细分析该方案的设计、实施效果和相关技术细节。

1 视线盲区分析

《国内航行海船法定检验技术规则》(2020)第4篇第5章第5.2.2条“驾驶室视域”第5.2.2.1(1)条规定: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°范围内均不应有两个船身以上的长度或500 m(取其小者)遮挡;第5.2.2.1(2)条规定:在驾驶室外正横前方从驾驶位置所见的海面视域内任何由货物、起货装置或其他障碍物造成的盲视形区域的遮挡,不应超过10°。盲视扇形区域的总弧度不应超过20°。在盲视区之间的可视扇形区域应至少为5°[2]。但在本条(1)中所述之视域内,每一单独的盲视区均不应超过5°。

按照国际标准化组织(International Organization for Standardization,ISO)提供的视线确定方法,将距离驾驶室前舱壁750 mm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°。

根据上述及条款规定,本船的改装方案不符合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见图1。

图1 驾驶室视线遮蔽情况(单位:mm)

因此,需要通过CCTV技术的视线补偿设计来解决视线盲区问题,保证驾驶员的视线不被遮挡,提高船舶驾驶的安全性和效率。

2 CCTV监视系统摄像机的安装位置分析

在CCTV监视系统的视线补偿设计中,合理的摄像机安装位置和布局可大大减少视线盲区,提高监控效果。因此,在设计CCTV监视系统时,必须详细规划和设计摄像机的安装位置和布局。

(1)为了能够全方位地监控船舶周围的环境,CCTV监视系统的摄像机必须选择合适的安装位置。在船上,摄像机的安装位置主要有以下几种:甲板、桅杆、船头、船尾、驾驶室、机房等。不同的位置可以监控不同的区域,因此需要根据监控需求和实际情况进行选择。 (2)通过使用船舶视线仿真软件,对散货船在不同高度位置上的视线盲区进行模拟分析。在分析中,需要考虑转子设备的尺寸、形状、位置及船型和尺寸等因素。另外,还需比较不同高度位置上的视线盲区大小和位置。45 000载重吨散货船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。因此,要从根本上解决问题,可选择在前桅上靠近桅灯处安装CCTV摄像机,最大程度地覆盖视线盲区,并确保在视线补偿效果方面达到最佳性能。

同时,根据船上操作人员的实际视线需求,如靠港、离港、航行中等情况下的视线要求,选择最佳的安装高度,以确保操作人员在实际操作中能够获得清晰、准确的视线信息。另外,考虑到前桅上的空间限制、船舶结构强度和稳定性等因素,对选择的安装位置进行合理性评估。

最终,CCTV摄像头安装高度设定为:水线以上16.9 m,水平角度57.6°,见图2。

Loa—船长;A—通过驾驶室视线点与船首端相连,延伸出去部分的长度。

3 CCTV监视系统的搭建和配置

CCTV监视系统的搭建和配置是非常重要的环节。一个好的监视系统搭建和配置能够有效地提高监控的效率和准确性,为视线补偿设计提供更好的保障。

3.1 系统组成

闭路电视视频监视系统大致是由前端图像的采集、视频图像和控制信号传输部分、视频图像记录及显示等组成[3],其中:摄像机是整个系统的核心,负责捕捉监控区域内的图像;DVR负责录制、存储和回放摄像机捕捉的图像;监视器用于显示DVR录制的视频;存储设备用于存储DVR录制的视频数据,如硬盘或光盘;配电设备用于为整个系统提供电力。CCTV系统组成见图3。

图3 CCTV系统简易图

3.2 摄像机的选择和配置

在视线补偿设计中,应根据监控区域的特点选择不同种类的摄像机,并将其合理配置。

(1)在选择摄像机时,配置了图像传感器、图像处理器和通讯模块在所选的CCTV摄像机上,用于获取实时视频信号并传输到驾驶室显示设备。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。

(2)在传输信号的线路上采用光纤作为传输电缆,更好地保证了信号传输的稳定性。

(3)根据图2的监控区域的大小和复杂程度选择了合适的镜头焦距、视场角及可视范围,以保证捕捉到清晰的图像。同时,考虑到摄像机的分辨率和灵敏度,以及是否具备夜视功能等特点,以便在不同的环境中提供更好的监控效果。

(4)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。因此,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。

(5)结合雷达的数据信号进行多源数据融合和综合分析,实现对驾驶员视线盲区的全面监测和补偿,提供更全面、准确的环境感知。

最终摄像机的参数如下:焦距4.8～120.0 mm,白天/夜间模式自动切换,可视角度:水平57.6°(W广角)～2.5°(T长焦),垂直34.4°(W广角)～1.4°(T长焦),最小可视距离1.0 m,有效可视距离2 000 m,可手动/自动/一次对焦。

3.3 DVR的选择和配置

DVR是监视系统的核心设备之一,它负责录制、存储和回放摄像机捕捉的图像。在选择DVR时,根据监控区域的大小和复杂程度选择合适的存储容量,并注意其录制质量和压缩方式的选择,以便在保证图像质量的同时节约存储空间。在配置DVR时,根据监控需求设置了合适的录制模式和时间,以及报警功能等设置。最终实际录制容量能够保证记录不少于一个月,完全满足船舶使用情况。此外,还配置了DVR的网络功能,以方便后期远程监控和数据传输。

3.4 监视器

监视器作为CCTV系统的显示设备,是将DVR录制下来的视频信号转化为可视化的图像的重要媒介。在选择监视器时,需要考虑显示分辨率、屏幕大小、反应时间和亮度等因素。

(1)显示分辨率是影响监视器质量的一个重要因素。分辨率越高,图像的清晰度就越高,细节也更加清晰。此方案中选择了高分辨率的监视器,以保证监控画面的清晰度。

(2)反应时间也是选择监视器时需要考虑的一个因素。反应时间越短,图像的稳定性就越高,监控运动物体时也更加流畅。在CCTV系统中,选择反应时间低于5 ms的监视器。

(3)亮度也是一个重要的考虑因素。如果监视器的亮度不足,则会导致监控画面的细节丢失,无法有效地进行监控。因此,在选择监视器时需要考虑适当的亮度,以保证画面的清晰度和稳定性。

(4)选择监视器时,还需要考虑监视器的可靠性和耐用性。在海上环境中,气候恶劣,船体振动大,因此需要选择具有防水、防振和耐用性能的监视器。这样可以有效保护监视器不受海水侵蚀,同时也能够有效地保护监视器免受机械损坏。

最终,采用船用加固显示器。该显示器支持VGA/HDMI/DVI多种信号输入,抗干扰能力强,图像清晰; 支持旋钮调光/按键调光2种方式,可实现调到全黑,亮度变化平缓无突变。显示屏幕采用电子钢化玻璃,前面框采用12 mm厚铝面板加固。结构具有良好的抗振性能和散热功能;内部做三防处理,具有良好的防潮、防盐雾、防霉能力。