專利名稱：一種相控陣三維聲納圖像離線處理系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于相控陣三維聲納技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種相控陣三維聲納圖像離線處 理系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
海洋科技是海洋產(chǎn)業(yè)的第一生產(chǎn)力，也是海洋軍事的第一戰(zhàn)斗力。海洋高新技術(shù) 被公認(rèn)為是世界新科技革命的主要領(lǐng)域之一，它的前沿性、獨(dú)占性、帶動(dòng)性和綜合性決定了 它具有科技的戰(zhàn)略制高點(diǎn)性質(zhì)。隨著海洋開發(fā)的日益深入，用于水下勘探的相關(guān)技術(shù)越來 越受到人們重視。作為水下探測的一個(gè)重要分支，水下聲納成像技術(shù)在水下探測領(lǐng)域諸多 場合發(fā)揮著不可替代的作用，側(cè)掃聲納、多波束測深聲納、測深側(cè)掃聲納、合成孔徑聲納等 聲納技術(shù)不斷涌現(xiàn)。相控陣三維聲學(xué)攝像聲納作為三維圖像聲納，能夠獲得距離、水平、垂 直三維空間的目標(biāo)信息，與目前通用的圖像聲納相比具有圖像清晰、可視性好等特點(diǎn)。為了 適應(yīng)各種水下潛器的水下作業(yè)需要，必須同時(shí)獲得距離、角度和深度三維信息的分辨能力。 但由于技術(shù)難度較大，世界上只有少數(shù)國家開展了水下三維成像系統(tǒng)的研究工作，國際上 比較先進(jìn)的是挪威的Echoscope三維成像聲納系列。因此，研究相控陣三維聲納圖像處理 系統(tǒng)具有重要的工程實(shí)用價(jià)值和理論指導(dǎo)意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種相控陣三維聲納圖像離線處理系統(tǒng)和方法，結(jié)構(gòu)謹(jǐn)嚴(yán)、高精度、 圖像清晰、交互方便、可擴(kuò)展性強(qiáng)，有效地實(shí)現(xiàn)了三維聲納圖像的離線處理功能。一種相控陣三維聲納圖像離線處理系統(tǒng)，包括(1)三維聲納圖像數(shù)據(jù)讀取模塊，包括GPS坐標(biāo)信息讀取模塊、姿態(tài)信息讀取模 塊、以及聲納點(diǎn)數(shù)據(jù)讀取和解析模塊，用于以幀為單位從硬盤讀取GPS坐標(biāo)、姿態(tài)信息和聲 納點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)聲納點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并將球面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)系中的X，1，ζ三維坐標(biāo)；(2)單幀多層重建模塊，包括網(wǎng)格搜索子模塊和三角面片連接子模塊；所述的網(wǎng)格搜索子模塊，用于確定三維聲納點(diǎn)所在的掃描波束和層數(shù)信息以及反 射強(qiáng)度信息，并將每個(gè)掃描波束上的聲納點(diǎn)按照層數(shù)順序進(jìn)行排序，然后按照預(yù)設(shè)邊長大 小的網(wǎng)格搜索相鄰聲納點(diǎn)；所述的預(yù)設(shè)的邊長大小由重建精度確定，重建精度越高，預(yù)設(shè)的 邊長越??；所述的三角面片連接子模塊，用于將搜索到的聲納點(diǎn)依次連接成三角面片，便于 后續(xù)插值處理；(3)精確配準(zhǔn)模塊，包括重疊區(qū)域判斷子模塊、兩兩配準(zhǔn)子模塊和擬牛頓最優(yōu)化子 模塊；所述的重疊區(qū)域判斷子模塊，用于將單幀重建的圖片兩兩配對(duì)組合，并獲取每個(gè) 配對(duì)組合中兩幀圖片的邊界坐標(biāo)信息，從而判斷兩幀圖片之間是否有重疊部分，并對(duì)有重 疊區(qū)域的配對(duì)組合進(jìn)行光柵化插值，記錄重疊區(qū)域內(nèi)的聲納點(diǎn)的個(gè)數(shù)，以判斷重疊區(qū)域的大?。凰龅膬蓛膳錅?zhǔn)子模塊，用于對(duì)每個(gè)配對(duì)組合中兩幀圖片重疊區(qū)域內(nèi)的聲納點(diǎn)進(jìn) 行最近鄰點(diǎn)迭代處理，并對(duì)處于重疊區(qū)域邊界的聲納點(diǎn)進(jìn)行消除后處理，將每個(gè)配對(duì)組合 中兩幀圖片進(jìn)行配準(zhǔn)，得到表征所述的兩幀圖片之間的旋轉(zhuǎn)或平移關(guān)系的配準(zhǔn)矩陣；所述的擬牛頓最優(yōu)化子模塊，用于將所有的配準(zhǔn)矩陣進(jìn)行擬牛頓最優(yōu)化處理，得 到各幀圖片相對(duì)于第一楨圖片的全局最優(yōu)配準(zhǔn)矩陣，并作用于各幀圖片(即根據(jù)所述的全 局最優(yōu)配準(zhǔn)矩陣對(duì)各幀圖片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或平移)，將各幀圖片坐標(biāo)配準(zhǔn)到第一幀圖片的坐標(biāo) 系下；(4)拼接融合模塊，包括分辨率設(shè)置子模塊、光柵化采樣子模塊、高頻成分去除子 模塊、兩幀融合子模塊，以及再重建與可視化子模塊；所述的分辨率設(shè)置子模塊，用于設(shè)置分辨率，可以根據(jù)低精度快速顯示和高精度 精細(xì)顯示的不同要求分別設(shè)置不同級(jí)別的分辨率；所述的光柵化采樣子模塊，用于根據(jù)所設(shè)分辨率沿X，y，ζ三個(gè)方向依次對(duì)聲納點(diǎn) 進(jìn)行光柵化網(wǎng)格采樣處理，得到各個(gè)采樣點(diǎn)的位置、方向和權(quán)重信息；所述的高頻成分去除子模塊，用于對(duì)同一幀中，方向相反，且在同一條光柵網(wǎng)格邊 上的兩點(diǎn)刪除其一，消除高頻成分；所述的兩幀融合子模塊，用于對(duì)分屬于不同的兩幀，但方向相同，并且位于所述的 光柵化網(wǎng)格大小確定的距離范圍內(nèi)的兩聲納點(diǎn)進(jìn)行融合；所述的再重建與可視化子模塊，用于對(duì)融合完后的所有聲納點(diǎn)進(jìn)行三角面片的重 建，使多幀重建為一個(gè)整體，并進(jìn)行三維可視化顯示。一種相控陣三維聲納圖像離線處理方法，包括(1)三維聲納圖像數(shù)據(jù)讀取步驟以幀為單位從硬盤讀取GPS坐標(biāo)、姿態(tài)信息和聲 納點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)聲納點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并將球面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)系中的X，1，Z三維坐標(biāo)；(2)單幀多層重建步驟根據(jù)由步驟(1)讀取的三維聲納圖像數(shù)據(jù)，確定三維聲納 點(diǎn)所在的掃描波束、層數(shù)以及反射強(qiáng)度信息，并將每個(gè)掃描波束上的聲納點(diǎn)按照層數(shù)順序 進(jìn)行排序，然后按照預(yù)設(shè)邊長大小的網(wǎng)格搜索相鄰聲納點(diǎn)，再將搜索到的聲納點(diǎn)依次連接 成三角面片進(jìn)行單幀多層重建；所述的預(yù)設(shè)的邊長大小由重建精度確定，重建精度越高，預(yù) 設(shè)的邊長越小；(3)精確配準(zhǔn)步驟(3. 1)重疊區(qū)域判斷步驟將單幀多層重建的圖片兩兩配對(duì)組合，并保證組合不 重復(fù)；獲取每個(gè)配對(duì)組合中兩幀圖片的邊界坐標(biāo)信息，進(jìn)而判斷兩幀圖片之間是否有重疊 部分，并對(duì)有重疊區(qū)域的配對(duì)組合進(jìn)行光柵化插值，記錄重疊區(qū)域內(nèi)的聲納點(diǎn)的個(gè)數(shù)，以判 斷重疊區(qū)域的大??；(3. 2)兩兩配準(zhǔn)子步驟對(duì)每個(gè)配對(duì)組合中兩幀圖片重疊區(qū)域內(nèi)的聲納點(diǎn)進(jìn)行最 近鄰點(diǎn)迭代處理，并對(duì)處于重疊區(qū)域邊界的聲納點(diǎn)進(jìn)行消除后處理，將每個(gè)配對(duì)組合中兩 幀圖片進(jìn)行配準(zhǔn)，得到表征所述的兩幀圖片之間的旋轉(zhuǎn)或平移關(guān)系的配準(zhǔn)矩陣；(3. 3)擬牛頓最優(yōu)化子步驟將所有的配準(zhǔn)矩陣進(jìn)行擬牛頓最優(yōu)化處理，得到各 幀圖片相對(duì)于第一楨圖片的全局最優(yōu)配準(zhǔn)矩陣，并作用于各幀圖片(即根據(jù)所述的全局 最優(yōu)配準(zhǔn)矩陣對(duì)各幀圖片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或平移)，將各幀圖片坐標(biāo)配準(zhǔn)到第一幀圖片的坐標(biāo)系下；(4)拼接融合可視化步驟通過拼接將步驟(3)中配準(zhǔn)后的各幀圖像融合到全局 圖像中，包括(4. 1)設(shè)置分辨率，可以根據(jù)低精度快速顯示和高精度精細(xì)顯示的不同要求分別 設(shè)置不同級(jí)別的分辨率；(4. 2)光柵化采樣根據(jù)所設(shè)分辨率沿X，y，ζ三個(gè)方向依次對(duì)聲納點(diǎn)進(jìn)行光柵化 網(wǎng)格采樣處理，得到各個(gè)采樣點(diǎn)的位置、方向和權(quán)重信息；(4.3)去除高頻成分對(duì)同一幀中，方向相反，且在同一條光柵網(wǎng)格邊上的兩點(diǎn)刪 除其一，消除高頻成分；(4.4)兩幀融合對(duì)分屬于不同的兩幀，但方向相同，并且位于所述的光柵化網(wǎng)格 大小確定的距離范圍內(nèi)的兩聲納點(diǎn)進(jìn)行融合；(4. 5)再重建與可視化子模塊，對(duì)融合完后的所有聲納點(diǎn)進(jìn)行三角面片的重建，使 多幀重建為一個(gè)整體，并進(jìn)行三維可視化顯示。本發(fā)明中，所述的最近鄰點(diǎn)迭代的過程如下a.對(duì)于在所述的重疊區(qū)域內(nèi)一幀圖片上的聲納點(diǎn)集合Y中的每個(gè)聲納點(diǎn)，計(jì)算它 在所述的重疊區(qū)域內(nèi)另一幀圖片上的聲納點(diǎn)集合X中的最近點(diǎn)；b.通過步驟a，得到兩個(gè)聲納點(diǎn)集合Y和X之間相應(yīng)的變換矩陣；c.根據(jù)步驟b中的變換矩陣，對(duì)聲納點(diǎn)集合Y進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或平移；d.計(jì)算變換后兩幀圖片上所有相互對(duì)應(yīng)的聲納點(diǎn)對(duì)之間的距離之和的值，如果該 值小于設(shè)定的閾值，則迭代結(jié)束；否則，回到步驟a重復(fù)上述的過程。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果本發(fā)明中圖像配準(zhǔn)采用最近鄰近點(diǎn)迭代配合外圍點(diǎn)消除法，并進(jìn)行擬牛頓最優(yōu) 化，提高了配準(zhǔn)精度；本發(fā)明中圖像拼接融合以及再重建采用多級(jí)分辨率，同時(shí)支持低精度 的快速顯示和高精度的精細(xì)顯示要求。


圖1為本發(fā)明相控陣三維聲納圖像離線處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不僅限于此。如圖1所示，一種相控陣三維聲納圖像離線處理系統(tǒng)，包括(1)三維聲納圖像數(shù)據(jù)讀取模塊100，包括GPS坐標(biāo)信息讀取模塊101、姿態(tài)信息讀 取模塊102、以及聲納點(diǎn)數(shù)據(jù)讀取和解析模塊103，分別用于以幀為單位從硬盤讀取GPS坐 標(biāo)、姿態(tài)信息和聲納點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)聲納點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，將球面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)系中的X， y, ζ三維坐標(biāo)。(2)單幀重建模塊110，包括網(wǎng)格搜索子模塊111和三角面片連接子112。網(wǎng)格搜索子模塊111，用于確定三維聲納點(diǎn)所在的掃描波束和層數(shù)信息以及反射 強(qiáng)度信息，并將每個(gè)掃描波束上的聲納點(diǎn)按照層數(shù)順序進(jìn)行排序，然后按照預(yù)設(shè)邊長大小 的網(wǎng)格搜索相鄰聲納點(diǎn)；其中，預(yù)設(shè)的邊長大小由重建精度確定，重建精度越高，預(yù)設(shè)的邊長越小。三角面片連接子模塊112，用于將搜索到的聲納點(diǎn)按依次連接成三角面片，便于后 續(xù)插值處理。(3)精確配準(zhǔn)模塊120，包括重疊區(qū)域判斷子模塊121、兩兩配準(zhǔn)子模塊122和擬牛 頓最優(yōu)化子模塊123 ；重疊區(qū)域判斷子模塊121，用于將單幀重建的圖片兩兩配對(duì)組合，并獲取每個(gè)配 對(duì)組合中兩幀圖片的邊界坐標(biāo)信息，從而判斷兩幀圖片之間是否有重疊部分，并對(duì)有重疊 區(qū)域的配對(duì)組合進(jìn)行光柵化插值，記錄重疊區(qū)域內(nèi)的聲納點(diǎn)的個(gè)數(shù)，以判斷重疊區(qū)域的大兩兩配準(zhǔn)子模塊122，用于對(duì)每個(gè)配對(duì)組合中兩幀圖片重疊區(qū)域內(nèi)的聲納點(diǎn)進(jìn)行 最近鄰點(diǎn)迭代處理，并對(duì)處于重疊區(qū)域邊界的聲納點(diǎn)進(jìn)行消除后處理，將每個(gè)配對(duì)組合中 兩幀圖片進(jìn)行配準(zhǔn)，得到表征所述的兩幀圖片之間的旋轉(zhuǎn)或平移關(guān)系的配準(zhǔn)矩陣；擬牛頓最優(yōu)化子模塊123，用于將所有的配準(zhǔn)矩陣進(jìn)行擬牛頓最優(yōu)化處理，得到 各幀圖片相對(duì)于第一楨圖片的全局最優(yōu)配準(zhǔn)矩陣，并作用于各幀圖片(即根據(jù)所述的全局 最優(yōu)配準(zhǔn)矩陣對(duì)各幀圖片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或平移)，將各幀圖片坐標(biāo)配準(zhǔn)到第一幀圖片的坐標(biāo)系 下；(4)拼接融合模塊130，包括多級(jí)別分辨率設(shè)置子模塊131、光柵化采樣子模塊 132、高頻成分去除子模塊133、兩幀融合子模塊134，以及再重建與可視化子模塊135 ；多級(jí)別分辨率設(shè)置子模塊131，用于設(shè)置分辨率，可以根據(jù)低精度快速顯示和高精 度精細(xì)顯示的不同要求分別設(shè)置不同級(jí)別的分辨率；光柵化采樣子模塊132，用于根據(jù)所設(shè)分辨率沿X，y, ζ三個(gè)方向依次對(duì)聲納點(diǎn)進(jìn) 行光柵化網(wǎng)格采樣處理，得到各個(gè)采樣點(diǎn)的位置、方向和權(quán)重信息；高頻成分去除子模塊133，用于對(duì)同一幀中，方向相反，且在同一條光柵網(wǎng)格邊上 的兩點(diǎn)刪除其一，消除高頻成分；兩幀融合子模塊134，用于對(duì)分屬于不同的兩幀，但方向相同，并且位于所述的光 柵化網(wǎng)格大小確定的距離范圍內(nèi)的兩聲納點(diǎn)進(jìn)行融合；再重建與可視化子模塊135，用于對(duì)融合完后的所有聲納點(diǎn)進(jìn)行三角面片的重建， 使多幀重建為一個(gè)整體，并進(jìn)行三維可視化顯示。采用上述系統(tǒng)進(jìn)行相控陣三維聲納圖像離線處理方法，包括以下步驟(1)三維聲納圖像數(shù)據(jù)讀取步驟以幀為單位從硬盤讀取GPS坐標(biāo)、姿態(tài)信息和聲 納點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)聲納點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并將球面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)系中的X，1，ζ三維坐標(biāo)；(2)單幀多層重建步驟根據(jù)由步驟(1)讀取的三維聲納圖像數(shù)據(jù)，確定三維聲納 點(diǎn)所在的掃描波束、層數(shù)以及反射強(qiáng)度信息，并將每個(gè)掃描波束上的聲納點(diǎn)按照層數(shù)順序 進(jìn)行排序，然后按照預(yù)設(shè)邊長大小的網(wǎng)格搜索相鄰聲納點(diǎn)，再將搜索到的聲納點(diǎn)依次連接 成三角面片進(jìn)行單幀多層重建；所述的預(yù)設(shè)的邊長大小由重建精度確定，重建精度越高，預(yù) 設(shè)的邊長越小；(3)精確配準(zhǔn)步驟(3. 1)重疊區(qū)域判斷步驟將單幀多層重建的圖片兩兩配對(duì)組合，并保證組合不 重復(fù)；獲取每個(gè)配對(duì)組合中兩幀圖片的邊界坐標(biāo)信息，進(jìn)而判斷兩幀圖片之間是否有重疊部分，并對(duì)有重疊區(qū)域的配對(duì)組合進(jìn)行光柵化插值，記錄重疊區(qū)域內(nèi)的聲納點(diǎn)的個(gè)數(shù)，以判 斷重疊區(qū)域的大??；(3. 2)兩兩配準(zhǔn)子步驟對(duì)每個(gè)配對(duì)組合中兩幀圖片重疊區(qū)域內(nèi)的聲納點(diǎn)進(jìn)行最 近鄰點(diǎn)迭代處理，并對(duì)處于重疊區(qū)域邊界的聲納點(diǎn)進(jìn)行消除后處理，將每個(gè)配對(duì)組合中兩 幀圖片進(jìn)行配準(zhǔn)，得到表征所述的兩幀圖片之間的旋轉(zhuǎn)或平移關(guān)系的配準(zhǔn)矩陣；(3. 3)擬牛頓最優(yōu)化子步驟將所有的配準(zhǔn)矩陣進(jìn)行擬牛頓最優(yōu)化處理，得到各 幀圖片相對(duì)于第一楨圖片的全局最優(yōu)配準(zhǔn)矩陣，并作用于各幀圖片(即根據(jù)所述的全局 最優(yōu)配準(zhǔn)矩陣對(duì)各幀圖片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或平移)，將各幀圖片坐標(biāo)配準(zhǔn)到第一幀圖片的坐標(biāo)系 下；(4)拼接融合可視化步驟通過拼接將步驟(3)中配準(zhǔn)后的各幀圖像融合到全局 圖像中，包括(4. 1)設(shè)置分辨率，可以根據(jù)低精度快速顯示和高精度精細(xì)顯示的不同要求分別 設(shè)置不同級(jí)別的分辨率；(4. 2)光柵化采樣根據(jù)所設(shè)分辨率沿X，y，ζ三個(gè)方向依次對(duì)聲納點(diǎn)進(jìn)行光柵化 網(wǎng)格采樣處理，得到各個(gè)采樣點(diǎn)的位置、方向和權(quán)重信息；(4.3)去除高頻成分對(duì)同一幀中，方向相反，且在同一條光柵網(wǎng)格邊上的兩點(diǎn)刪 除其一，消除高頻成分；(4.4)兩幀融合對(duì)分屬于不同的兩幀，但方向相同，并且位于所述的光柵化網(wǎng)格 大小確定的距離范圍內(nèi)的兩聲納點(diǎn)進(jìn)行融合；(4. 5)再重建與可視化子模塊，對(duì)融合完后的所有聲納點(diǎn)進(jìn)行三角面片的重建，使 多幀重建為一個(gè)整體，并進(jìn)行三維可視化顯示。本實(shí)施例中，最近鄰點(diǎn)迭代的過程如下a.對(duì)于在所述的重疊區(qū)域內(nèi)一幀圖片上的聲納點(diǎn)集合Y中的每個(gè)聲納點(diǎn)，計(jì)算它 在所述的重疊區(qū)域內(nèi)另一幀圖片上的聲納點(diǎn)集合X中的最近點(diǎn)；b.通過步驟a，得到兩個(gè)聲納點(diǎn)集合Y和X之間相應(yīng)的變換矩陣；c.根據(jù)步驟b中的變換矩陣，對(duì)聲納點(diǎn)集合Y進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或平移；d.計(jì)算變換后兩幀圖片上所有相互對(duì)應(yīng)的聲納點(diǎn)對(duì)之間的距離之和的的值，如果 該值小于設(shè)定的閾值，則迭代結(jié)束；否則，回到步驟a重復(fù)上述的過程。
權(quán)利要求
1.一種相控陣三維聲納圖像離線處理系統(tǒng)，其特征在于，包括(1)三維聲納圖像數(shù)據(jù)讀取模塊，包括GPS坐標(biāo)信息讀取模塊、姿態(tài)信息讀取模塊、以 及聲納點(diǎn)數(shù)據(jù)讀取和解析模塊，用于以幀為單位從硬盤讀取GPS坐標(biāo)、姿態(tài)信息和聲納點(diǎn) 數(shù)據(jù)，對(duì)聲納點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并將球面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)系中的X，1，ζ三維坐標(biāo)；(2)單幀多層重建模塊，包括網(wǎng)格搜索子模塊和三角面片連接子模塊；所述的網(wǎng)格搜索子模塊，用于確定三維聲納點(diǎn)所在的掃描波束和層數(shù)信息以及反射強(qiáng) 度信息，并將每個(gè)掃描波束上的聲納點(diǎn)按照層數(shù)順序進(jìn)行排序，然后按照預(yù)設(shè)邊長大小的 網(wǎng)格搜索相鄰聲納點(diǎn)；所述的三角面片連接子模塊，用于將搜索到的聲納點(diǎn)依次連接成三角面片，便于后續(xù) 插值處理；(3)精確配準(zhǔn)模塊，包括重疊區(qū)域判斷子模塊、兩兩配準(zhǔn)子模塊和擬牛頓最優(yōu)化子模塊；所述的重疊區(qū)域判斷子模塊，用于將單幀重建的圖片兩兩配對(duì)組合，并獲取每個(gè)配 對(duì)組合中兩幀圖片的邊界坐標(biāo)信息，從而判斷兩幀圖片之間是否有重疊部分，并對(duì)有重疊 區(qū)域的配對(duì)組合進(jìn)行光柵化插值，記錄重疊區(qū)域內(nèi)的聲納點(diǎn)的個(gè)數(shù)，以判斷重疊區(qū)域的大 ?。凰龅膬蓛膳錅?zhǔn)子模塊，用于對(duì)每個(gè)配對(duì)組合中兩幀圖片重疊區(qū)域內(nèi)的聲納點(diǎn)進(jìn)行最 近鄰點(diǎn)迭代處理，并對(duì)處于重疊區(qū)域邊界的聲納點(diǎn)進(jìn)行消除后處理，將每個(gè)配對(duì)組合中兩 幀圖片進(jìn)行配準(zhǔn)，得到表征所述的兩幀圖片之間的旋轉(zhuǎn)或平移關(guān)系的配準(zhǔn)矩陣；所述的擬牛頓最優(yōu)化子模塊，用于將所有的配準(zhǔn)矩陣進(jìn)行擬牛頓最優(yōu)化處理，得到各 幀圖片相對(duì)于第一楨圖片的全局最優(yōu)配準(zhǔn)矩陣，并作用于各幀圖片，將各幀圖片坐標(biāo)配準(zhǔn) 到第一幀圖片的坐標(biāo)系下；(4)拼接融合模塊，包括分辨率設(shè)置子模塊、光柵化采樣子模塊、高頻成分去除子模塊、 兩幀融合子模塊，以及再重建與可視化子模塊；所述的分辨率設(shè)置子模塊，用于設(shè)置分辨率；所述的光柵化采樣子模塊，用于根據(jù)所設(shè)分辨率沿X，1，ζ三個(gè)方向依次對(duì)聲納點(diǎn)進(jìn)行 光柵化網(wǎng)格采樣處理，得到各個(gè)采樣點(diǎn)的位置、方向和權(quán)重信息；所述的高頻成分去除子模塊，用于對(duì)同一幀中，方向相反，且在同一條光柵網(wǎng)格邊上的 兩點(diǎn)刪除其一，消除高頻成分；所述的兩幀融合子模塊，用于對(duì)分屬于不同的兩幀，但方向相同，并且位于所述的光柵 化網(wǎng)格大小確定的距離范圍內(nèi)的兩聲納點(diǎn)進(jìn)行融合；所述的再重建與可視化子模塊，用于對(duì)融合完后的所有聲納點(diǎn)進(jìn)行三角面片的重建， 使多幀重建為一個(gè)整體，并進(jìn)行三維可視化顯示。
2.如權(quán)利要求1所述的相控陣三維聲納圖像離線處理系統(tǒng)，其特征在于，所述的分辨 率設(shè)置子模塊根據(jù)低精度快速顯示和高精度精細(xì)顯示的不同要求分別設(shè)置不同級(jí)別的分 辨率。
3.如權(quán)利要求1所述的相控陣三維聲納圖像離線處理系統(tǒng)，其特征在于，所述的最近 鄰點(diǎn)迭代的過程如下a.對(duì)于在所述的重疊區(qū)域內(nèi)一幀圖片上的聲納點(diǎn)集合Y中的每個(gè)聲納點(diǎn)，計(jì)算它在所述的重疊區(qū)域內(nèi)另一幀圖片上的聲納點(diǎn)集合X中的最近點(diǎn)；b.通過步驟a，得到兩個(gè)聲納點(diǎn)集合Y和X之間相應(yīng)的變換矩陣；c.根據(jù)步驟b中的變換矩陣，對(duì)聲納點(diǎn)集合Y進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或平移；d.計(jì)算變換后兩幀圖片上所有相互對(duì)應(yīng)的聲納點(diǎn)對(duì)之間的距離之和的值，如果該值小 于設(shè)定的閾值，則迭代結(jié)束；否則，回到步驟a重復(fù)上述的過程。
4.一種相控陣三維聲納圖像離線處理方法，其特征在于，包括(1)三維聲納圖像數(shù)據(jù)讀取步驟以幀為單位從硬盤讀取GPS坐標(biāo)、姿態(tài)信息和聲納點(diǎn) 數(shù)據(jù)，對(duì)聲納點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并將球面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)系中的X，1，ζ三維坐標(biāo)；(2)單幀多層重建步驟根據(jù)由步驟(1)讀取的三維聲納圖像數(shù)據(jù)，確定三維聲納點(diǎn)所 在的掃描波束、層數(shù)以及反射強(qiáng)度信息，并將每個(gè)掃描波束上的聲納點(diǎn)按照層數(shù)順序進(jìn)行 排序，然后按照預(yù)設(shè)邊長大小的網(wǎng)格搜索相鄰聲納點(diǎn)，再將搜索到的聲納點(diǎn)依次連接成三 角面片進(jìn)行單幀多層重建；(3)精確配準(zhǔn)步驟(3. 1)重疊區(qū)域判斷步驟將單幀多層重建的圖片兩兩配對(duì)組合，并保證組合不重復(fù)； 獲取每個(gè)配對(duì)組合中兩幀圖片的邊界坐標(biāo)信息，進(jìn)而判斷兩幀圖片之間是否有重疊部分， 并對(duì)有重疊區(qū)域的配對(duì)組合進(jìn)行光柵化插值，記錄重疊區(qū)域內(nèi)的聲納點(diǎn)的個(gè)數(shù)，以判斷重 疊區(qū)域的大??；(3. 2)兩兩配準(zhǔn)子步驟對(duì)每個(gè)配對(duì)組合中兩幀圖片重疊區(qū)域內(nèi)的聲納點(diǎn)進(jìn)行最近鄰 點(diǎn)迭代處理，并對(duì)處于重疊區(qū)域邊界的聲納點(diǎn)進(jìn)行消除后處理，將每個(gè)配對(duì)組合中兩幀圖 片進(jìn)行配準(zhǔn)，得到表征所述的兩幀圖片之間的旋轉(zhuǎn)或平移關(guān)系的配準(zhǔn)矩陣；(3. 3)擬牛頓最優(yōu)化子步驟將所有的配準(zhǔn)矩陣進(jìn)行擬牛頓最優(yōu)化處理，得到各幀圖 片相對(duì)于第一楨圖片的全局最優(yōu)配準(zhǔn)矩陣，并作用于各幀圖片，將各幀圖片坐標(biāo)配準(zhǔn)到第 一幀圖片的坐標(biāo)系下；(4)拼接融合可視化步驟通過拼接將步驟(3)中配準(zhǔn)后的各幀圖像融合到全局圖像 中，包括(4. 1)設(shè)置分辨率；(4. 2)光柵化采樣根據(jù)所設(shè)分辨率沿X，y，ζ三個(gè)方向依次對(duì)聲納點(diǎn)進(jìn)行光柵化網(wǎng)格 采樣處理，得到各個(gè)采樣點(diǎn)的位置、方向和權(quán)重信息；(4. 3)去除高頻成分對(duì)同一幀中，方向相反，且在同一條光柵網(wǎng)格邊上的兩點(diǎn)刪除其 一，消除高頻成分；(4. 4)兩幀融合對(duì)分屬于不同的兩幀，但方向相同，并且位于所述的光柵化網(wǎng)格大小 確定的距離范圍內(nèi)的兩聲納點(diǎn)進(jìn)行融合；(4. 5)再重建與可視化子模塊，對(duì)融合完后的所有聲納點(diǎn)進(jìn)行三角面片的重建，使多幀 重建為一個(gè)整體，并進(jìn)行三維可視化顯示。
5.如權(quán)利要求4所述的相控陣三維聲納圖像離線處理方法，其特征在于，所述的設(shè)置 分辨率中，根據(jù)低精度快速顯示和高精度精細(xì)顯示的不同要求分別設(shè)置不同級(jí)別的分辨 率。
6.如權(quán)利要求4所述的相控陣三維聲納圖像離線處理方法，其特征在于，所述的最近 鄰點(diǎn)迭代的過程為a.對(duì)于在所述的重疊區(qū)域內(nèi)一幀圖片上的聲納點(diǎn)集合Y中的每個(gè)聲納點(diǎn)，計(jì)算它在所 述的重疊區(qū)域內(nèi)另一幀圖片上的聲納點(diǎn)集合X中的最近點(diǎn)；b.通過步驟a，得到兩個(gè)聲納點(diǎn)集合Y和X之間相應(yīng)的變換矩陣；c.根據(jù)步驟b中的變換矩陣，對(duì)聲納點(diǎn)集合Y進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或平移；d.計(jì)算變換后兩幀圖片上所有相互對(duì)應(yīng)的聲納點(diǎn)對(duì)之間的距離之和的值，如果該值小 于設(shè)定的閾值，則迭代結(jié)束；否則，回到步驟a重復(fù)上述的過程。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種相控陣三維聲納圖像離線處理系統(tǒng)和方法，系統(tǒng)包括三維聲納圖像數(shù)據(jù)讀取模塊、單幀重建模塊、精確配準(zhǔn)模塊，拼接融合模塊；方法包括讀取GPS、姿態(tài)信息以及原始聲納點(diǎn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析，將采集到的三維點(diǎn)陣數(shù)據(jù)連接成為三角面片，再將相鄰兩幀圖像兩兩配準(zhǔn)的結(jié)果，通過最優(yōu)化處理得到全局配準(zhǔn)信息；將配準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，再重建，以消除兩幀之間的重疊部分并將單幀圖像融合成一幅整體圖像并進(jìn)行三維可視化顯示。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)謹(jǐn)嚴(yán)、高精度、圖像清晰、交互方便、可擴(kuò)展性強(qiáng)，有效地實(shí)現(xiàn)了三維聲納圖像的離線處理功能。
文檔編號(hào)G06T17/05GK102074046SQ20101059506
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者史勇強(qiáng), 李志華, 陳耀武 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)