本發(fā)明屬于三維聲納圖像建模領(lǐng)域，具體涉及一種基于點(diǎn)云平均背景差的三維聲納圖像建模方法。

背景技術(shù)：

我國(guó)是沿海大國(guó)，可持續(xù)發(fā)展必然越來(lái)越多地依賴(lài)海洋。另外海洋因其戰(zhàn)略上的重要地位和經(jīng)濟(jì)上的巨大潛力，也越來(lái)越受到人們的重視。全面發(fā)展海洋科學(xué)技術(shù)的重要性不言而喻。

作為海洋科學(xué)技術(shù)的一個(gè)重要分支，水聲探測(cè)在開(kāi)發(fā)海洋資源的事業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，水聲成像技術(shù)已經(jīng)成為大規(guī)模水下探測(cè)的重要手段，在蛙人的探測(cè)及跟蹤、水雷和水雷類(lèi)目標(biāo)的識(shí)別監(jiān)測(cè)、水下遙控航行器及水下自動(dòng)航行器的避障及導(dǎo)航等多方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

三維聲納系統(tǒng)能夠獲得距離、水平、垂直三維空間的目標(biāo)信息，具有圖像清晰、可視性好等特點(diǎn)，但是水下環(huán)境復(fù)雜，又受到采集環(huán)境、噪聲影響，如何根據(jù)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，準(zhǔn)確識(shí)別并建立目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜水下環(huán)境中便捷快速的搜索和監(jiān)控，具有較大的技術(shù)難度。

相對(duì)于要監(jiān)控的前景目標(biāo)，背景在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)具有一定的穩(wěn)定性和重復(fù)性，通過(guò)建立當(dāng)前環(huán)境的背景模型，將背景模型和當(dāng)前圖像進(jìn)行比較，減去已知的背景信息，可以大致得到所求的前景目標(biāo)。因此，發(fā)明一種基于點(diǎn)云平均背景差的三維聲納圖像建模方法具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述，本發(fā)明提供了一種基于點(diǎn)云平均背景差的三維聲納圖像建模方法，該方法能夠快速識(shí)別背景中的前景目標(biāo)，建立對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型供后續(xù)處理，處理速度快，并且能夠隨環(huán)境變化自動(dòng)更新背景模型。

一種基于點(diǎn)云平均背景差的三維聲納圖像建模方法，包含以下步驟：

(1)獲取聲納數(shù)據(jù)，將每幀聲納數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的三維聲納范圍圖像信息轉(zhuǎn)換為全局坐標(biāo)下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，該點(diǎn)云數(shù)據(jù)組成圖像的像素；

(2)將一系列連續(xù)幀圖像中相同位置的像素的平均值u(x,y,z)作為背景模型中相同位置的像素，得到背景模型，并根據(jù)每幀圖像中的像素確定用于確定背景標(biāo)準(zhǔn)的閾值th；

(3)根據(jù)背景模型和閾值th對(duì)當(dāng)前幀圖像i(x,y,z)進(jìn)行檢測(cè)，得到輸出圖像；

(4)利用當(dāng)前幀圖像i(x,y,z)對(duì)背景模型和閾值th進(jìn)行更新。

所述的步驟(2)的具體步驟為：

(2-1)對(duì)于一系列連續(xù)幀圖像中不存在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的位置，統(tǒng)一標(biāo)定為空，得到預(yù)處理的圖像集；

(2-2)計(jì)算預(yù)處理的圖像集中所有圖像相同位置的像素的平均值u(x,y,z)作為背景模型中相同位置的像素，得到背景模型；

(2-3)計(jì)算相鄰兩幀圖像相同位置的像素差絕對(duì)值f(t)(x,y,z)，并求得所有像素差絕對(duì)值的平均值udiff(x,y,z)，所用公式為：

f(t)(x，y，z)＝|it(x，y，z)-it-gap(x，y，z)|

其中，it(x,y,z)表示t時(shí)刻圖像中坐標(biāo)(x,y,z)處的像素值，gap表示兩幀圖像之間的時(shí)間間隔，it-gap(x，y，z)表示t-gap時(shí)刻圖像中坐標(biāo)(x，y，z)處的像素值，m為圖像的總幀數(shù)；

(2-4)求取所有像素差的標(biāo)準(zhǔn)差diffstd(x，y，z)，所用公式為：

(2-5)根據(jù)所有像素差的平均值udiff(x，y，z)和所有像素差的標(biāo)準(zhǔn)差diffstd(x，y，z)確定閾值th，所用公式為：

th＝udiff(x，y，z)+β×diffstd(x，y，z)

其中，β為閾值系數(shù)，一般設(shè)置為2。

所述的步驟(3)的具體過(guò)程為：利用當(dāng)前幀圖像的像素i(x，y，z)減去背景模型中相同位置的像素u(x，y，z)，得到像素差d(x，y，z)，并將該像素差d(x，y，z)與閾值th進(jìn)行比較，得到輸出圖像output(x，y，z)，如下：

其中，0表示點(diǎn)(x，y，z)認(rèn)為是背景的一部分，不輸出，1表示點(diǎn)(x，y，z)不同于背景模型，于輸出圖像中進(jìn)行顯示，輸出圖像為二值圖像。

所述的步驟(4)的具體步驟為：

(4-1)利用當(dāng)前幀圖像i(x，y，z)將背景模型的像素u(x，y，z)更新為u′(x，y，z)，具體所用公式為：

u′(x，y，z)＝(1-α)×u(x，y，z)+α×i(x，y，z)

(4-2)利用當(dāng)前幀圖像i(x，y，z)將閾值th更新為th′，具體所用公式為：

u′diff(x，y，z)＝(1-α)×udiff(x，y，z)+α×d(x，y，z)

diff′std(x，y，z)

＝(1-α)×diffstd(x，y，z)+α×|d(x，y，z)-u′diff(x，y，z)|

th′＝u′diff(x，y，z)+β×diff′std(x，y，z)

其中，α為學(xué)習(xí)率，且0＜α＜1，α越大，對(duì)背景變化的適應(yīng)速度越快。

相較于現(xiàn)有的技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

(1)在建立背景模型后，本發(fā)明能夠快速識(shí)別出前景目標(biāo)并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)建模，對(duì)于背景變化不大的水下環(huán)境場(chǎng)景效果很好。

(2)該方法具有較強(qiáng)的魯棒性，能夠根據(jù)環(huán)境的改變自動(dòng)更新背景模型，減少由于環(huán)境的突變帶來(lái)的不確定因素，增強(qiáng)目標(biāo)識(shí)別的可靠性。

(3)該方法簡(jiǎn)單，在建立背景模型后能夠快速高效地建模，對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別具有較高的準(zhǔn)確性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明基于點(diǎn)云平均背景差的三維聲納圖像建模方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖1及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，本發(fā)明基于點(diǎn)云平均背景差的三維聲納圖像建模方法，包括：

s01，獲取聲納數(shù)據(jù)，將每幀聲納數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的三維聲納范圍圖像信息轉(zhuǎn)換為全局坐標(biāo)下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，該點(diǎn)云數(shù)據(jù)組成圖像的像素。

s02，對(duì)于一系列連續(xù)幀圖像中不存在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的位置，統(tǒng)一標(biāo)定為空，得到預(yù)處理的圖像集。

s03，計(jì)算預(yù)處理的圖像集中所有圖像相同位置的像素的平均值u(x,y,z)作為背景模型中相同位置的像素，得到背景模型。

s04，計(jì)算相鄰兩幀圖像相同位置的像素差f(t)(x,y,z)，并求得所有像素差的平均值udiff(x,y,z)，所用公式為：

f(t)(x，y，z)＝|it(x，y，z)-it-gap(x，y，z)|

其中，it(x,y,z)表示t時(shí)刻圖像中坐標(biāo)(x,y,z)處的像素值，gap表示兩幀圖像之間的時(shí)間間隔，it-gap(x,y,z)表示t-gap時(shí)刻圖像中坐標(biāo)(x,y,z)處的像素值，m為圖像的總幀數(shù)。

s05，求取所有像素差的標(biāo)準(zhǔn)差diffstd(x,y,z)，所用公式為：

s06，根據(jù)所有像素差的平均值udiff(x,y,z)和所有像素差的標(biāo)準(zhǔn)差diffstd(x,y,z)確定閾值th，所用公式為：

th＝udiff(x，y，z)+β×diffstd(x，y，z)

其中，β為閾值系數(shù)，設(shè)置為2。

s07，利用當(dāng)前幀圖像的像素i(x,y,z)減去背景模型中相同位置的像素u(x,y,z)，得到像素差d(x,y,z)，并將該像素差d(x,y,z)與閾值th進(jìn)行比較，得到輸出圖像output(x,y,z)，如下：

其中，0表示該點(diǎn)認(rèn)為是背景的一部分，不輸出，1表示該點(diǎn)不同于背景模型，在輸出圖像中進(jìn)行顯示，輸出圖像為二值圖像。

s08，利用當(dāng)前幀圖像i(x，y，z)將背景模型的像素u(x，y，z)更新為u′(x，y，z)，具體所用公式為：

u′(x，y，z)＝(1-α)×u(x，y，z)+α×i(x，y，z)

s09，利用當(dāng)前幀圖像i(x，y，z)將閾值th更新為th′，具體所用公式為：

u′diff(x，y，z)＝(1-α)×udiff(x，y，z)+α×d(x，y，z)

diff′std(x，y，z)

＝(1-α)×diffstd(x，y，z)+α×|d(x，y，z)-u′diff(x，y，z)|

th′＝u′diff(x，y，z)+β×diff′std(x，y，z)

其中，α為學(xué)習(xí)率，且0＜α＜1。

利用上述方法能夠很快速地識(shí)別出前景目標(biāo)，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)建模，且能根據(jù)環(huán)境的改變自動(dòng)更新背景模型，減少由于環(huán)境的突變帶來(lái)的不確定因素，增強(qiáng)目標(biāo)識(shí)別的可靠性。

以上所述的具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是以上所述僅為本發(fā)明的最優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)所做的任何修改、補(bǔ)充和等同替換等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。