一種便攜式三維成像聲納及其成像方法、系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于聲納成像領(lǐng)域，提供了一種便攜式三維成像聲納及其成像方法、系統(tǒng)。該方法及系統(tǒng)是將錯(cuò)切-變形技術(shù)應(yīng)用于便攜式三維成像聲納的成像過(guò)程中，首先通過(guò)錯(cuò)切變換將物體空間投射到錯(cuò)切空間，合成中間圖像，該中間圖像的觀測(cè)方向與Z軸方向平行，再將中間圖像變形到預(yù)定的圖像空間，得到最終的三維結(jié)果圖像。由于借助了與z軸垂直的中間圖像，從而將三維空間的重采樣過(guò)程轉(zhuǎn)換為二維平面的采樣過(guò)程，極大的減少了運(yùn)算量，降低了系統(tǒng)對(duì)硬件性能的要求，并可提高顯示的實(shí)時(shí)性，特別適合應(yīng)用在便攜式三維成像聲納中。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種便攜式三維成像聲納及其成像方法、系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于聲納成像領(lǐng)域，尤其涉及一種便攜式三維成像聲納及其成像方法、系 統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 三維成像聲納是一種能夠在目標(biāo)物與聲納相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下，將聲納掃描得到的 數(shù)據(jù)以圖像形式展現(xiàn)的設(shè)備，其原理是：水下不同密度、不同聲速的物體，對(duì)入射聲波具有 不同程度的反射、透射、散射等物理效應(yīng)，通過(guò)分析、提取和顯示物體被聲波作用后的強(qiáng)度、 位置信息，就可以得到水下物體的三維聲納圖像。
[0003] -般地，三維成像聲納可包括信號(hào)處理機(jī)和主控機(jī)兩部分。信號(hào)處理機(jī)用于完成 三維聲納數(shù)據(jù)的采集、處理及上傳；主控機(jī)用于提供可視化界面，完成三維圖像顯示。其中， 主控機(jī)采用的三維圖像顯示算法分為面繪制和體繪制。
[0004] 面繪制的原理是：首先由體數(shù)據(jù)構(gòu)造出中間幾何圖元，然后運(yùn)用分類(lèi)操作將三維 聲納數(shù)據(jù)場(chǎng)中感興趣的部分提取出來(lái)并以面的方式表達(dá)顯示，常用的是等值面。由于面繪 制方法只關(guān)注于分界面，忽略了組織內(nèi)部豐富的細(xì)節(jié)，無(wú)法形成對(duì)圖像的整體理解。在實(shí)際 應(yīng)用中，為了準(zhǔn)確成像需要調(diào)整等值面的取值范圍。另外，面繪制方法在面的構(gòu)造過(guò)程中經(jīng) 常丟失大量的細(xì)節(jié)，使得生成的圖像過(guò)于光滑，保真性較差。
[0005] 體繪制的原理是：不需要構(gòu)造中間幾何圖元，把體看作是體素的集合，先給三維聲 納數(shù)據(jù)場(chǎng)中的每一體元賦予一定的色彩和透明度，再根據(jù)光線(xiàn)穿越半透明物質(zhì)時(shí)能量集聚 的光學(xué)原理，進(jìn)行色彩合成的成像操作，因而保留了豐富的細(xì)節(jié)，相對(duì)于面繪制，保真性大 為提商。
[0006] 現(xiàn)有技術(shù)中，體繪制采用光線(xiàn)投影法是從預(yù)先設(shè)定的圖像空間的每一像素出發(fā)， 按視線(xiàn)方向發(fā)射一條射線(xiàn)，該射線(xiàn)穿過(guò)三維聲納數(shù)據(jù)場(chǎng)，沿射線(xiàn)方向選取采樣點(diǎn)，之后通過(guò) 三次線(xiàn)性插值，得到每一采樣點(diǎn)的回波強(qiáng)度值和不透明度值，從而合成最終圖像。由于該種 體繪制方法是將物體空間直接投影到預(yù)先設(shè)定的圖像空間，若視線(xiàn)方向發(fā)生變化，需要重 新進(jìn)行采樣，使得運(yùn)算量較大，運(yùn)算速率較慢，實(shí)時(shí)性差。而對(duì)于便攜式三維成像聲納，由于 便攜式的特點(diǎn)，要求系統(tǒng)集成度高、物理尺寸小，需要計(jì)算量小、實(shí)時(shí)性好的體繪制算法。。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種便攜式三維成像聲納的成像方法，旨在解決現(xiàn) 有三維成像聲納的體繪制采用光線(xiàn)投影法，該方法運(yùn)算量大，造成系統(tǒng)造價(jià)高、體積大且實(shí) 時(shí)性差而不適用于便攜式三維成像聲納的問(wèn)題。
[0008] 本發(fā)明實(shí)施例是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種便攜式三維成像聲納的成像方法，所述方法包 括以下步驟：
[0009] 接收信號(hào)處理機(jī)上傳的三維離散聲納數(shù)據(jù)場(chǎng)的三維離散聲納數(shù)據(jù)；
[0010] 采用透視投影的方法，對(duì)所述三維離散聲納數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)切變換，合成中間圖像； toon] 對(duì)所述中間圖像進(jìn)行二維圖像變換，得到所述三維離散聲納數(shù)據(jù)在預(yù)先設(shè)定的圖 像空間的三維結(jié)果圖像。
[0012] 本發(fā)明實(shí)施例的另一目的在于提供一種便攜式三維成像聲納的成像系統(tǒng)，所述系 統(tǒng)包括：
[0013] 數(shù)據(jù)接收模塊，用于接收信號(hào)處理機(jī)上傳的三維離散聲納數(shù)據(jù)場(chǎng)的三維離散聲納 數(shù)據(jù)；
[0014] 第一圖像處理模塊，用于采用透視投影的方法，對(duì)所述三維離散聲納數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò) 切變換，合成中間圖像；
[0015] 第二圖像處理模塊，用于對(duì)所述中間圖像進(jìn)行二維圖像變換，得到所述三維離散 聲納數(shù)據(jù)在預(yù)先設(shè)定的圖像空間的三維結(jié)果圖像。
[0016] 本發(fā)明實(shí)施例的另一目的在于提供一種便攜式三維成像聲納，包括信號(hào)處理機(jī)和 主控機(jī)，所述主控機(jī)包括如上所述的便攜式三維成像聲納的成像系統(tǒng)。
[0017] 本發(fā)明實(shí)施例提出的便攜式三維成像聲納的成像方法和系統(tǒng)是將錯(cuò)切-變形技 術(shù)應(yīng)用于便攜式三維成像聲納的體繪制過(guò)程中，首先通過(guò)錯(cuò)切變換將物體空間投射到錯(cuò)切 空間，合成中間圖像，該中間圖像的觀測(cè)方向與Z軸方向平行，再將中間圖像變形到預(yù)定的 圖像空間，得到最終的三維結(jié)果圖像。由于借助了與Z軸垂直的中間圖像，從而將三維空間 的重采樣過(guò)程轉(zhuǎn)換為二維平面的采樣過(guò)程，若原始的視線(xiàn)方向發(fā)生變化，中間坐標(biāo)系可不 發(fā)生變化。該方法和系統(tǒng)極大的減少了運(yùn)算量，降低了系統(tǒng)對(duì)硬件性能的要求，并可提高顯 示的實(shí)時(shí)性，特別適合應(yīng)用在便攜式三維成像聲納中。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例提供的便攜式三維成像聲納的成像方法的流程圖；
[0019] 圖2是"T"型基陣的發(fā)射波束與接收波束的疊加示意圖；
[0020] 圖3是"T"型基陣的接收波束在空間坐標(biāo)系中的示意圖；
[0021] 圖4是本發(fā)明第一實(shí)施例中，對(duì)三維離散聲納數(shù)據(jù)場(chǎng)進(jìn)行錯(cuò)切變換步驟的詳細(xì)流 程圖；
[0022] 圖5是本發(fā)明第一實(shí)施例中，利用光線(xiàn)投影法對(duì)三維離散聲納數(shù)據(jù)場(chǎng)中的三維聲 納數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像合成的步驟的詳細(xì)流程圖；
[0023] 圖6是本發(fā)明第二實(shí)施例提供的便攜式三維成像聲納的成像系統(tǒng)的原理圖；
[0024] 圖7是圖6中，第一圖像處理模塊的原理圖；
[0025] 圖8是圖7中，中間圖像獲取子模塊的原理圖。

【具體實(shí)施方式】
[0026] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0027] 本發(fā)明提出的便攜式三維成像聲納的成像方法是將錯(cuò)切-變形技術(shù)應(yīng)用于便攜 式三維成像聲納的成像過(guò)程中，該方法首先通過(guò)錯(cuò)切變換將物體空間投射到錯(cuò)切空間，合 成中間圖像，該中間圖像的觀測(cè)方向與Z軸方向平行，再將中間圖像變形到預(yù)定的圖像空 間，得到最終的三維結(jié)果圖像。
[0028] 圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例提供的便攜式三維成像聲納的成像方法的流程，包括以 下步驟：
[0029] Sl :接收信號(hào)處理機(jī)上傳的三維離散聲納數(shù)據(jù)場(chǎng)的三維離散聲納數(shù)據(jù)。
[0030] 本發(fā)明第一實(shí)施例中，信號(hào)處理機(jī)可采用面陣或"T"型基陣來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的三維 定位。以信號(hào)處理機(jī)采用"T"型基陣，且"T"型基陣采用垂直發(fā)射、水平接收為例，如圖2 和圖3所示。圖2中的實(shí)線(xiàn)表示一系列垂直發(fā)射波束，圖2中的虛線(xiàn)表示一系列水平接收 波束，圖2中的黑色圓圈表示目標(biāo)，圖3中的k表示回波波束所在的切面序數(shù)。工作時(shí)，"T" 型基陣向某一預(yù)定方向發(fā)射波束，之后對(duì)這一方向的回波進(jìn)行分析，由于接收波束具有水 平方向的分辨力，可由接收波束得到這一方向下回波的方位角，同時(shí)結(jié)合由發(fā)射波束確定 的仰俯角、以及由波束收發(fā)時(shí)間確定的目標(biāo)距離，便可得到目標(biāo)回波的方位角、仰俯角和距 離的信息。
[0031] 本發(fā)明第一實(shí)施例中，三維離散聲納數(shù)據(jù)場(chǎng)為一組空間不同距離上回波強(qiáng)度 的切片，相同距離的三維離散聲納數(shù)據(jù)在同一個(gè)切片上。切片上每一數(shù)據(jù)點(diǎn)的三維 離散聲納數(shù)據(jù)至少包括該數(shù)據(jù)點(diǎn)的空間坐標(biāo)和回波強(qiáng)度值。假設(shè)切片上任一數(shù)據(jù)點(diǎn) P(i，j，k)的俯仰角為Φ，方位角為Θ，距離為z，則該數(shù)據(jù)點(diǎn)的空間坐標(biāo)x(i，j，k)= z · cosC> · cos Θ，y (i，j，k) = z · cosC> · sin Θ，i為數(shù)據(jù)點(diǎn)所在切面的行數(shù)，j為數(shù)據(jù)點(diǎn) 所在切面的列數(shù)。
[0032] S2:采用透視投影的方法，對(duì)三維離散聲納數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)切變換，合成中間圖像。
[0033] 進(jìn)一步地，如圖4所示，步驟S2可包括以下步驟：
[0034] S21 :選定物體空間到預(yù)先設(shè)定的圖像空間的變換矩陣Mview，以確定對(duì)三維離散聲 納數(shù)據(jù)的主觀察方向。
[0035] S22 :通過(guò)坐標(biāo)變換矩陣T，使得三維離散聲納數(shù)據(jù)場(chǎng)的z軸方向與對(duì)三維離散聲 納數(shù)據(jù)的主觀察方向重合。
[0036] S23:采用透視投影的方法，將三維離散聲納數(shù)據(jù)場(chǎng)由物體空間變換到錯(cuò)切空間。
[0037] 本發(fā)明第一實(shí)施例中，通過(guò)將三維離散聲納數(shù)據(jù)場(chǎng)內(nèi)每一切片的三維離散聲納數(shù) 據(jù)均乘以錯(cuò)切變換矩陣K，實(shí)現(xiàn)在垂直于z軸的方向上對(duì)切片的錯(cuò)切。其中，錯(cuò)切變換矩陣 K可表示為：

【權(quán)利要求】
1. 一種便攜式三維成像聲納的成像方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟： 接收信號(hào)處理機(jī)上傳的三維離散聲納數(shù)據(jù)場(chǎng)的三維離散聲納數(shù)據(jù)； 采用透視投影的方法，對(duì)所述三維離散聲納數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)切變換，合成中間圖像； 對(duì)所述中間圖像進(jìn)行二維圖像變換，得到所述三維離散聲納數(shù)據(jù)在預(yù)先設(shè)定的圖像空 間的三維結(jié)果圖像。
2. 如權(quán)利要求1所述的便攜式三維成像聲納的成像方法，其特征在于，所述采用透 視投影的方法，對(duì)所述三維離散聲納數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)切變換，合成中間圖像的步驟包括以下步 驟： 選定物體空間到預(yù)先設(shè)定的圖像空間的變換矩陣，以確定對(duì)所述三維離散聲納數(shù)據(jù)的 主觀察方向； 通過(guò)坐標(biāo)變換矩陣，使得所述三維離散聲納數(shù)據(jù)場(chǎng)的z軸方向與所述主觀察方向重 合； 采用透視投影的方法，將所述三維離散聲納數(shù)據(jù)場(chǎng)由所述物體空間變換到錯(cuò)切空間； 在所述錯(cuò)切空間，對(duì)所述三維離散聲納數(shù)據(jù)場(chǎng)中的三維聲納數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像合成，得到 中間圖像。
3. 如權(quán)利要求2所述的便攜式三維成像聲納的成像方法，其特征在于，所述采用透視 投影的方法，將所述三維離散聲納數(shù)據(jù)場(chǎng)由所述物體空間變換到錯(cuò)切空間的步驟具體為： 將所述三維離散聲納數(shù)據(jù)場(chǎng)內(nèi)每一切片的三維離散聲納數(shù)據(jù)均乘以錯(cuò)切變換矩陣K， 所述錯(cuò)切變換矩陣K表示為：
其中，kx為橫軸移動(dòng)系數(shù)kx、ky為縱軸移動(dòng)系數(shù)，kw為比例變換系數(shù)k w ,且有
^為第一個(gè)切片的距離，^為所需變換的三維離散聲納數(shù)據(jù)所在切片的距離。
4. 如權(quán)利要求3所述的便攜式三維成像聲納的成像方法，其特征在于，對(duì)所述中間圖 像進(jìn)行二維圖像變換，得到所述三維離散聲納數(shù)據(jù)在預(yù)先設(shè)定的圖像空間的三維結(jié)果圖像 的步驟表示為：Mrap = r1 ? r1 ? Mview，其中，Mrap為所述錯(cuò)切空間到預(yù)先設(shè)定的所述圖像空 間的變換矩陣，T為所述坐標(biāo)變換矩陣，Mview為所述物體空間到預(yù)先設(shè)定的圖像空間的變換 矩陣。
5. 如權(quán)利要求2所述的便攜式三維成像聲納的成像方法，其特征在于，在所述錯(cuò)切空 間，對(duì)所述三維離散聲納數(shù)據(jù)場(chǎng)中的三維聲納數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像合成，得到中間圖像的步驟包 括以下步驟： 在所述錯(cuò)切空間，根據(jù)各數(shù)據(jù)點(diǎn)的回波強(qiáng)度值的大小，對(duì)所述三維離散聲納數(shù)據(jù)場(chǎng)中 各數(shù)據(jù)點(diǎn)的三維聲納數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)； 為每一類(lèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)賦予不同的不透明度值； 根據(jù)光線(xiàn)跟蹤法，沿視線(xiàn)方向進(jìn)行重采樣，并由離某一采樣點(diǎn)最近的8個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的回 波強(qiáng)度值和不透明度值作三線(xiàn)性插值，得到各采樣點(diǎn)的回波強(qiáng)度值和不透明度值； 根據(jù)每條沿視線(xiàn)方向的線(xiàn)束上的各采樣點(diǎn)的回波強(qiáng)度值和不透明度值，由前向后或由 后向前合成中間圖像的回波強(qiáng)度值，進(jìn)而得到中間圖像。
6. 如權(quán)利要求5所述的便攜式三維成像聲納的成像方法，其特征在于，所述由后向前 合成中間圖像的回波強(qiáng)度值的步驟表示為T(mén)tjut = Pin(l_ a nOT)+Pmw a nOT，所述由前向后合成 中間圖像的回波強(qiáng)度值的步驟表示為：Ptjut = Pina in+PnOTanOT(l-a in)，其中，P_為第m個(gè)體 元的回波強(qiáng)度值，Pwt為經(jīng)過(guò)所述第m個(gè)體元后的回波強(qiáng)度值，Pin為進(jìn)入所述第m個(gè)體元的 回波強(qiáng)度值，a MW為所述第m個(gè)體元的的不透明度值，Ciin為進(jìn)入所述第m個(gè)體元的不透明 度值。
7. -種便攜式三維成像聲納的成像系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括： 數(shù)據(jù)接收模塊，用于接收信號(hào)處理機(jī)上傳的三維離散聲納數(shù)據(jù)場(chǎng)的三維離散聲納數(shù) 據(jù)； 第一圖像處理模塊，用于采用透視投影的方法，對(duì)所述三維離散聲納數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)切變 換，合成中間圖像； 第二圖像處理模塊，用于對(duì)所述中間圖像進(jìn)行二維圖像變換，得到所述三維離散聲納 數(shù)據(jù)在預(yù)先設(shè)定的圖像空間的三維結(jié)果圖像。
8. 如權(quán)利要求7所述的便攜式三維成像聲納的成像系統(tǒng)，其特征在于，所述第一圖像 處理模塊包括： 選定子模塊，用于選定物體空間到預(yù)先設(shè)定的圖像空間的變換矩陣，以確定對(duì)所述三 維離散聲納數(shù)據(jù)的主觀察方向； 坐標(biāo)變換子模塊，用于通過(guò)坐標(biāo)變換矩陣，使得所述三維離散聲納數(shù)據(jù)場(chǎng)的z軸方向 與所述主觀察方向重合； 錯(cuò)切子模塊，用于采用透視投影的方法，將所述三維離散聲納數(shù)據(jù)場(chǎng)由所述物體空間 變換到錯(cuò)切空間； 中間圖像獲取子模塊，用于在所述錯(cuò)切空間，對(duì)所述三維離散聲納數(shù)據(jù)場(chǎng)中的三維聲 納數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像合成，得到中間圖像。
9. 如權(quán)利要求8所述的便攜式三維成像聲納的成像系統(tǒng)，其特征在于，所述中間圖像 獲取子模塊包括： 分類(lèi)子模塊，用于在所述錯(cuò)切空間，根據(jù)各數(shù)據(jù)點(diǎn)的回波強(qiáng)度值的大小，對(duì)所述三維離 散聲納數(shù)據(jù)場(chǎng)中各數(shù)據(jù)點(diǎn)的三維聲納數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)； 賦值子模塊，用于為每一類(lèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)賦予不同的不透明度值； 重采樣及插值子模塊，用于根據(jù)光線(xiàn)跟蹤法，沿視線(xiàn)方向進(jìn)行重采樣，并由離某一采樣 點(diǎn)最近的8個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的回波強(qiáng)度值和不透明度值作三線(xiàn)性插值，得到各采樣點(diǎn)的回波強(qiáng)度 值和不透明度值； 合成子模塊，用于根據(jù)每條沿視線(xiàn)方向的線(xiàn)束上的各采樣點(diǎn)的回波強(qiáng)度值和不透明度 值，由前向后或由后向前合成中間圖像的回波強(qiáng)度值，進(jìn)而得到中間圖像。
10. -種便攜式三維成像聲納，包括信號(hào)處理機(jī)和主控機(jī)，其特征在于，所述主控機(jī)包 括如權(quán)利要求7、8或9所述的便攜式三維成像聲納的成像系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】G06T3/00GK104361623SQ201410691462
【公開(kāi)日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月25日
【發(fā)明者】董雷, 曾鋒, 郭曉明, 劉峰, 周瑜, 劉德鑄 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三研究所