CN109523620A - 一种3d水声成像系统实时重建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3D水声成像系统实时重建方法，包括：(1)将获取的3D水声成像数据输入2×2网格块实点搜索模块，针对每个扫描波束链表上的非空声学数据点在2×2网格块进行声学数据点的搜索连接处理；(2)将步骤(1)处理后的数据输入3×3网格块空点搜索模块，对网格块中以空点为中心的3×3区间进行声学数据点的搜索连接处理；(3)将步骤(2)处理后的数据依次输入2×3垂直网格块搜索模块与3×2水平网格块搜索模块，进行声学数据点的搜索连接处理；(4)将步骤(3)处理后的数据输入三角面片生成模块，利用已经建立的连接关系进行三角面片生成。利用本发明，可以有效填补背景噪声环境干扰下3D水声成像数据空洞，实现3D水声成像数据实时重建。
Description
技术领域
本发明属于水下声学成像领域，尤其是涉及一种3D水声成像系统实时重建方法。
背景技术
随着水声探测在海洋资源开发中的广泛应用，水声技术就成为水下信息探测、定位和通信的有效手段，用于水下探测的水声成像技术已成为大规模水下探测的重要手段。比如公开号为CN102928844A的中国专利文献公开了一种水下亚波长分辨率三维成像方法，包括以下步骤：(1)声信号发射；(2)声透镜波束形成；(3)声信号接收、调理；(4)图像处理及显示：根据声透镜的成像规律得到的二维数据，使用发射和接收的时间得到的距离数据，结合水声传感器的接收的电信号即可得到三维水声数据；将三维水声图像数据进行图像增强、图像分割，最后使用开源可视化程序库VTK，实现目标三维成像。
3D水声成像系统实时重建在3D水声成像技术后续处理中具有重要的基础作用，然而由于3D水声成像数据呈立体多层化分布，且数据量大、背景回波噪点多，直接进行传统3D网格数据搜索与表面重建将会产生大量无效三角面片，同时导致计算量增大和效率低下，并且会形成许多声纳图像数据空洞，难以正确反映海底地形地貌。因此，研究3D水声成像系统实时重建方法具有重要的工程实用价值和理论指导意义。
发明内容
本发明提供了一种3D水声成像系统实时重建方法，可以有效填补背景噪声环境干扰下3D水声成像数据的空洞，实现3D水声成像数据实时重建。
一种3D水声成像系统实时重建方法，包括以下步骤：
(1)将实时获取的3D水声成像数据输入2×2网格块实点搜索模块，针对每个扫描波束链表上的非空声学数据点在2×2网格块进行声学数据点搜索连接处理；
(2)将步骤(1)处理后的数据输入3×3网格块空点搜索模块，对网格块中以空点为中心的3×3区间进行声学数据点的搜索连接处理；
(3)将步骤(2)处理后的数据依次输入2×3垂直网格块搜索模块和3×2水平网格块搜索模块，进行声学数据点的搜索连接处理；
(4)将步骤(3)处理后的数据输入三角面片生成模块，利用已经建立的连接关系进行三角面片生成。
本发明的方法利用2×2网格块实点搜索模块、3×3网格块空点搜索模块、3×2水平网格块搜索模块与2×3垂直网格块搜索模块，通过高效的立体多层化网格搜索，建立每个相邻点的连接关系，改善了连接效果，最后进行三角面片连接后，有效填补背景噪声环境干扰下3D水声成像数据空洞。
步骤(1)中，所述的2×2网格块由非空声学数据点所在扫描波束、该点右侧扫描波束、该点下侧扫描波束以及该点对角线扫描波束组成。
所述2×2网格块实点搜索模块的处理过程为：
(1-1)寻找非空声学数据点与其右侧扫描波束上层数差值最小的点并建立连接；具体如下：
将非空声学数据点与其右侧扫描波束上的点依次比较所处层数的差值，若差值小于阈值，则两个声学点之间建立连接并且令新的阈值等于差值，重复该步骤，利用自适应阈值的方法寻找差值最小的两点并建立连接。
(1-2)运用相同的方法建立该非空声学数据点与其下侧、对角方向扫描波束上的点的连接，判断此时是否出现连接交叉，若存在则舍弃该连接；
(1-3)对同一扫描波束上的相邻点进行连接。
为了减少声学数据中的过多空洞，在确定非空声学数据点的连接关系之后，需要对网格中以空点为中心的3×3区间进行搜索处理。步骤(2)中，所述3×3网格块空点搜索模块的处理过程为：
(2-1)从3×3网格左上角的点开始，记为第一个点V1，阵列中第一行的第二和第三个点记为V2、V3，第二行的第一和第三个点记为V4、V5，第二行的第二个点为空点V0，第三行的第一个点为V6、第二个点为V7，第三个点为V8；
(2-2)依次比较V2扫描波束上的每个点与V7扫描波束上的点的层数差，若差值小于系统定义阈值，则两个声学点之间建立连接并且令新的阈值等于差值，如此反复，利用自适应阈值的方法寻找差值最小的两点并建立连接；
(2-3)建立连接后，检查3×3网格的中点在该层上是否为空点，如果为空点，则建立两个点的连接，若非空点，则舍弃该连接；
(2-4)用上述同样的方法建立V4-V5方向上的连接，如果在同一层上同时有V2-V7连接与V4-V5连接，则舍弃两个连接中层数差值大的一个，以避免两个连接的交叉；
(2-5)建立V1-V8方向的连接，若V1-V8连接所在层数的中点是空点，并且该V1-V8连接与同一层上的V2-V7、V4-V5连接没有交叉，则建立V1-V8的预连接；
(2-6)用步骤(2-5)相同的方法建立V3-V6的预连接，若在同一层上同时有V1-V8连接与V3-V6连接，则舍弃两个连接中层数差值大的一个，以避免两个连接的交叉。
为了进一步改善连接效果，在3×3窗口内的2×3和3×2半对角区间寻找声学数据点连接关系。
步骤(3)中，所述2×3垂直网格块的处理过程为：
(3-1)在2×3垂直网格块中，左上角的点记为VA，右下角的点记为VB，左下角的点记为VC，右上角的点记为VD；
(3-2)依次对VA声束上的每个声学点寻找VB声束方向的连接，比较两点所处层数的差值，若差值小于系统定义阈值，则两个声学点之间建立预连接并且令新的阈值等于差值，如此反复，利用自适应阈值的方法寻找差值最小的两点并建立预连接；
(3-3)判断两点的预连接是否会被同一层上的其他已经建立的连接产生交叉，如果有交叉，则舍弃该预连接；
(3-4)VA-VB方向的连接建立后，用同样的方法，依次搜索2×3垂直网格中的VC-VD连接。
2×3垂直网格块的处理过程是在3×3窗口内的2×3半对角区间寻找声学数据点连接关系。所述3×2水平网格块的处理过程是在3×3窗口内的3×2半对角区间寻找声学数据点连接关系，处理过程与2×3垂直网格块的处理过程基本相同。
步骤(4)的具体步骤为：
(4-1)依次搜索声束阵列上的每个点，搜索顺序为先处理相同声束上的点，再处理下一个声束上的点；对于每个声学点，首先判断它的连接性，如果没有连接，或者只有一个相邻点，则舍弃该点；对于其他有连接性的点，首先取它的一个相邻点，并寻找它的其他相邻点中所有能与上述两点组成三角形的相邻点；
(4-2)判断这两个相邻点之间的连接性，如果三个点之间两两存在连接且三个点能够构成一个三角形，则将三个点连接成三角面片。
本发明通过高效的立体多层化网格搜索(非空声学数据点2×2网格块、空点3×3网格块、3×2与2×3网格块搜索)和三角面片连接方法，有效填补背景噪声环境干扰下3D水声成像数据空洞，实现3D水声成像数据实时重建。
附图说明
图1为本发明一种3D水声成像系统实时重建方法的流程示意图；
图2为本发明2×2网格块实点搜索模块的处理示意图；
图3为本发明3×3网格块实点搜索模块的处理示意图；
图4为本发明2×3垂直网格块实点搜索模块与3×2水平网格块实点搜索模块的处理示意图；
图5为本发明实施效果比较图，其中，(a)为2×2网格块实点搜索处理的重建效果，(b)为增加3×3网格块空点搜索处理后的重建效果，(c)为增加2×3和3×2网格块搜索处理后的重建效果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
如图1所示，一种3D水声成像系统实时重建方法，包括以下步骤：
S01，将实时获取的3D水声成像数据输入2×2网格块实点搜索模块，2×2网格块实点搜索模块对于每个2×2区间内，针对每个扫描波束链表上的各个非空点，由该点所在扫描波束、该点右侧扫描波束、该点下侧扫描波束以及该点对角线扫描波束组成一个2×2的网格块，对该网格块进行搜索连接处理。
具体处理过程参见图2，对于非空点V1，首先将该非空点V1与其右侧扫描波束V2上的点依次比较所处层数的差值，若差值小于阈值，则两个声学点之间建立连接并且令新的阈值等于差值。如此反复，利用自适应阈值的方法寻找差值最小的两点并建立连接。同理，建立该点与其下侧扫描波束V2以及对角方向扫描波束V4上的点的连接，并判断此时是否出现连接交叉，若存在则舍弃该连接。最后，对同一扫描波束上的相邻点进行连接。
S02，将步骤S01处理后的数据输入3×3网格块空点搜索模块，对网格中以空点为中心的3×3区间进行搜索连接处理。
为了减少声学数据中的过多空洞，在确定非空声学数据点的连接关系之后，需要对网格中空点为中心的3×3区间进行搜索处理。具体处理过程参见图3，首先从3×3块左上角的点开始，记为第一个点V1，阵列中第一行的第二和第三个点则记为V2、V3，以次类推，第二行的第一和第三个点记为V4、V5，第二行的第二个点为空点V0，第三行的第一个点为V6、第二个点为V7，第三个点为V8。标记完成后，依次对V2扫描波束上的每个点，比较它与V7扫描波束上的点的层数差，若差值小于系统定义阈值，则两个声学点之间建立连接并且令新的阈值等于差值。如此反复，利用自适应阈值的方法寻找差值最小的两点并建立连接。建立连接后，检查3×3网格的中点在该层上是否为空点，如果为空点，则建立两个点的连接，若非空点，则舍弃该连接。同理，建立V4与V5方向上的连接。如果在同一层上同时有V2-V7连接与V4-V5连接，则舍弃两个连接中层数差值大的一个，以避免两个连接的交叉，然后处理V1-V8方向的连接。若V1-V8连接所在层数的中点是空点，并且该V1-V8连接与同一层上的V2-V7、V4-V5连接没有交叉，则建立V1-V8的预连接。同理，建立V3-V6的预连接。若在同一层上同时有V1-V8连接与V3-V6连接，则舍弃两个连接中层数差值大的一个，以避免两个连接的交叉。
S03，将步骤S02处理后的数据依次输入2×3垂直网格块搜索模块和3×2水平网格块搜索模块，搜索声学数据点的连接关系。
为了进一步改善连接效果，在3×3窗口内的2×3和3×2半对角区间寻找声学数据点连接关系，具体处理过程参见图4。图中，3×3网格块依次2×3垂直网格块搜索模块与3×2水平网格块搜索模块，最后得到声学数据点的连接关系。
其中，在2×3垂直网格块中，左上角的点记为VA，右下角的点记为VB，左下角的点记为VC，右上角的点记为VD。依次对VA声束上的每个声学点寻找VB声束方向的连接。比较两点所处层数的差值，若差值小于系统定义阈值，则两个声学点之间建立预连接并且令新的阈值等于差值。如此反复，利用自适应阈值的方法寻找差值最小的两点并建立预连接。之后，判断两点的预连接是否会被同一层上的其他已经建立的连接产生交叉，如果有交叉，则舍弃该预连接。VA-VB方向的连接建立后，用同样的方法，依次搜索2×3垂直网格中的VC-VD连接。
S04，三角面片生成模块利用已经建立的每层相邻点的连接进行三角面片生成。
依次搜索声束阵列上的每个点，搜索顺序为先处理相同声束上的点，再处理下一个声束上的点。对于每个声学点，首先判断它的连接性，如果没有连接，或者只有一个相邻点，则舍弃该点。对于其他有连接性的点，首先取它的一个相邻点，并寻找它的其他相邻点中所有能与上述两点组成三角形的相邻点。判断这两个相邻点之间的连接性，如果三个点之间两两存在连接且三个点能够构成一个三角形，则将三个点连接成三角面片。
为了证明本发明的有效性，利用本发明的方法进行了3D水声成像数据实时重建，实验结果如图5所示，从图中可以看出，3D水声成像数据经过3×3网格块空点搜索、2×3垂直网格块搜索模块和3×2水平网格块搜索处理有效填补了背景噪声环境干扰下3D水声成像数据的空洞，比传统2×2网格块实点搜索处理取得了更好的重建效果。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种3D水声成像系统实时重建方法，其特征在于，包括：
(1)将实时获取的3D水声成像数据输入2×2网格块实点搜索模块，针对每个扫描波束链表上的非空声学数据点在2×2网格块进行声学数据点的搜索连接处理；
(2)将步骤(1)处理后的数据输入3×3网格块空点搜索模块，对网格块中以空点为中心的3×3区间进行声学数据点的搜索连接处理；
(3)将步骤(2)处理后的数据依次输入2×3垂直网格块搜索模块与3×2水平网格块搜索模块，进行声学数据点的搜索连接处理；
(4)将步骤(3)处理后的数据输入三角面片生成模块，利用已经建立的连接关系进行三角面片生成。
2.根据权利要求1所述的3D水声成像系统实时重建方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的2×2网格块由非空声学数据点所在扫描波束、该点右侧扫描波束、该点下侧扫描波束以及该点对角线扫描波束组成。
3.根据权利要求2所述的3D水声成像系统实时重建方法，其特征在于，所述2×2网格块实点搜索模块的处理过程为：
(1-1)寻找非空声学数据点与其右侧扫描波束上层数差值最小的点并建立连接；
(1-2)运用相同的方法建立该非空声学数据点与其下侧、对角方向扫描波束上的点的连接，判断此时是否出现连接交叉，若存在则舍弃该连接；
(1-3)对同一扫描波束上的相邻点进行连接。
4.根据权利要求3所述的3D水声成像系统实时重建方法，其特征在于，步骤(1-1)的具体步骤为：将非空声学数据点与其右侧扫描波束上的点依次比较所处层数的差值，若差值小于阈值，则两个声学点之间建立连接并且令新的阈值等于差值，重复该步骤，利用自适应阈值的方法寻找差值最小的两点并建立连接。
5.根据权利要求1所述的3D水声成像系统实时重建方法，其特征在于，步骤(2)中，所述3×3网格块空点搜索模块的处理过程为：
(2-1)从3×3网格左上角的点开始，记为第一个点V1，阵列中第一行的第二和第三个点记为V2、V3，第二行的第一和第三个点记为V4、V5，第二行的第二个点为空点V0，第三行的第一个点为V6、第二个点为V7，第三个点为V8；
(2-2)依次比较V2扫描波束上的每个点与V7扫描波束上的点的层数差，若差值小于系统定义阈值，则两个声学点之间建立连接并且令新的阈值等于差值，如此反复，利用自适应阈值的方法寻找差值最小的两点并建立连接；
(2-3)建立连接后，检查3×3网格的中点在该层上是否为空点，如果为空点，则建立两个点的连接，若非空点，则舍弃该连接；
(2-4)用上述同样的方法建立V4-V5方向上的连接，如果在同一层上同时有V2-V7连接与V4-V5连接，则舍弃两个连接中层数差值大的一个，以避免两个连接的交叉；
(2-5)建立V1-V8方向的连接，若V1-V8连接所在层数的中点是空点，并且该V1-V8连接与同一层上的V2-V7、V4-V5连接没有交叉，则建立V1-V8的预连接；
(2-6)用步骤(2-5)相同的方法建立V3-V6的预连接，若在同一层上同时有V1-V8连接与V3-V6连接，则舍弃两个连接中层数差值大的一个，以避免两个连接的交叉。
6.根据权利要求1所述的3D水声成像系统实时重建方法，其特征在于，步骤(3)中，所述2×3垂直网格块的处理过程为：
(3-1)在2×3垂直网格块中，左上角的点记为VA，右下角的点记为VB，左下角的点记为VC，右上角的点记为VD；
(3-2)依次对VA声束上的每个声学点寻找VB声束方向的连接，比较两点所处层数的差值，若差值小于系统定义阈值，则两个声学点之间建立预连接并且令新的阈值等于差值，如此反复，利用自适应阈值的方法寻找差值最小的两点并建立预连接；
(3-3)判断两点的预连接是否会被同一层上的其他已经建立的连接产生交叉，如果有交叉，则舍弃该预连接；
(3-4)VA-VB方向的连接建立后，用同样的方法，依次搜索2×3垂直网格中的VC-VD连接。
7.根据权利要求1所述的3D水声成像系统实时重建方法，其特征在于，步骤(4)的具体步骤为：
(4-1)依次搜索声束阵列上的每个点，搜索顺序为先处理相同声束上的点，再处理下一个声束上的点；对于每个声学点，首先判断它的连接性，如果没有连接，或者只有一个相邻点，则舍弃该点；对于其他有连接性的点，首先取它的一个相邻点，并寻找它的其他相邻点中所有能与上述两点组成三角形的相邻点；
(4-2)判断这两个相邻点之间的连接性，如果三个点之间两两存在连接且三个点能够构成一个三角形，则将三个点连接成三角面片。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190326 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |