一种便携式三维成像声纳及其成像方法、系统的制作方法
【专利摘要】本发明属于声纳成像领域，提供了一种便携式三维成像声纳及其成像方法、系统。该方法及系统是将错切-变形技术应用于便携式三维成像声纳的成像过程中，首先通过错切变换将物体空间投射到错切空间，合成中间图像，该中间图像的观测方向与Z轴方向平行，再将中间图像变形到预定的图像空间，得到最终的三维结果图像。由于借助了与z轴垂直的中间图像，从而将三维空间的重采样过程转换为二维平面的采样过程，极大的减少了运算量，降低了系统对硬件性能的要求，并可提高显示的实时性，特别适合应用在便携式三维成像声纳中。
【专利说明】一种便携式三维成像声纳及其成像方法、系统
【技术领域】
[0001] 本发明属于声纳成像领域，尤其涉及一种便携式三维成像声纳及其成像方法、系 统。
【背景技术】
[0002] 三维成像声纳是一种能够在目标物与声纳相对运动的情况下，将声纳扫描得到的 数据以图像形式展现的设备，其原理是：水下不同密度、不同声速的物体，对入射声波具有 不同程度的反射、透射、散射等物理效应，通过分析、提取和显示物体被声波作用后的强度、 位置信息，就可以得到水下物体的三维声纳图像。
[0003] -般地，三维成像声纳可包括信号处理机和主控机两部分。信号处理机用于完成 三维声纳数据的采集、处理及上传；主控机用于提供可视化界面，完成三维图像显示。其中， 主控机采用的三维图像显示算法分为面绘制和体绘制。
[0004] 面绘制的原理是：首先由体数据构造出中间几何图元，然后运用分类操作将三维 声纳数据场中感兴趣的部分提取出来并以面的方式表达显示，常用的是等值面。由于面绘 制方法只关注于分界面，忽略了组织内部丰富的细节，无法形成对图像的整体理解。在实际 应用中，为了准确成像需要调整等值面的取值范围。另外，面绘制方法在面的构造过程中经 常丢失大量的细节，使得生成的图像过于光滑，保真性较差。
[0005] 体绘制的原理是：不需要构造中间几何图元，把体看作是体素的集合，先给三维声 纳数据场中的每一体元赋予一定的色彩和透明度，再根据光线穿越半透明物质时能量集聚 的光学原理，进行色彩合成的成像操作，因而保留了丰富的细节，相对于面绘制，保真性大 为提商。
[0006] 现有技术中，体绘制采用光线投影法是从预先设定的图像空间的每一像素出发， 按视线方向发射一条射线，该射线穿过三维声纳数据场，沿射线方向选取采样点，之后通过 三次线性插值，得到每一采样点的回波强度值和不透明度值，从而合成最终图像。由于该种 体绘制方法是将物体空间直接投影到预先设定的图像空间，若视线方向发生变化，需要重 新进行采样，使得运算量较大，运算速率较慢，实时性差。而对于便携式三维成像声纳，由于 便携式的特点，要求系统集成度高、物理尺寸小，需要计算量小、实时性好的体绘制算法。。
【发明内容】
[0007] 本发明实施例的目的在于提供一种便携式三维成像声纳的成像方法，旨在解决现 有三维成像声纳的体绘制采用光线投影法，该方法运算量大，造成系统造价高、体积大且实 时性差而不适用于便携式三维成像声纳的问题。
[0008] 本发明实施例是这样实现的，一种便携式三维成像声纳的成像方法，所述方法包 括以下步骤：
[0009] 接收信号处理机上传的三维离散声纳数据场的三维离散声纳数据；
[0010] 采用透视投影的方法，对所述三维离散声纳数据进行错切变换，合成中间图像； toon] 对所述中间图像进行二维图像变换，得到所述三维离散声纳数据在预先设定的图 像空间的三维结果图像。
[0012] 本发明实施例的另一目的在于提供一种便携式三维成像声纳的成像系统，所述系 统包括：
[0013] 数据接收模块，用于接收信号处理机上传的三维离散声纳数据场的三维离散声纳 数据；
[0014] 第一图像处理模块，用于采用透视投影的方法，对所述三维离散声纳数据进行错 切变换，合成中间图像；
[0015] 第二图像处理模块，用于对所述中间图像进行二维图像变换，得到所述三维离散 声纳数据在预先设定的图像空间的三维结果图像。
[0016] 本发明实施例的另一目的在于提供一种便携式三维成像声纳，包括信号处理机和 主控机，所述主控机包括如上所述的便携式三维成像声纳的成像系统。
[0017] 本发明实施例提出的便携式三维成像声纳的成像方法和系统是将错切-变形技 术应用于便携式三维成像声纳的体绘制过程中，首先通过错切变换将物体空间投射到错切 空间，合成中间图像，该中间图像的观测方向与Z轴方向平行，再将中间图像变形到预定的 图像空间，得到最终的三维结果图像。由于借助了与Z轴垂直的中间图像，从而将三维空间 的重采样过程转换为二维平面的采样过程，若原始的视线方向发生变化，中间坐标系可不 发生变化。该方法和系统极大的减少了运算量，降低了系统对硬件性能的要求，并可提高显 示的实时性，特别适合应用在便携式三维成像声纳中。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1是本发明第一实施例提供的便携式三维成像声纳的成像方法的流程图；
[0019] 图2是"T"型基阵的发射波束与接收波束的叠加示意图；
[0020] 图3是"T"型基阵的接收波束在空间坐标系中的示意图；
[0021] 图4是本发明第一实施例中，对三维离散声纳数据场进行错切变换步骤的详细流 程图；
[0022] 图5是本发明第一实施例中，利用光线投影法对三维离散声纳数据场中的三维声 纳数据进行图像合成的步骤的详细流程图；
[0023] 图6是本发明第二实施例提供的便携式三维成像声纳的成像系统的原理图；
[0024] 图7是图6中，第一图像处理模块的原理图；
[0025] 图8是图7中，中间图像获取子模块的原理图。
【具体实施方式】
[0026] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0027] 本发明提出的便携式三维成像声纳的成像方法是将错切-变形技术应用于便携 式三维成像声纳的成像过程中，该方法首先通过错切变换将物体空间投射到错切空间，合 成中间图像，该中间图像的观测方向与Z轴方向平行，再将中间图像变形到预定的图像空 间，得到最终的三维结果图像。
[0028] 图1是本发明第一实施例提供的便携式三维成像声纳的成像方法的流程，包括以 下步骤：
[0029] Sl :接收信号处理机上传的三维离散声纳数据场的三维离散声纳数据。
[0030] 本发明第一实施例中，信号处理机可采用面阵或"T"型基阵来实现对目标的三维 定位。以信号处理机采用"T"型基阵，且"T"型基阵采用垂直发射、水平接收为例，如图2 和图3所示。图2中的实线表示一系列垂直发射波束，图2中的虚线表示一系列水平接收 波束，图2中的黑色圆圈表示目标，图3中的k表示回波波束所在的切面序数。工作时，"T" 型基阵向某一预定方向发射波束，之后对这一方向的回波进行分析，由于接收波束具有水 平方向的分辨力，可由接收波束得到这一方向下回波的方位角，同时结合由发射波束确定 的仰俯角、以及由波束收发时间确定的目标距离，便可得到目标回波的方位角、仰俯角和距 离的信息。
[0031] 本发明第一实施例中，三维离散声纳数据场为一组空间不同距离上回波强度 的切片，相同距离的三维离散声纳数据在同一个切片上。切片上每一数据点的三维 离散声纳数据至少包括该数据点的空间坐标和回波强度值。假设切片上任一数据点 P(i，j，k)的俯仰角为Φ，方位角为Θ，距离为z，则该数据点的空间坐标x(i，j，k)= z · cosC> · cos Θ，y (i，j，k) = z · cosC> · sin Θ，i为数据点所在切面的行数，j为数据点 所在切面的列数。
[0032] S2:采用透视投影的方法，对三维离散声纳数据进行错切变换，合成中间图像。
[0033] 进一步地，如图4所示，步骤S2可包括以下步骤：
[0034] S21 :选定物体空间到预先设定的图像空间的变换矩阵Mview，以确定对三维离散声 纳数据的主观察方向。
[0035] S22 :通过坐标变换矩阵T，使得三维离散声纳数据场的z轴方向与对三维离散声 纳数据的主观察方向重合。
[0036] S23:采用透视投影的方法，将三维离散声纳数据场由物体空间变换到错切空间。
[0037] 本发明第一实施例中，通过将三维离散声纳数据场内每一切片的三维离散声纳数 据均乘以错切变换矩阵K，实现在垂直于z轴的方向上对切片的错切。其中，错切变换矩阵 K可表示为：
【权利要求】
1. 一种便携式三维成像声纳的成像方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤： 接收信号处理机上传的三维离散声纳数据场的三维离散声纳数据； 采用透视投影的方法，对所述三维离散声纳数据进行错切变换，合成中间图像； 对所述中间图像进行二维图像变换，得到所述三维离散声纳数据在预先设定的图像空 间的三维结果图像。
2. 如权利要求1所述的便携式三维成像声纳的成像方法，其特征在于，所述采用透 视投影的方法，对所述三维离散声纳数据进行错切变换，合成中间图像的步骤包括以下步 骤： 选定物体空间到预先设定的图像空间的变换矩阵，以确定对所述三维离散声纳数据的 主观察方向； 通过坐标变换矩阵，使得所述三维离散声纳数据场的z轴方向与所述主观察方向重 合； 采用透视投影的方法，将所述三维离散声纳数据场由所述物体空间变换到错切空间； 在所述错切空间，对所述三维离散声纳数据场中的三维声纳数据进行图像合成，得到 中间图像。
3. 如权利要求2所述的便携式三维成像声纳的成像方法，其特征在于，所述采用透视 投影的方法，将所述三维离散声纳数据场由所述物体空间变换到错切空间的步骤具体为： 将所述三维离散声纳数据场内每一切片的三维离散声纳数据均乘以错切变换矩阵K， 所述错切变换矩阵K表示为：
其中，kx为横轴移动系数kx、ky为纵轴移动系数，kw为比例变换系数k w ,且有
^为第一个切片的距离，^为所需变换的三维离散声纳数据所在切片的距离。
4. 如权利要求3所述的便携式三维成像声纳的成像方法，其特征在于，对所述中间图 像进行二维图像变换，得到所述三维离散声纳数据在预先设定的图像空间的三维结果图像 的步骤表示为：Mrap = r1 ? r1 ? Mview，其中，Mrap为所述错切空间到预先设定的所述图像空 间的变换矩阵，T为所述坐标变换矩阵，Mview为所述物体空间到预先设定的图像空间的变换 矩阵。
5. 如权利要求2所述的便携式三维成像声纳的成像方法，其特征在于，在所述错切空 间，对所述三维离散声纳数据场中的三维声纳数据进行图像合成，得到中间图像的步骤包 括以下步骤： 在所述错切空间，根据各数据点的回波强度值的大小，对所述三维离散声纳数据场中 各数据点的三维声纳数据进行分类； 为每一类的数据点赋予不同的不透明度值； 根据光线跟踪法，沿视线方向进行重采样，并由离某一采样点最近的8个数据点的回 波强度值和不透明度值作三线性插值，得到各采样点的回波强度值和不透明度值； 根据每条沿视线方向的线束上的各采样点的回波强度值和不透明度值，由前向后或由 后向前合成中间图像的回波强度值，进而得到中间图像。
6. 如权利要求5所述的便携式三维成像声纳的成像方法，其特征在于，所述由后向前 合成中间图像的回波强度值的步骤表示为Ttjut = Pin(l_ a nOT)+Pmw a nOT，所述由前向后合成 中间图像的回波强度值的步骤表示为：Ptjut = Pina in+PnOTanOT(l-a in)，其中，P_为第m个体 元的回波强度值，Pwt为经过所述第m个体元后的回波强度值，Pin为进入所述第m个体元的 回波强度值，a MW为所述第m个体元的的不透明度值，Ciin为进入所述第m个体元的不透明 度值。
7. -种便携式三维成像声纳的成像系统，其特征在于，所述系统包括： 数据接收模块，用于接收信号处理机上传的三维离散声纳数据场的三维离散声纳数 据； 第一图像处理模块，用于采用透视投影的方法，对所述三维离散声纳数据进行错切变 换，合成中间图像； 第二图像处理模块，用于对所述中间图像进行二维图像变换，得到所述三维离散声纳 数据在预先设定的图像空间的三维结果图像。
8. 如权利要求7所述的便携式三维成像声纳的成像系统，其特征在于，所述第一图像 处理模块包括： 选定子模块，用于选定物体空间到预先设定的图像空间的变换矩阵，以确定对所述三 维离散声纳数据的主观察方向； 坐标变换子模块，用于通过坐标变换矩阵，使得所述三维离散声纳数据场的z轴方向 与所述主观察方向重合； 错切子模块，用于采用透视投影的方法，将所述三维离散声纳数据场由所述物体空间 变换到错切空间； 中间图像获取子模块，用于在所述错切空间，对所述三维离散声纳数据场中的三维声 纳数据进行图像合成，得到中间图像。
9. 如权利要求8所述的便携式三维成像声纳的成像系统，其特征在于，所述中间图像 获取子模块包括： 分类子模块，用于在所述错切空间，根据各数据点的回波强度值的大小，对所述三维离 散声纳数据场中各数据点的三维声纳数据进行分类； 赋值子模块，用于为每一类的数据点赋予不同的不透明度值； 重采样及插值子模块，用于根据光线跟踪法，沿视线方向进行重采样，并由离某一采样 点最近的8个数据点的回波强度值和不透明度值作三线性插值，得到各采样点的回波强度 值和不透明度值； 合成子模块，用于根据每条沿视线方向的线束上的各采样点的回波强度值和不透明度 值，由前向后或由后向前合成中间图像的回波强度值，进而得到中间图像。
10. -种便携式三维成像声纳，包括信号处理机和主控机，其特征在于，所述主控机包 括如权利要求7、8或9所述的便携式三维成像声纳的成像系统。
【文档编号】G06T3/00GK104361623SQ201410691462
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月25日 优先权日:2014年11月25日
【发明者】董雷, 曾锋, 郭晓明, 刘峰, 周瑜, 刘德铸 申请人:中国电子科技集团公司第三研究所