一种适于大面积侧扫图像的水下三维成像快速重构方法技术

本发明专利技术的目的在于提供一种适于大面积侧扫图像的水下三维成像快速重构方法，将三维重构过程看成三维成像的逆过程，利用二维图像的灰度信息获得三维目标的高度信息。首先写出亮度方程转化为误差函数的形式，然后引入光滑约束条件公式，将线性化操作转化成递推函数形式，即可以求解高度值，进而完成绘图。本发明专利技术能显著提高所呈图像的精度，又能明显降低直接进行体目标表示的三维成像的计算复杂程度，大大提高了计算效率，使三维成像技术也可应用于大范围水下成像作业。

A fast reconstruction method of underwater 3D image for large area side scan image

【技术实现步骤摘要】
一种适于大面积侧扫图像的水下三维成像快速重构方法
本专利技术涉及的是一种水下成像方法。
技术介绍
在水下测绘领域，由于海水介质中光波、电磁波衰减严重，所以通常选用发射声波后对接收回波进行分析的方法对水下目标进行成像。现阶段较成熟的成像原理主要是实现二维成像，其图像可以分为目标区、阴影区和海底混响区三类区域，由于其成像原理本身的局限性，二维图像在形成过程中受到声波的辐射特性、噪声、混响以及海底复杂环境的影响，与光学图像相比，呈现出较明显的高噪声、低分辨率以及目标边缘细节丢失等特点，常给图像的目标检测和分类识别带来较大的难度。现阶段在水下三维成像方面有对声波投射到目标上所呈现出的阴影区域的回波进行分析来计算目标三维像的方法：在海底地形数据的生成时，假设目标所在的海底是平坦的，首先通过点元分析来计算目标所呈阴影的范围和大致形状，得到阴影边沿在海底平面内的坐标信息，其次采用面元的方法计算阴影区域，得到的目标及海底的位置坐标，进而得出水下目标的三维成像。但此直接进行三维成像的方案若应用到大范围三维仿真中，很显然计算量过于庞大，在模型仿真中并不适用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供适合大范围测绘的利用二维成像结果进行逆向重构的一种适于大面积侧扫图像的水下三维成像快速重构方法。本专利技术的目的是这样实现的：本专利技术一种适于大面积侧扫图像的水下三维成像快速重构方法，其特征是：(1)对回波进行分析构造二维像：接收换能器阵接收来自照射区各点的反向散射信号，经放大、处理和记录，在数据采集软件上显示出海底的二维图像；(2)引入SFS三维重构方法：采用图像重构方法，使用的是从明暗恢复形状的方法，简称SFS，这种方法将三维重构过程看成三维成像的逆过程，利用二维图像的灰度信息获得三维目标的高度信息：SFS方法首先将亮度方程转化为误差函数的形式：∫∫(E(x，y)-R(p(x，y)，q(x，y))2)dxdy，其中，E(x，y)表示二维图像的灰度信息，R表示重构图像的表面的亮度信息，这个方程的解并不唯一，因此加入写为：对上述泛函求积分，得到其极值存在的必要条件如下：Rp、Rq分别表示函数R对p、q的偏导，z(x，y)表示目标的高度函数，zx、zy分别表示对x、y的偏导，μ为算法固定常数项；对于函数中的非线性项和拉普拉斯算子进行线性化操作转化成递推函数形式，即求解高度值，进而完成绘图。本专利技术的优势在于：本专利技术利用分析回波先成二维图像逆向计算三维图像的方法，明显降低直接进行体目标表示的三维成像的计算复杂程度，大大提高了计算效率，同时能显著提高所呈图像的精度，又能使三维成像技术也可应用于大范围水下成像作业。附图说明图1为本专利技术的流程图。具体实施方式下面结合附图举例对本专利技术做更详细地描述：结合图1，本专利技术分为以下步骤：(1)对回波进行分析构造二维像：对于收发合置声纳，通常情况下声呐正下方海底的回波先返回,倾斜方向的回波后到达(如图1所示)。这样,发出一个很窄的脉冲之后,收到的回波是一个时间很长的脉冲串。收到回波的性质与反射回波的物体(海底或海底目标)表面质地有关，硬的、粗糙的、突起的表面回波较强；软的、平坦的、下凹的表面回波较弱。而被突起部分遮挡部分的海底没有回波,这一部分叫声影区。这样回波脉冲串各处的幅度就大小不一，回波幅度的高低就包含了海底反射强度的信息。接收换能器阵接收来自照射区各点的反向散射信号，经放大、处理和记录，在数据采集软件上显示出海底的二维图像。回波信号较强的目标图像较黑,声波照射不到的影区图像色调很淡,根据影区的长度可以进一步估算目标的高度。(2)引入SFS三维重构方法：在大范围场景重构的三维回波仿真研究中，采用图像重构方法，使用的是从明暗恢复形状的方法(ShapefromShading，简称SFS)，这种方法将三维重构过程看成三维成像的逆过程，利用二维图像的灰度信息获得三维目标的高度信息。SFS方法首先将亮度方程转化为误差函数的形式：∫∫(E(x，y)-R(p(x，y)，q(x，y))2)dxdy(1)其中，E(x，y)表示二维图像的灰度信息，R表示重构图像的表面的亮度信息，这个方程的解并不唯一，因此加入写为：对上述泛函求积分，得到其极值存在的必要条件如下：公式中，Rp、Rq分别表示函数R对p、q的偏导。z(x，y)表示目标的高度函数，zx、zy分别表示对x、y的偏导。μ为算法固定常数项。对于函数中的非线性项和拉普拉斯算子进行线性化操作转化成递推函数形式，即可以求解高度值，进而完成绘图本专利技术利用分析回波先成二维图像逆向计算三维图像的方法，明显降低直接进行体目标表示的三维成像的计算复杂程度，大大提高了计算效率，同时能显著提高所呈图像的精度，又能使三维成像技术也可应用于大范围水下成像作业。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适于大面积侧扫图像的水下三维成像快速重构方法，其特征是：/n(1)对回波进行分析构造二维像：接收换能器阵接收来自照射区各点的反向散射信号，经放大、处理和记录，在数据采集软件上显示出海底的二维图像；/n(2)引入SFS三维重构方法：采用图像重构方法，使用的是从明暗恢复形状的方法，简称SFS，这种方法将三维重构过程看成三维成像的逆过程，利用二维图像的灰度信息获得三维目标的高度信息：/nSFS方法首先将亮度方程转化为误差函数的形式：/n∫∫(E(x，y)-R(p(x，y)，q(x，y))

【技术特征摘要】
1.一种适于大面积侧扫图像的水下三维成像快速重构方法，其特征是：
(1)对回波进行分析构造二维像：接收换能器阵接收来自照射区各点的反向散射信号，经放大、处理和记录，在数据采集软件上显示出海底的二维图像；
(2)引入SFS三维重构方法：采用图像重构方法，使用的是从明暗恢复形状的方法，简称SFS，这种方法将三维重构过程看成三维成像的逆过程，利用二维图像的灰度信息获得三维目标的高度信息：
SFS方法首先将亮度方程转化为误差函数的形式：
∫∫(E(x，y)-R(p(x...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟陆，邢天耀，温佳妮，韦宇航，孙博昊，王云柳，史博，魏波，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23