一种基于前视图像声呐的海底管道三维重构方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于前视图像声呐的海底管道三维重构方法及系统，该方法包括：步骤1)获取海底管道的二维前视声呐图像；步骤2)初始化相关参数，所述相关参数包括反射率、高度和入射强度；步骤3)根据相关参数，采用Oren and Nayar漫反射模型计算合成图像的像素；步骤4)由合成图像的像素与二维前视声呐图像像素计算均方误差；步骤5)当均方误差大于等于预设精度阈值时，根据均方误差，采用梯度下降的方式迭代更新相关参数，并转至步骤3)；否则转至步骤6)；步骤6)获得此时的高度参数，完成基于前视图像声呐的海底管道三维重构。本发明专利技术在解决病态问题时采用反演的方法，便于实现；能够起到较好的重构效果，重构精度相对较高。重构精度相对较高。重构精度相对较高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于前视图像声呐的海底管道三维重构方法及系统


[0001]本专利技术涉及声呐图像处理
，尤其涉及一种基于前视图像声呐的海底管道三维重构方法及系统。

技术介绍

[0002]二维前视声呐图像提供了距离和方位角，可以通过极坐标公式转换成横、纵坐标(x,y)，但是丢失了高度，前视声呐成像模型如图1所示，实际的Q点投影点为O点，在声呐成像平面上用P近似表示。前人利用光学领域的明暗恢复形状算法(SFS)，恢复二维声呐图像丢失的高度，实现了二维声呐图像的三维重构。但是传统SFS算法利用的Lambert漫反射模型是一个很不准确的模型，经实验验证，Lambert模型在预测诸如粘土，沙子等海底成分的反射率时，真实值和估计值存在较大的误差，因此将光学领域的SFS算法直接运用到海底声呐图像的三维重构得到的结果是不可靠的。Oren,Nayar提出了综合的漫反射模型，即Oren and Nayar漫反射模型，该模型预测上述的粘土、沙子等材料的反射率更加接近真实值，由此可见该模型能够更为真实的预测相关材料的反射率。光学领域的研究人员将Oren and Nayar漫反射模型替换了传统的SFS算法中的Lambert模型得到了改进的SFS算法，在光学应用中，改进的SFS算法的重构结果比传统SFS的结果在精度方面表现更加优异。
[0003]前视声呐的三维重构核心是恢复丢失的高度z。原Oren and Nayar模型如(1)所示，其几何模型如图2，α
i
是入射角，θ
i
入射波束方位角，α
rr/>反射角，θ
r
反射波束方位角，μ＝max(α
i
,α
r
)，ν＝min(α
i
,α
r
)，这里A,B为常数。在光学上Source是光源，receiver为相机，声学上，Source为发射换能器，receiver为接收换能器。由于前视声呐收发换能器共用，故θ
i
＝θ
r
,α
i
＝α
r
＝ν＝μ，模型简化为(2)。
[0004][0005][0006]在Oren and Nayar漫反射模型中，反射强度，即声图中的像素可以和高度z在x,y两个方向的偏导数建立联系，如(3)所示。由反射强度求出这两个偏导数(z对x,y方向的偏导数分别用z
x
,z
y
表示)，便可以得到求得高度z。但是由一个已知量(像素值)求两个未知量，这是一个病态问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种基于前视图像声呐的海底管道三维重构方法及系统。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术提出了一种基于前视图像声呐的海底管道三维重构方法，所述方法包括：
[0009]步骤1)获取海底管道的二维前视声呐图像；
[0010]步骤2)初始化相关参数，所述相关参数包括反射率、高度和入射强度；
[0011]步骤3)根据相关参数，采用Oren and Nayar漫反射模型计算合成图像的像素；
[0012]步骤4)由合成图像的像素与二维前视声呐图像像素计算均方误差；
[0013]步骤5)当均方误差大于预设精度阈值时，根据均方误差，采用梯度下降的方式迭代更新相关参数，并转至步骤3)；否则转至步骤6)；
[0014]步骤6)获得此时的高度参数，从而完成基于前视图像声呐的海底管道三维重构。
[0015]作为上述方法的一种改进，所述反射率的初值设置在0到1之间，入射强度初值设置为二维前视声呐图像的像素值，高度初值设置为声呐相对海底的高度。
[0016]作为上述方法的一种改进，所述步骤3)具体包括：
[0017]根据点(x,y)处的反射率ρ(x,y)、高度z(x,y)和入射强度I0(x,y)，采用Oren and Nayar漫反射模型计算合成图像在(x,y)处的像素为：
[0018][0019]A＝1
‑
0.5σ2/(σ2+0.33)
[0020]B＝0.45σ2/(σ2+0.33)
[0021]其中，参数σ表示高斯分布的标准差，用于表面粗糙度的量度；x,y,z分别表示重构物体的三维坐标；z
x
表示z对x的偏导数，z
y
表示z对y的偏导数。
[0022]作为上述方法的一种改进，所述步骤4)具体包括：对于重构范围内N个点，由合成图像的像素和声呐图像像素I(x,y)，根据下式计算均方误差E为：
[0023][0024]作为上述方法的一种改进，所述根据均方误差，采用梯度下降的方式迭代更新相关参数；具体包括：
[0025]对点(x,y)处的反射率ρ(x,y)、高度z(x,y)和入射强度I0(x,y)根据预设的迭代步长λ，由下式计算得到迭代后的反射率ρ
′
(x,y)、高度z
′
(x,y)和入射强度I0′
(x,y)为：
[0026][0027][0028][0029]其中，λ在0到1之间；
[0030]对具有相同方位角的点(x,y)，根据下式对I0′
(x,y)进行正则化处理，得到正则化处理后的入射强度I0″
(x,y)：
[0031]I0″
(x,y)＝median{I0′
(x,y)|(x,y)∈D}
[0032]其中，median表示正则化处理，D为相同方位角的点的集合；
[0033]将ρ
′
(x,y)、z
′
(x,y)和I0″
(x,y)分别赋值给ρ(x,y)、z(x,y)和I0(x,y)。
[0034]一种基于前视图像声呐的海底管道三维重构系统，所述系统包括：声呐图像获取模块、初始化模块和迭代重构模块；其中，
[0035]所述声呐图像获取模块，用于获取海底管道的二维前视声呐图像；
[0036]所述初始化模块，用于初始化相关参数，所述相关参数包括反射率、高度和入射强度；
[0037]所述迭代重构模块，用于根据相关参数，采用Oren and Nayar漫反射模型计算合成图像的像素；由合成图像的像素与二维前视声呐图像像素计算均方误差；当均方误差大于等于预设精度阈值时，根据均方误差，采用梯度下降的方式迭代更新相关参数，循环处理；直至均方误差小于预设精度阈值，获得此时的高度参数，从而完成基于前视图像声呐的海底管道三维重构。
[0038]作为上述系统的一种改进，所述反射率的初值设置在0到1之间，入射强度初值设置为二维前视声呐图像的像素值，高度初值设置为声呐相对海底的高度。
[0039]作为上述系统的一种改进，所述根据相关参数，采用Oren and Nayar漫反射模型计算合成图像的像素；具体包括：
[0040]根据点(x,y)处的反射率ρ(x,y)、高度z(x,y)和入射本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于前视图像声呐的海底管道三维重构方法，所述方法包括：步骤1)获取海底管道的二维前视声呐图像；步骤2)初始化相关参数，所述相关参数包括反射率、高度和入射强度；步骤3)根据相关参数，采用Oren and Nayar漫反射模型计算合成图像的像素；步骤4)由合成图像的像素与二维前视声呐图像像素计算均方误差；步骤5)当均方误差大于等于预设精度阈值时，根据均方误差，采用梯度下降的方式迭代更新相关参数，并转至步骤3)；否则转至步骤6)；步骤6)获得此时的高度参数，从而完成基于前视图像声呐的海底管道三维重构。2.根据权利要求1所述的基于前视图像声呐的海底管道三维重构方法，其特征在于，所述反射率的初值设置在0到1之间，入射强度初值设置为二维前视声呐图像的像素值，高度初值设置为声呐相对海底的高度。3.根据权利要求1所述的基于前视图像声呐的海底管道三维重构方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括：根据点(x,y)处的反射率ρ(x,y)、高度z(x,y)和入射强度I0(x,y)，采用Oren and Nayar漫反射模型计算合成图像在(x,y)处的像素为：A＝1
‑
0.5σ2/(σ2+0.33)B＝0.45σ2/(σ2+0.33)其中，参数σ表示高斯分布的标准差，用于表面粗糙度的量度；x,y,z分别表示重构物体的三维坐标；z
x
表示z对x的偏导数，z
y
表示z对y的偏导数。4.根据权利要求1所述的基于前视图像声呐的海底管道三维重构方法，其特征在于，所述步骤4)具体包括：对于重构范围内N个点，由合成图像的像素和声呐图像像素I(x,y)，根据下式计算均方误差E为：5.根据权利要求4所述的基于前视图像声呐的海底管道三维重构方法，其特征在于，所述根据均方误差，采用梯度下降的方式迭代更新相关参数；具体包括：对点(x,y)处的反射率ρ(x,y)、高度z(x,y)和入射强度I0(x,y)根据预设的迭代步长λ，由下式得到迭代后的反射率ρ
′
(x,y)、高度z
′
(x,y)和入射强度I0′
(x,y)为：
其中，λ在0到1之间；对具有相同方位角的点(x,y)，根据下式对I0′
(x,y)进行正则化处理，得到正则化处理后的入射强度I0″
(x,y)：I0″
(x,y)＝median{I0′
(x,y)|(x,y)∈D}其中，median表示正则化处理，D为相同方位角的点的集合；将ρ
′
(x,y)、z
′
(x,y)和I0″
(x,y)分别赋值给ρ(x,y)、z(x,y)和I0(x,y)。6.一种基于前视图像声呐的海底管道三维重构系统，其特征在于，所述系统包括：声呐图像获取模块、初始化模块和迭代重构模块；其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：许枫，程坤，杨娟，闫路，崔雷雷，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：