1、 中心议题中心议题: 了解侧扫声纳图像的研究背景了解侧扫声纳图像的研究背景 知道侧扫声纳的概念和工作原理知道侧扫声纳的概念和工作原理 侧扫声纳图像的结构和成像特征侧扫声纳图像的结构和成像特征 侧扫声纳图像文件的格式侧扫声纳图像文件的格式 对侧扫声纳图像的一些研究方法对侧扫声纳图像的一些研究方法 研究侧扫声纳领域的重要性：研究侧扫声纳领域的重要性： 侧扫声纳系统是现代声纳系统的一种，用于对海底地貌侧扫声纳系统是现代声纳系统的一种，用于对海底地貌成像，其图像能够反映海底地貌的几何特性和沉积物物理成像，其图像能够反映海底地貌的几何特性和沉积物物理特性，定位精度、量测精度、空间分辨率和图像质量都比特性
2、，定位精度、量测精度、空间分辨率和图像质量都比传统的声纳系统有了大幅的提高。与光学透水成像方法相传统的声纳系统有了大幅的提高。与光学透水成像方法相比，探测深度更深，图像质量更高比，探测深度更深，图像质量更高 。目前，侧扫声纳系。目前，侧扫声纳系统在海洋测绘、海洋地质勘探、海底沉积物探测、海洋制统在海洋测绘、海洋地质勘探、海底沉积物探测、海洋制图、海洋工程及军事监控与伪装等领域都有广泛的应用口图、海洋工程及军事监控与伪装等领域都有广泛的应用口一一 研究背景：研究背景： 我国是一个海洋嗣家，新一代海洋测量设备我国是一个海洋嗣家，新一代海洋测量设备侧扫声纳成侧扫声纳成像系统在底质勘探、目标探测以及海
3、洋工程等方面的应用像系统在底质勘探、目标探测以及海洋工程等方面的应用越来越广泛。声纳图像处理包括几何纠正、辐射纠正、地越来越广泛。声纳图像处理包括几何纠正、辐射纠正、地理编码、图像增强、目标识别、图像融合、三维地形显示理编码、图像增强、目标识别、图像融合、三维地形显示等等方面，国外在这方面的研究较早，也取得了显著的成等等方面，国外在这方面的研究较早，也取得了显著的成果，如果，如ChesaPeake的的Sonarweb软件就提供了较为软件就提供了较为完善的声纳图像后处理功能完善的声纳图像后处理功能;CervenkaP、MoustierCde(1993)对声纳图像处理具体技术进行了对声纳图像处理具
4、体技术进行了深入的阐述。国内在这方面的研究虽然起步较晚，但经过深入的阐述。国内在这方面的研究虽然起步较晚，但经过多位学者的共同努力，也取得了不少成绩。并且还有很多多位学者的共同努力，也取得了不少成绩。并且还有很多方面有待后人去研究方面有待后人去研究 二二 侧扫声纳的概念侧扫声纳的概念 侧扫声纳在海道测量、海洋工程地质调查以及海洋地质科侧扫声纳在海道测量、海洋工程地质调查以及海洋地质科学研究中得到了广泛的应用。它能够迅速快捷的执行各种学研究中得到了广泛的应用。它能够迅速快捷的执行各种海洋调查任务。目前已成为海洋测量调查研究的必不可少海洋调查任务。目前已成为海洋测量调查研究的必不可少的重要手段。侧
5、扫声纳有三个突出的特点的重要手段。侧扫声纳有三个突出的特点:一是分辨率高，一是分辨率高，二是能得到连续的二维海底图像，三是价格较低，所以侧二是能得到连续的二维海底图像，三是价格较低，所以侧扫声纳出现以后很快得到广泛应用，现在已成为水下探测扫声纳出现以后很快得到广泛应用，现在已成为水下探测的主要设备之一。侧扫声纳主要应用在以下几个方面的主要设备之一。侧扫声纳主要应用在以下几个方面:海海洋测绘、海洋地质调查、海洋工程勘探、寻找水下沉船沉洋测绘、海洋地质调查、海洋工程勘探、寻找水下沉船沉物和探测水雷等。物和探测水雷等。二二 侧扫声纳的工作原理侧扫声纳的工作原理 侧扫声纳能直观地提供海底地貌图像，它是
6、记录声波的回侧扫声纳能直观地提供海底地貌图像，它是记录声波的回波强度的灰度图像。拖鱼波强度的灰度图像。拖鱼(towfish)是用电缆与测量船是用电缆与测量船联接的拖曳体，声波换能器设置在拖鱼的两个侧面。声波联接的拖曳体，声波换能器设置在拖鱼的两个侧面。声波换能器向垂直于船的行进方向发射扇形声波。到达海底的换能器向垂直于船的行进方向发射扇形声波。到达海底的声波对海底物质施加压力，声波会随着海底物质的形状密声波对海底物质施加压力，声波会随着海底物质的形状密度等物质特性发生衰减，同时发生后向散射。按时间顺序度等物质特性发生衰减，同时发生后向散射。按时间顺序取得后向散射波就得到面状图像，侧扫声纳向目标
7、发射声取得后向散射波就得到面状图像，侧扫声纳向目标发射声波并记录其回波强度，因此是主动式遥感器。波并记录其回波强度，因此是主动式遥感器。 主动声纳的信息流程图主动声纳的信息流程图 侧扫声纳的基本工作原理与侧视雷达类似，侧扫声纳左右各安装一条换能器线阵，首先发射一个短促的声脉冲，声波按球面波方式向外传播，碰到海底或水中物体会产生散射，其中的反向散射波(也叫回波)会按原传播路线返回换能器被换能器接收经换能器转换成一系列电脉冲. 一般情况下，硬的、粗糙的、凸起的海底，回波强;软的、平滑的、凹陷的海底回波弱，被遮挡的海底不产生回波，距离越远回波越弱。如图1一3，第点是发射脉冲。正下方海底为第点，因回波
8、点垂直入射，回波是正反射，回波很强，海底从第点开始向上突起，第点为顶点，所以第，点间的回波较强，但是这三点到换能器的距离是以第点最近，第点最远。所以回波返回到换能器的顺序是第点一第点一第点，这也充分表现出了斜距和平距的不同。第点与第点间海底是没回波的，这是被凸起海底遮挡的影区。第点与第点间海底是下凹的，第点与第点间海底也是被遮挡的，没有回波，也是影区3侧扫声纳图像的结构和成像特征侧扫声纳图像的结构和成像特征 1 声图结构声图结构 声图判读对象是声图中各类目标和地貌。因此，声图声图判读对象是声图中各类目标和地貌。因此，声图判读人员必须了解声图形成的过程，才能正确判读声判读人员必须了解声图形成的过
9、程，才能正确判读声图中的目标和地貌。图中的目标和地貌。 2 声图的成像特点声图的成像特点 声图灰度强弱变化成像特点：声图灰度强弱变化成像特点：二维声图图像是由扫描线的灰度二维声图图像是由扫描线的灰度变化，形成灰阶强弱反差，较强灰度的灰阶形成一定大小的几何形态变化，形成灰阶强弱反差，较强灰度的灰阶形成一定大小的几何形态反映目标图像。扫描线的灰度随目标的反向散射强度的变化而变化，反映目标图像。扫描线的灰度随目标的反向散射强度的变化而变化，使声图的扫描线能够反映目标图像。使声图的扫描线能够反映目标图像。 声图目标在背景中成像特征声图目标在背景中成像特征：声图反映的声信号图像不仅有换：声图反映的声信号
10、图像不仅有换能器基阵发射声波的反向散射信号，还有外界各种声波信号和电信号。能器基阵发射声波的反向散射信号，还有外界各种声波信号和电信号。因此，声图上不仅有目标图像，还有各种干扰图像，在声图上混杂分因此，声图上不仅有目标图像，还有各种干扰图像，在声图上混杂分布声图背景反映呈一定灰度的灰阶几何形态，不具备具体真实图像。布声图背景反映呈一定灰度的灰阶几何形态，不具备具体真实图像。目标在背景中成像给声图判读带来困难。声图判读时首先要在二维声目标在背景中成像给声图判读带来困难。声图判读时首先要在二维声图上的背景中检测出目标图像，然后判读目标性质。图上的背景中检测出目标图像，然后判读目标性质。 四四 侧扫
11、声纳图像文件的格式侧扫声纳图像文件的格式 现有的声纳数据主要有现有的声纳数据主要有Qmips和和xTF(ExtendedTritonFormat)两种文两种文件格式，二者均为二进制格式存储。本系统用的是件格式，二者均为二进制格式存储。本系统用的是XTF文件格式。文件格式。XTF文件文件格式是一种可扩展的数据格式，它的伸缩性和可扩展性很强，可保存声纳、格式是一种可扩展的数据格式，它的伸缩性和可扩展性很强，可保存声纳、航行、遥测、测深等多种类型的信息。它可以很容易地扩展成将来所遇到的航行、遥测、测深等多种类型的信息。它可以很容易地扩展成将来所遇到的不同数据类型。接收数据包和写数据之间可以异步。每个
12、文件都包括不同的不同数据类型。接收数据包和写数据之间可以异步。每个文件都包括不同的数据包，根据数据包的标识信息识别数据包的类型。这样可以仅读取所需要数据包，根据数据包的标识信息识别数据包的类型。这样可以仅读取所需要的可认识数据包，而跳过其它不需要或不认识的数据包。的可认识数据包，而跳过其它不需要或不认识的数据包。 XTF文件开始是一个文件开始是一个XTFFILEHEADER结构的头，后面跟一个或多个数据结构的头，后面跟一个或多个数据包，每个包，每个XTFFILEHEADER能容纳六个通道的信息，通道数据则存储在能容纳六个通道的信息，通道数据则存储在CHANINFO结构中。普通的侧扫声纳有两个通
13、道，本系统中使用的为两个。结构中。普通的侧扫声纳有两个通道，本系统中使用的为两个。xTFFILEHEADER结构通常为结构通常为1024字节，如果通道大于字节，如果通道大于6个，则该结构大个，则该结构大小按小按1024字节递增，直至容纳所有字节递增，直至容纳所有eH酬顶酬顶Fo结构。目前数据包主要有声纳结构。目前数据包主要有声纳(sonar)、测、测(Bathymetry)、姿态、姿态(Attitude)、注释、注释(Annotation)和和串口元数据串口元数据(RawAscllfromserialPort)五种类型。每个数据包都有一个五种类型。每个数据包都有一个头结构。数据包的位置可以任意
14、，读取时依据头结构的头类型信息来确定数头结构。数据包的位置可以任意，读取时依据头结构的头类型信息来确定数据包的类型。对于通道，每个通道有通道头结构，后面是通道测量数据。据包的类型。对于通道，每个通道有通道头结构，后面是通道测量数据。 XTF文件格式图 五 对侧扫声纳图片的一些研究方法对侧扫声纳图片的一些研究方法1 侧扫声纳图像几何纠正技术研究侧扫声纳图像几何纠正技术研究 几何纠正是侧扫声纳图像深层应用所必须经历的处理过程。原始侧扫声纳图像经过几何纠正处理，不但消除了大量的系统噪声，如水柱噪声，更重要的是使图像具有了精确的地理参考特性，从而可以极大地扩展声纳图像的应用领域。2 小波函数对侧扫声纳
15、图像滤波效果的影响分析小波函数对侧扫声纳图像滤波效果的影响分析 侧扫声纳技术应用日益广泛，已成为海洋测量的重要工具，而去除噪声处理是对侧扫声纳图像进行正确判读的前提。利用小波函数滤波处理的方法，分别采用Haar、Daubechies、Coiflets、Symlets、Discrete Meyer、Biorthogonal、Reverse Biorthogonal等小波函数与中值滤波函数对侧扫声纳图像进行处理，并以平滑指数和边缘保持指数为评价指标，对滤波效果进行定量比较。试验表明，小波函数可以有效地平滑声纳图像，并能保持其较好的边缘效果。 3 侧扫声纳的图像增强处理侧扫声纳的图像增强处理 从测扫
16、声纳原理和外业测量实践出发，针对海底特征判读问题，提出从测扫声纳原理和外业测量实践出发，针对海底特征判读问题，提出并阐述了侧扫声纳图像快速增强处理方法。解决了数据采集实时性、并阐述了侧扫声纳图像快速增强处理方法。解决了数据采集实时性、图像处理复杂性、外业环境干扰强的矛盾，实现了侧扫声纳的海底图图像处理复杂性、外业环境干扰强的矛盾，实现了侧扫声纳的海底图像多色调快速增强显示像多色调快速增强显示 4 侧扫声纳目标自动探测研究侧扫声纳目标自动探测研究 为了解决水声图像因受到噪声、多途、混响的影响，使水声图像特征为了解决水声图像因受到噪声、多途、混响的影响，使水声图像特征难以提取的问题，针对海底目标的
17、识别，通过对图像处理算法的研究难以提取的问题，针对海底目标的识别，通过对图像处理算法的研究以及大量的实验分析，给出了侧扫声纳图像目标自动识别的有效方法。以及大量的实验分析，给出了侧扫声纳图像目标自动识别的有效方法。其中包括图像的增强、二值化、二值开闭操作、特征提取、特征计算其中包括图像的增强、二值化、二值开闭操作、特征提取、特征计算及目标识别等内容。通过对面积特征的及目标识别等内容。通过对面积特征的提取和计算实现了对水下目标的自动探测。提取和计算实现了对水下目标的自动探测。再简单的介绍下下面四种方法再简单的介绍下下面四种方法5 曲波变换域侧扫声纳图像海底底质分类曲波变换域侧扫声纳图像海底底质分类6 侧扫声纳图像地理编码技术研究侧扫声纳图像地理编码技术研究8 基于基于ArcEngine的侧扫声纳图像处理系统设计的侧扫声纳图像处理系统设计7 基于数据融合的侧扫声纳图像预处理基于数据融合的侧扫声纳图像预处理谢谢大家
