一种基于地理编码和多维校准的三维图像拼接方法
一种基于地理编码和多维校准的三维图像拼接方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于声纳图像数据后处理技术的范畴，主要是一种基于地理编码和多维校 准的三维图像拼接方法。
【背景技术】
[0002] 图像拼接技术指将数张有重叠部分的图像拼成一幅大型的无缝高分辨率图像的 技术，已广泛存在于遥感、雷达、医学、光学、数字视频等图像处理领域。该技术主要包括图 像配准和图像融合两部分，其中图像配准是图像拼接的核心部分，特指采用一定的匹配策 略，找出待拼接图像中的模板或者特征点在参考图像中对应的位置，进而确定两幅图像之 间的变换关系。配准算法大致可分为基于模型的方法、基于变换域的方法、基于灰度相关的 方法和基于特征的方法。由于图像拼接技术没有标准的测试图像，也没有统一的评价标准， 衡量算法优劣主要依靠人的主观视觉感知。
[0003] 随着声纳信号处理技术和图像处理技术的快速发展，图像声纳产生的图像数据规 模已由二维发展到三维:一类是多波束测深设备，专门用作对海底地形成像，生成伪三维数 据(走航位置X、方位位置Y、高度值H)类型，依然可采用传统二维拼接方式，叠加高度信息后 形成三维地形拼接效果；另外一类为多波束合成孔径三维成像声纳，它运用先进的仿医用 CT技术的声学方法实现水体、海底、地层三维成像，产生了含有四维信息（走航位置X、方位 位置Y、深度位置Z、反射强度值P)的三维图像体数据类型。在处理此类含四维信息的三维图 像体数据时，面临以下二类问题：
[0004] (1)目前国内外已经有较为成熟的伪三维图像数据（即两个二维数据）的拼接方 法，已经成功运用于多波束测深仪图像拼接处理，但是鲜有含四维信息的三维图像体数据 拼接的方法研究。鉴于声学图像与光学、电磁学的图像相比，由于形成机理和使用环境约束 限制，存在着对比度弱，混响噪声多、图像细节匮乏，分辨力较低等特点，引入传统光学、电 磁学图像处理领域的拼接算法直接应用在声学图像拼接中的效果并不理想。
[0005] (2)声纳平台在实际不同航线下，受到海浪、海流、潮汐和拖船走航中的非均匀偏 移等因素的影响，存在上下、纵倾、横摇姿态的自由变化。经过运动补偿信号处理和多参数 修正后能补偿大部分的姿态误差，但是航线的偏移和平台运动误差影响等因素会导致不同 测线下同一目标的图像位置有较大偏差。直接采用空间位置镶嵌叠加，会出现多维图像空 间位置错乱，导致拼接结果错误，视觉效果低劣。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术中存在的问题，而提供一种基于地理编 码和多维校准的三维图像拼接方法。
[0007] 本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种基于地理编码和多维校准的三 维图像拼接方法，首先通过拖体位置推算、声纳参数修正进行声纳图像体数据的三维空间 位置地理编码，然后对多测线重叠区域图像选取走航-深度维切片，通过图像特征匹配，获 取深度维的平移量;选取走航-方位维切片，通过目标长轴图像特征计算平移量和角度旋转 量，最后通过三维空间位置地理编码的多维校准，实现多维校准的三维图像拼接。
[0008] 本
【发明内容】
分为三维空间位置地理编码、多维匹配及地理编码校准、三维图像拼 接三部分，各部分具体说明如下：
[0009] (一)三维空间位置地理编码
[0010] 推算声纳拖体位置，修正拖体的轨迹航向角、固定横滚角度、声速误差，调整声纳 图像二维尺度，得到不同测线下三维图像体数据在笛卡尔空间直角坐标系下的地理编码。
[0011] ①推算声纳拖体位置:母船上配置GPS导航设备，根据母船、拖体之间位置关系，推 算出声纳拖体经炜度位置数据，然后对拖体位置数据进行滤波处理，减小因极少数声纳拖 体位置畸变引入的空间位置定位误差。
[0012] ②推算拖体轨迹航向角：参考大地平面坐标系下，选用拖体在不同的空间航迹点 位置处的经炜度值，求取时间跨度内经、炜度差的反正切三角变换值，得到拖体轨迹航向角 度，减弱因拖体在行驶过程中艏向扰动引入的空间位置定位误差。
[0013] ③补偿拖体固定横滚角度:获取同步记录的传感器横滚输出值，进行统计平均后 得到固定横滚角度值，补偿因拖体固定横滚角度而引入的空间位置定位误差。
[0014] ④修正声速误差:利用声速梯度仪测量后获得作业海域的声速变化值，修正相应 深度的声速值，消除因声场声速误差较大而引入的空间位置定位误差。
[0015] ⑤缩放二维尺度:在三维图像体数据的走航和方位维进行二维尺度缩放处理，使 得走航和方位维图像尺度值一致，祛除因二维尺度不一致引入的空间位置定位误差。
[0016] ⑥海底平面经炜度值:根据声纳拖体位置、拖体轨迹航向角、拖体固定横滚角度、 声速误差、拖体高度、波束角度、海底回波斜距的几何模型，得到三维图像体数据中海底平 面的经炜度值。
[0017] ⑦笛卡尔空间直角地理编码：建立空间直角坐标系，将三维图像体数据的海底平 面的经炜度值配置到对应平面坐标轴，并将深度信息配置到垂直坐标轴中，使得三维图像 体数据具备笛卡尔空间直角地理编码。
[0018] (二)多维匹配及地理编码校准
[0019] 针对多测线重叠区域图像选取走航-深度维切片，通过图像特征匹配，获取深度维 的平移量;选取走航-方位维切片，通过目标长轴图像特征计算平移量和角度旋转量，得到 走航-方位-深度维的校准值，完成三维空间位置地理编码(笛卡尔空间直角地理编码）的多 维校准。
[0020] (三)三维图像拼接
[0021] 根据三维空间位置地理编码，完成对不同测线下的三维图像拼接处理。
[0022] 本发明的有益效果为:本发明针对声纳平台生成的、含四维信息（走航位置、方位 位置、深度位置、反射强度值）的三维图像体数据拼接处理，创新性提出了一种基于地理编 码和多维校准的三维图像拼接方法。
【附图说明】
[0023]图1为基于地理编码和多维校准的三维图像拼接方法流程框图。
[0024]图2为拖体位置数据滤波原理示意图。
[0025] 图3不同测线下相同区域的三维图像数据的俯视结果(水中、水底目标）。
[0026] 图4双测线下的水中小球目标深度维匹配图。
[0027]图5双测线三维图像拼接结果(水中和水底目标）。
[0028]图6未经过多维匹配校准的的三维图像拼接结果(地层掩埋目标）。
[0029] 图7双测线下基于掩埋目标的走航/方位的二维匹配校准后结果。
[0030] 图8经过地理编码和多维匹配校准的三维图像数据拼接结果(地层掩埋目标）。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：
[0032] 本发明所述的这种基于地理编码和多维校准的三维图像拼接方法，具体步骤如 下：
[0033] 101)三维空间位置地理编码
[0034]通过拖体位置推算、声纳参数修正进行声纳图像体数据的三维空间位置地理编 码。
[0035] 1推算声纳拖体位置
[0036]拖体位置数据滤波：依次选取相邻三个航迹点i、i + 1、i+2构成三角形，以i，i+2连 线为底边，计算过i+Ι点与底边相交的垂线方程，以1:2的分割比例求得分割点P的坐标并赋 给航迹点i+1，可在平滑航迹坐标同时较好的保持航迹点之间的距离比例，滤波示意如附图 2所示。将航迹点i、i+1、i+2的经炜度(WD，JD)坐标转化平面直角坐标值，转化公式为：
[0037] Y=WD · 1852，X = JD · cos(WD/60/180 · Jr) · 1852
[0038] 已知i，i+2点的直角坐标值，可以获得直线LI斜截式y = k · x+b和一般式Al · x+ Bl · y+Cl = 0的表达式，斜率为
由于过i+l、P点直线L2与直线Ll相 互垂直，其斜率为 ，同样可以获得直线L2表达式A2 · x+B2 · y+C2 = 0,计算Ll和L2的 交点Q坐标值
，进而根据点i+1和点Q的坐标，采 用分段式定比公式得到点P的坐标值
这里选择λ = 0.5， 获得的P点坐标值赋给航迹点i+1，成为新的坐标值。
[0039] 2推算拖体轨迹航向角:定义(WD，JD)表示为拖体航迹点的炜/经度值，将一定时间 跨度内航迹点经炜度的差值(dy，dx)作反正切变换，得到轨迹航向角度Θ，公式推导如下： [0040] dy= AWD · 1852 = (WDnew-WD0Id) · 1852
[0041 ] dx= Δ JD · 1852 · cos(WD〇id/60/180*3i) = (JDnew-JDoid) · cos(WD〇id/60/180*3i) · 1852
[0042] 轨迹航向角：9=arctan2(abs(dx/dy))
[0043] 3补偿拖体固定横滚角:获取同步记录的传感器输出值，进行统计平均后得到固定 横滚角度值γ。
[0044] 4声速误差:采用声速梯度仪测量获得作业海域的声速变化值，进行修正。
[0045] 5缩放图像二维尺度:在三维图像体数据的走航和方位维进行二维尺度缩放处理， 选用线性插值处理，处理后的三维图像体数据在走航和方位维图像尺度值一致。
[0046] 6海底平面经炜度:将三维图像体数据划分为若干个波束角度下的二维图像数据 的组合。利用声纳拖体位置，不同波束角度α、固定横滚角γ、拖体轨迹航向角Θ和海底界面 回波斜距sra(修正声速误差后），通过波束振幅投影获得该波束覆盖海底区域的参考平距R (a) = sra · cos(a-y )，由水平扫描线与轨迹航向垂直的关系得到水平扫描线角度
[0047] 定义拖体在离散的空间航迹点处经炜度坐标值JCU，则不同波束角度下 海底界面位置的经炜度值(WD1aJD1a),其中正负号代表海底界面位于拖体的左侧或者右 侧。
[0049] 7笛卡尔空间直角坐标系编码:将三维图像体数据变换到笛卡尔空间直角坐标系 中，坐标系原点统一为走航起始截面与左边波束方位角的相交位置，沿着走航方向为X轴正 向，右边波束方位角方向为y轴正向，深度方向为z轴正向。将步骤6中计算出的海底平面的 经炜度值对应到XOY平面坐标值中，并建立图像数据在XOZ平面的Z轴坐标值，最终所有的三 维图像体数据点均具备三维空间坐标位置和灰度值信息，即M(x，y，z)=ff。
[0050] 102)多维匹配及地理编码校准
[0051]选取多测线下重叠区域图像，获取图像显著特征，主要包括两类:一类是图像中包 含有水中或海底的线缆、沟壑、管道等具有连续分布型目标。另一类是包含有水中、海底、地 层中的强反射目标或者长条型规则目标；
[0052]获取图像显著特征在不同图像体数据中的走航-深度二维切片图，根据图像特征， 得到目标在不同切片图中的深度匹配位置zl，z2,并计算出深度维校准值ΔΖ = Ζ1-ζ2。 [0053]获取图像显著特征在不同图像体数据中走航-方位二维切片图，完成目标走航-方 位维位置匹配，图像体数据沿着Z轴方向投影，得到平面直角XOY坐标系，获取目标长轴在平 面直角坐标系的坐标值，建立直线模型y = k · x+b，分别计算出直线表达式y = ki · x+bi和y =k2 · x+b2,折算出角度旋转量Δ QitarT1 · !?-tarT1 · ki。并选取不同的切片图中目标长轴 中间位置点坐标(11，71)，（以，72)，计算出两点之间距离：
连线与X轴的夹角：
得到平移量 在X/Y轴上的投影分量值g= Ad · c〇s〇，h= Ad · sino,根据角度旋转量和平移分量，得到 走航-方位维校准值：
[0055] Δ x = g+X · cos( Δ θ)-γ · sin( Δ θ)
[0056] Δ y = h+X · sin( Δ Θ)+Υ · cos( Δ θ)
[0057]完成对应测线下三维图像体数据在笛卡尔空间直角坐标系中地理编码校准：
[0058] Μ(χ+Δ x，y+Δ y，ζ+Δ z) =ff
[0059] 103)图像体数据拼接融合
[0060] 不同测线下的三维图像数据根据地理编码进行拼接，重叠区域的图像数据采用了 灰度值取大法融合。
[0061] 选取两条测线的三维图像数据，水中存在小球目标，水底有沉重块，三维图像数据 的俯视结果如图3所示。
[0062]每条测线数据经过三维空间位置地理编码后，选取水中小球作为匹配对准的目 标，通过对不同测线下的小球的走航-深度维图像切片分析，进行深度校准，结果如图4所 不。
[0063] 对不同测线下水中小球目标深度维匹配，进行三维空间位置地理编码校准后拼接 如图5所示，蓝色部分为海水，水中黄色目标为小球，海底黄色目标为配重石块，水中小球放 大图中无虚影，沉底目标几何形状规整，目标在走航、方位和深度维位置基本重合。
[0064] 在海上布设掩埋氯气瓶目标，目标直径0.5米，长度2.0米，掩埋深度约1.0米，选取 两条测线以不同航向穿越掩埋目标区，生成的三维图像数据经三维空间位置地理编码后直 接拼接结果如图6所示，目标在深度、方位上均无法重合，目标轮廓特征模糊，不利于目标判 读。
[0065] 选取不同测线的掩埋目标的走航-深度切片图进行深度匹配，选取走航-方位切片 图进行走航-方位维的配准如图7所示，对应的角度Q 1 = -37.65°和02 = -67.55°，角度旋转量 Δ θ = θι-θ2 = 30.1° 〇
[0066] 经过地理编码和多维匹配校准后的三维图像数据的拼接结果如图8所示，目标在 深度和方位维上基本重合，可有效判读出目标的三维轮廓特征。
[0067] 除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形 成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于地理编码和多维校准的三维图像拼接方法，其特征在于：首先通过拖体位 置推算、声纳参数修正进行声纳图像体数据的三维空间位置地理编码，然后对多测线重叠 区域图像选取走航-深度维切片，通过图像特征匹配，获取深度维的平移量;选取走航-方位 维切片，通过目标长轴图像特征计算平移量和角度旋转量，最后通过三维空间位置地理编 码的多维校准，实现多维校准的三维图像拼接。2. 根据权利要求1所述的基于地理编码和多维校准的三维图像拼接方法，其特征在于： 三维空间位置地理编码中，推算声纳拖体位置，修正拖体的轨迹航向角、固定横滚角度、声 速误差，调整声纳图像二维尺度，得到不同测线下三维图像体数据在笛卡尔空间直角坐标 系下的地理编码。
【专利摘要】本发明涉及一种基于地理编码和多维校准的三维图像拼接方法，首先通过拖体位置推算、声纳参数修正进行声纳图像体数据的三维空间位置地理编码，然后对多测线重叠区域图像选取走航-深度维切片，通过图像特征匹配，获取深度维的平移量；选取走航-方位维切片，通过目标长轴图像特征计算平移量和角度旋转量，最后通过三维空间位置地理编码的多维校准，实现多维校准的三维图像拼接。本发明的有益效果为：本发明针对声纳平台生成的、含四维信息(走航位置、方位位置、深度位置、反射强度值)的三维图像体数据拼接处理，创新性提出了一种基于地理编码和多维校准的三维图像拼接方法。
【IPC分类】G06T19/20, G06T7/00, G01S15/89, G01S15/88
【公开号】CN105488852
【申请号】CN201510980826
【发明人】朱必波, 芦俊, 薛欢欢, 丛卫华, 蒋富勤, 汲夏, 傅翔毅
【申请人】中国船舶重工集团公司第七一五研究所
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月23日
【技术领域】
[0001] 本发明属于声纳图像数据后处理技术的范畴，主要是一种基于地理编码和多维校 准的三维图像拼接方法。
【背景技术】
[0002] 图像拼接技术指将数张有重叠部分的图像拼成一幅大型的无缝高分辨率图像的 技术，已广泛存在于遥感、雷达、医学、光学、数字视频等图像处理领域。该技术主要包括图 像配准和图像融合两部分，其中图像配准是图像拼接的核心部分，特指采用一定的匹配策 略，找出待拼接图像中的模板或者特征点在参考图像中对应的位置，进而确定两幅图像之 间的变换关系。配准算法大致可分为基于模型的方法、基于变换域的方法、基于灰度相关的 方法和基于特征的方法。由于图像拼接技术没有标准的测试图像，也没有统一的评价标准， 衡量算法优劣主要依靠人的主观视觉感知。
[0003] 随着声纳信号处理技术和图像处理技术的快速发展，图像声纳产生的图像数据规 模已由二维发展到三维:一类是多波束测深设备，专门用作对海底地形成像，生成伪三维数 据(走航位置X、方位位置Y、高度值H)类型，依然可采用传统二维拼接方式，叠加高度信息后 形成三维地形拼接效果；另外一类为多波束合成孔径三维成像声纳，它运用先进的仿医用 CT技术的声学方法实现水体、海底、地层三维成像，产生了含有四维信息（走航位置X、方位 位置Y、深度位置Z、反射强度值P)的三维图像体数据类型。在处理此类含四维信息的三维图 像体数据时，面临以下二类问题：
[0004] (1)目前国内外已经有较为成熟的伪三维图像数据（即两个二维数据）的拼接方 法，已经成功运用于多波束测深仪图像拼接处理，但是鲜有含四维信息的三维图像体数据 拼接的方法研究。鉴于声学图像与光学、电磁学的图像相比，由于形成机理和使用环境约束 限制，存在着对比度弱，混响噪声多、图像细节匮乏，分辨力较低等特点，引入传统光学、电 磁学图像处理领域的拼接算法直接应用在声学图像拼接中的效果并不理想。
[0005] (2)声纳平台在实际不同航线下，受到海浪、海流、潮汐和拖船走航中的非均匀偏 移等因素的影响，存在上下、纵倾、横摇姿态的自由变化。经过运动补偿信号处理和多参数 修正后能补偿大部分的姿态误差，但是航线的偏移和平台运动误差影响等因素会导致不同 测线下同一目标的图像位置有较大偏差。直接采用空间位置镶嵌叠加，会出现多维图像空 间位置错乱，导致拼接结果错误，视觉效果低劣。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术中存在的问题，而提供一种基于地理编 码和多维校准的三维图像拼接方法。
[0007] 本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种基于地理编码和多维校准的三 维图像拼接方法，首先通过拖体位置推算、声纳参数修正进行声纳图像体数据的三维空间 位置地理编码，然后对多测线重叠区域图像选取走航-深度维切片，通过图像特征匹配，获 取深度维的平移量;选取走航-方位维切片，通过目标长轴图像特征计算平移量和角度旋转 量，最后通过三维空间位置地理编码的多维校准，实现多维校准的三维图像拼接。
[0008] 本
【发明内容】
分为三维空间位置地理编码、多维匹配及地理编码校准、三维图像拼 接三部分，各部分具体说明如下：
[0009] (一)三维空间位置地理编码
[0010] 推算声纳拖体位置，修正拖体的轨迹航向角、固定横滚角度、声速误差，调整声纳 图像二维尺度，得到不同测线下三维图像体数据在笛卡尔空间直角坐标系下的地理编码。
[0011] ①推算声纳拖体位置:母船上配置GPS导航设备，根据母船、拖体之间位置关系，推 算出声纳拖体经炜度位置数据，然后对拖体位置数据进行滤波处理，减小因极少数声纳拖 体位置畸变引入的空间位置定位误差。
[0012] ②推算拖体轨迹航向角：参考大地平面坐标系下，选用拖体在不同的空间航迹点 位置处的经炜度值，求取时间跨度内经、炜度差的反正切三角变换值，得到拖体轨迹航向角 度，减弱因拖体在行驶过程中艏向扰动引入的空间位置定位误差。
[0013] ③补偿拖体固定横滚角度:获取同步记录的传感器横滚输出值，进行统计平均后 得到固定横滚角度值，补偿因拖体固定横滚角度而引入的空间位置定位误差。
[0014] ④修正声速误差:利用声速梯度仪测量后获得作业海域的声速变化值，修正相应 深度的声速值，消除因声场声速误差较大而引入的空间位置定位误差。
[0015] ⑤缩放二维尺度:在三维图像体数据的走航和方位维进行二维尺度缩放处理，使 得走航和方位维图像尺度值一致，祛除因二维尺度不一致引入的空间位置定位误差。
[0016] ⑥海底平面经炜度值:根据声纳拖体位置、拖体轨迹航向角、拖体固定横滚角度、 声速误差、拖体高度、波束角度、海底回波斜距的几何模型，得到三维图像体数据中海底平 面的经炜度值。
[0017] ⑦笛卡尔空间直角地理编码：建立空间直角坐标系，将三维图像体数据的海底平 面的经炜度值配置到对应平面坐标轴，并将深度信息配置到垂直坐标轴中，使得三维图像 体数据具备笛卡尔空间直角地理编码。
[0018] (二)多维匹配及地理编码校准
[0019] 针对多测线重叠区域图像选取走航-深度维切片，通过图像特征匹配，获取深度维 的平移量;选取走航-方位维切片，通过目标长轴图像特征计算平移量和角度旋转量，得到 走航-方位-深度维的校准值，完成三维空间位置地理编码(笛卡尔空间直角地理编码）的多 维校准。
[0020] (三)三维图像拼接
[0021] 根据三维空间位置地理编码，完成对不同测线下的三维图像拼接处理。
[0022] 本发明的有益效果为:本发明针对声纳平台生成的、含四维信息（走航位置、方位 位置、深度位置、反射强度值）的三维图像体数据拼接处理，创新性提出了一种基于地理编 码和多维校准的三维图像拼接方法。
【附图说明】
[0023]图1为基于地理编码和多维校准的三维图像拼接方法流程框图。
[0024]图2为拖体位置数据滤波原理示意图。
[0025] 图3不同测线下相同区域的三维图像数据的俯视结果(水中、水底目标）。
[0026] 图4双测线下的水中小球目标深度维匹配图。
[0027]图5双测线三维图像拼接结果(水中和水底目标）。
[0028]图6未经过多维匹配校准的的三维图像拼接结果(地层掩埋目标）。
[0029] 图7双测线下基于掩埋目标的走航/方位的二维匹配校准后结果。
[0030] 图8经过地理编码和多维匹配校准的三维图像数据拼接结果(地层掩埋目标）。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：
[0032] 本发明所述的这种基于地理编码和多维校准的三维图像拼接方法，具体步骤如 下：
[0033] 101)三维空间位置地理编码
[0034]通过拖体位置推算、声纳参数修正进行声纳图像体数据的三维空间位置地理编 码。
[0035] 1推算声纳拖体位置
[0036]拖体位置数据滤波：依次选取相邻三个航迹点i、i + 1、i+2构成三角形，以i，i+2连 线为底边，计算过i+Ι点与底边相交的垂线方程，以1:2的分割比例求得分割点P的坐标并赋 给航迹点i+1，可在平滑航迹坐标同时较好的保持航迹点之间的距离比例，滤波示意如附图 2所示。将航迹点i、i+1、i+2的经炜度(WD，JD)坐标转化平面直角坐标值，转化公式为：
[0037] Y=WD · 1852，X = JD · cos(WD/60/180 · Jr) · 1852
[0038] 已知i，i+2点的直角坐标值，可以获得直线LI斜截式y = k · x+b和一般式Al · x+ Bl · y+Cl = 0的表达式，斜率为
由于过i+l、P点直线L2与直线Ll相 互垂直，其斜率为 ，同样可以获得直线L2表达式A2 · x+B2 · y+C2 = 0,计算Ll和L2的 交点Q坐标值
，进而根据点i+1和点Q的坐标，采 用分段式定比公式得到点P的坐标值
这里选择λ = 0.5， 获得的P点坐标值赋给航迹点i+1，成为新的坐标值。
[0039] 2推算拖体轨迹航向角:定义(WD，JD)表示为拖体航迹点的炜/经度值，将一定时间 跨度内航迹点经炜度的差值(dy，dx)作反正切变换，得到轨迹航向角度Θ，公式推导如下： [0040] dy= AWD · 1852 = (WDnew-WD0Id) · 1852
[0041 ] dx= Δ JD · 1852 · cos(WD〇id/60/180*3i) = (JDnew-JDoid) · cos(WD〇id/60/180*3i) · 1852
[0042] 轨迹航向角：9=arctan2(abs(dx/dy))
[0043] 3补偿拖体固定横滚角:获取同步记录的传感器输出值，进行统计平均后得到固定 横滚角度值γ。
[0044] 4声速误差:采用声速梯度仪测量获得作业海域的声速变化值，进行修正。
[0045] 5缩放图像二维尺度:在三维图像体数据的走航和方位维进行二维尺度缩放处理， 选用线性插值处理，处理后的三维图像体数据在走航和方位维图像尺度值一致。
[0046] 6海底平面经炜度:将三维图像体数据划分为若干个波束角度下的二维图像数据 的组合。利用声纳拖体位置，不同波束角度α、固定横滚角γ、拖体轨迹航向角Θ和海底界面 回波斜距sra(修正声速误差后），通过波束振幅投影获得该波束覆盖海底区域的参考平距R (a) = sra · cos(a-y )，由水平扫描线与轨迹航向垂直的关系得到水平扫描线角度
[0047] 定义拖体在离散的空间航迹点处经炜度坐标值JCU，则不同波束角度下 海底界面位置的经炜度值(WD1aJD1a),其中正负号代表海底界面位于拖体的左侧或者右 侧。
[0049] 7笛卡尔空间直角坐标系编码:将三维图像体数据变换到笛卡尔空间直角坐标系 中，坐标系原点统一为走航起始截面与左边波束方位角的相交位置，沿着走航方向为X轴正 向，右边波束方位角方向为y轴正向，深度方向为z轴正向。将步骤6中计算出的海底平面的 经炜度值对应到XOY平面坐标值中，并建立图像数据在XOZ平面的Z轴坐标值，最终所有的三 维图像体数据点均具备三维空间坐标位置和灰度值信息，即M(x，y，z)=ff。
[0050] 102)多维匹配及地理编码校准
[0051]选取多测线下重叠区域图像，获取图像显著特征，主要包括两类:一类是图像中包 含有水中或海底的线缆、沟壑、管道等具有连续分布型目标。另一类是包含有水中、海底、地 层中的强反射目标或者长条型规则目标；
[0052]获取图像显著特征在不同图像体数据中的走航-深度二维切片图，根据图像特征， 得到目标在不同切片图中的深度匹配位置zl，z2,并计算出深度维校准值ΔΖ = Ζ1-ζ2。 [0053]获取图像显著特征在不同图像体数据中走航-方位二维切片图，完成目标走航-方 位维位置匹配，图像体数据沿着Z轴方向投影，得到平面直角XOY坐标系，获取目标长轴在平 面直角坐标系的坐标值，建立直线模型y = k · x+b，分别计算出直线表达式y = ki · x+bi和y =k2 · x+b2,折算出角度旋转量Δ QitarT1 · !?-tarT1 · ki。并选取不同的切片图中目标长轴 中间位置点坐标(11，71)，（以，72)，计算出两点之间距离：
连线与X轴的夹角：
得到平移量 在X/Y轴上的投影分量值g= Ad · c〇s〇，h= Ad · sino,根据角度旋转量和平移分量，得到 走航-方位维校准值：
[0055] Δ x = g+X · cos( Δ θ)-γ · sin( Δ θ)
[0056] Δ y = h+X · sin( Δ Θ)+Υ · cos( Δ θ)
[0057]完成对应测线下三维图像体数据在笛卡尔空间直角坐标系中地理编码校准：
[0058] Μ(χ+Δ x，y+Δ y，ζ+Δ z) =ff
[0059] 103)图像体数据拼接融合
[0060] 不同测线下的三维图像数据根据地理编码进行拼接，重叠区域的图像数据采用了 灰度值取大法融合。
[0061] 选取两条测线的三维图像数据，水中存在小球目标，水底有沉重块，三维图像数据 的俯视结果如图3所示。
[0062]每条测线数据经过三维空间位置地理编码后，选取水中小球作为匹配对准的目 标，通过对不同测线下的小球的走航-深度维图像切片分析，进行深度校准，结果如图4所 不。
[0063] 对不同测线下水中小球目标深度维匹配，进行三维空间位置地理编码校准后拼接 如图5所示，蓝色部分为海水，水中黄色目标为小球，海底黄色目标为配重石块，水中小球放 大图中无虚影，沉底目标几何形状规整，目标在走航、方位和深度维位置基本重合。
[0064] 在海上布设掩埋氯气瓶目标，目标直径0.5米，长度2.0米，掩埋深度约1.0米，选取 两条测线以不同航向穿越掩埋目标区，生成的三维图像数据经三维空间位置地理编码后直 接拼接结果如图6所示，目标在深度、方位上均无法重合，目标轮廓特征模糊，不利于目标判 读。
[0065] 选取不同测线的掩埋目标的走航-深度切片图进行深度匹配，选取走航-方位切片 图进行走航-方位维的配准如图7所示，对应的角度Q 1 = -37.65°和02 = -67.55°，角度旋转量 Δ θ = θι-θ2 = 30.1° 〇
[0066] 经过地理编码和多维匹配校准后的三维图像数据的拼接结果如图8所示，目标在 深度和方位维上基本重合，可有效判读出目标的三维轮廓特征。
[0067] 除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形 成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于地理编码和多维校准的三维图像拼接方法，其特征在于：首先通过拖体位 置推算、声纳参数修正进行声纳图像体数据的三维空间位置地理编码，然后对多测线重叠 区域图像选取走航-深度维切片，通过图像特征匹配，获取深度维的平移量;选取走航-方位 维切片，通过目标长轴图像特征计算平移量和角度旋转量，最后通过三维空间位置地理编 码的多维校准，实现多维校准的三维图像拼接。2. 根据权利要求1所述的基于地理编码和多维校准的三维图像拼接方法，其特征在于： 三维空间位置地理编码中，推算声纳拖体位置，修正拖体的轨迹航向角、固定横滚角度、声 速误差，调整声纳图像二维尺度，得到不同测线下三维图像体数据在笛卡尔空间直角坐标 系下的地理编码。
【专利摘要】本发明涉及一种基于地理编码和多维校准的三维图像拼接方法，首先通过拖体位置推算、声纳参数修正进行声纳图像体数据的三维空间位置地理编码，然后对多测线重叠区域图像选取走航-深度维切片，通过图像特征匹配，获取深度维的平移量；选取走航-方位维切片，通过目标长轴图像特征计算平移量和角度旋转量，最后通过三维空间位置地理编码的多维校准，实现多维校准的三维图像拼接。本发明的有益效果为：本发明针对声纳平台生成的、含四维信息(走航位置、方位位置、深度位置、反射强度值)的三维图像体数据拼接处理，创新性提出了一种基于地理编码和多维校准的三维图像拼接方法。
【IPC分类】G06T19/20, G06T7/00, G01S15/89, G01S15/88
【公开号】CN105488852
【申请号】CN201510980826
【发明人】朱必波, 芦俊, 薛欢欢, 丛卫华, 蒋富勤, 汲夏, 傅翔毅
【申请人】中国船舶重工集团公司第七一五研究所
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月23日
最新回复(0)