一種聲圖直航段數(shù)據(jù)自動提取及鑲嵌的方法?

江澤林　張鵬飛　翟厚曦　劉維　劉紀(jì)元

（中國科學(xué)院聲學(xué)研究所北京100190）

一種聲圖直航段數(shù)據(jù)自動提取及鑲嵌的方法?

江澤林?張鵬飛翟厚曦劉維劉紀(jì)元

（中國科學(xué)院聲學(xué)研究所北京100190）

聲圖鑲嵌是利用成像聲納獲得聲圖進(jìn)行測深、水下地形地貌測繪的重要應(yīng)用方向。常見的成像聲納多要求聲納載體做直線運(yùn)動，而實(shí)際應(yīng)用中載體有大量轉(zhuǎn)彎的情況。為此提出了一種聲圖直航段數(shù)據(jù)自動提取方法，該方法首先利用Douglas-Peucker算法對聲納航跡進(jìn)行抽稀處理，之后利用相鄰抽稀點(diǎn)之間的距離判斷數(shù)據(jù)是否為直航段，最后將直航段圖像提取出來。獲得直航段數(shù)據(jù)后，利用地理信息對聲圖進(jìn)行鑲嵌處理。對千島湖湖底地貌圖像進(jìn)行了處理，獲得了較好的鑲嵌結(jié)果。

聲圖鑲嵌，直航段聲圖，Douglas-Peucker算法

1　引言

聲納是利用水下聲波進(jìn)行目標(biāo)探測和定位的設(shè)備［1］，其中成像聲納是通過主動發(fā)射聲波，利用反射聲波的時延、強(qiáng)度、相位等特性，經(jīng)過信號處理，獲得水深或水底地形地貌的一類聲納。典型的條帶式成像聲納有單波束側(cè)掃聲納、多波束側(cè)掃聲納、多波束測深聲納、測深側(cè)掃聲納、合成孔徑聲納等［2-4］。

成像聲納多要求載體做直線運(yùn)動，這是因?yàn)橐环矫嬖谵D(zhuǎn)彎時聲納的姿態(tài)穩(wěn)定性較差，另一方面許多成像聲納的成像算法要求聲納做直線運(yùn)動。而在實(shí)際航行中，受到水域限制，并且為了多次、多視角地對目標(biāo)進(jìn)行成像，聲納的航跡通常僅在一定時間內(nèi)保持直航，這樣獲得的聲納數(shù)據(jù)是由直航段數(shù)據(jù)和非直航段（如轉(zhuǎn)彎）數(shù)據(jù)間隔相連組成的。而后期應(yīng)用中通常只需要直航段數(shù)據(jù)，由于聲納圖像數(shù)據(jù)量較大，使用人工提取直航段的方法對時間和人力資源消耗較大，為此亟需提出聲納數(shù)據(jù)直航段自動提取的方法。

在聲納圖像的后期應(yīng)用中，聲圖鑲嵌是非常重要的一個方面［5］。通過聲圖鑲嵌技術(shù)，將窄條帶的聲圖鑲嵌形成大范圍水下聲圖，有助于水下地理信息系統(tǒng)的進(jìn)一步構(gòu)建；有利于目標(biāo)定位；有利于湖海底資源勘探、水下工程實(shí)施等［6］。

在上述背景下，本文研究了基于Douglas-Peucker算法的聲納數(shù)據(jù)直航段自動提取方法以及基于地理信息的聲圖鑲嵌方法。在直航段數(shù)據(jù)提取方法中，首先使用Douglas-Peucker算法對航跡線進(jìn)行抽稀處理，相鄰抽稀點(diǎn)之間的距離大于設(shè)定閾值的判斷為直航段，之后利用幀號等輔助信息截取聲圖的直航段數(shù)據(jù)。在聲圖鑲嵌中，基于聲納載體或拖曳平臺的絕對地理位置信息（如GPS），利用載體或平臺與聲納本身的相對位置關(guān)系，推算得到直航段圖像關(guān)鍵點(diǎn)的絕對位置坐標(biāo)，例如四個頂點(diǎn)的位置，最后利用這些坐標(biāo)將聲圖鑲嵌在地球模型上。利用成像聲納中典型的合成孔徑聲納的實(shí)際圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證提出方法的可行性。

2　直航段數(shù)據(jù)自動提取方法

2.1Douglas-Peucker算法基本原理

Douglas-Peucker算法是一種抽稀算法［7］。抽稀的含義是在數(shù)字化過程中，需要對曲線進(jìn)行采樣簡化，即在曲線上取有限個點(diǎn)，將其變?yōu)檎劬€，并且能夠在一定程度上保持原有的形狀。

Douglas-Peucker算法利用遞歸（迭代）的思想，以一段曲線的抽稀為例，其基本步驟如下：

（1）將曲線的首尾兩點(diǎn)連成直線，判斷曲線上各點(diǎn)到直線的距離；

（2）如果最大距離不大于閾值，則用首尾兩點(diǎn)來代替曲線；

（3）如果最大距離大于閾值，則利用最大距離對應(yīng)的曲線點(diǎn)將曲線分為兩段，對每段曲線繼續(xù)使用上述判斷方法。

如圖1所示，利用Douglas-Peucker算法將曲線AB進(jìn)行抽稀后，得到了6個抽稀點(diǎn)，即可以用折線ADCEFB來取代曲線AB。

圖1　Douglas-Peucker算法示意圖Fig.1Simplifying a curve with the Douglas-Peucker algorithm

2.2數(shù)據(jù)直航段提取基本流程

在研究了Douglas-Peucker算法的基礎(chǔ)上，針對成像聲納的工作特點(diǎn)，如圖2提出聲圖數(shù)據(jù)直航段提取的基本處理流程如下：

（1）設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)。系統(tǒng)的參數(shù)主要包括以下內(nèi)容：

a.Douglas-Peucker算法中使用到的抽稀距離閾值Dth，即判斷兩點(diǎn)間曲線上到連接兩點(diǎn)的直線距離最大的點(diǎn)與該閾值的關(guān)系，如果大于該閾值，則對該曲線進(jìn)一步處理，否則視為該曲線可以近似為直線，由兩端點(diǎn)來表示。

b.直航段距離閾值Dth_Azimuth，即判斷相鄰兩個抽稀點(diǎn)之間的距離是否超過該閾值，如果超過，則認(rèn)為該段為直航，否則認(rèn)為是非直航。

（2）提取數(shù)據(jù)的航跡位置信息和幀號等輔助信息

通常在聲納載體上安裝有定位設(shè)備，聲納數(shù)據(jù)文件中除了回波數(shù)據(jù)或圖像數(shù)據(jù)外，還附加有航跡位置信息，以方便后期應(yīng)用中的使用。較典型的航跡位置信息是GPS信息。

（3）利用Douglas-Peucker算法對航跡點(diǎn)進(jìn)行抽稀處理

傳統(tǒng)Douglas-Peucker算法在實(shí)現(xiàn)時使用遞歸迭代實(shí)現(xiàn)，這種實(shí)現(xiàn)方法雖然可讀性較好，但效率較低，對內(nèi)存有較高要求，尤其當(dāng)航跡線較長、轉(zhuǎn)彎較多時，遞歸調(diào)用的層數(shù)太大。本文研究了利用堆棧實(shí)現(xiàn)Douglas-Peucker算法的方法，見本文第2.4節(jié)。

圖2　聲納數(shù)據(jù)直航段提取基本步驟Fig.2Extracting flow of straight track sonar images

（4）判斷相鄰抽稀點(diǎn)的距離是否超過設(shè)定的直航段閾值，選擇超過閾值的航跡點(diǎn)對

設(shè)抽稀點(diǎn)集Q包含M個航跡點(diǎn)，依次判斷相鄰抽稀點(diǎn)對Qi和Qi+1（i=1，2，···，M-1）之間的實(shí)際距離DQi，Qi+1，如果DQi，Qi+1和設(shè)定閾值之間滿足式（1），則認(rèn)為Qi和Qi+1之間的航跡為直航，其數(shù)據(jù)可以被抽取出來進(jìn)行處理。

否則認(rèn)為Qi和Qi+1之間的距離過小，數(shù)據(jù)量不足以進(jìn)行直航處理，該段數(shù)據(jù)可以被忽略。直航段起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)構(gòu)成直航段端點(diǎn)集T，滿足式（2）。

（5）根據(jù)航跡點(diǎn)對的幀號等輔助信息，相應(yīng)地從數(shù)據(jù)中提取直航段數(shù)據(jù)

根據(jù)直航段端點(diǎn)集T，獲得端點(diǎn)對應(yīng)的幀號等輔助信息，根據(jù)幀號等信息從數(shù)據(jù)中提取直航段數(shù)據(jù)。

2.3抽稀距離閾值和直航段距離閾值設(shè)置方法

對于聲納數(shù)據(jù)，上述算法中使用的抽稀距離閾值Dth和直航段距離閾值Dth_Azimuth的設(shè)置主要考慮聲納成像原理、位置信息的精度等。以合成孔徑聲納為例進(jìn)行說明。

首先查看直航段距離閾值Dth_Azimuth的設(shè)置。合成孔徑聲納成像原理表明，完整獲得一行圖像需要聲納在方位向上的直航段長度達(dá)到一個合成孔徑長度dsyn。

其中λ為聲波波長，D為基陣孔徑，Rmax為最大探測距離。

理論上設(shè)置Dth_Azimuth為dsyn即可，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于設(shè)置了抽稀距離閾值Dth，且當(dāng)拖纜入水長度較長、拖體重量較重，對轉(zhuǎn)彎半徑要求較高時，轉(zhuǎn)彎時較大的轉(zhuǎn)彎半徑會產(chǎn)生一些短距離的符合直航條件的數(shù)據(jù)，但由于其航距太短，圖像數(shù)據(jù)的實(shí)際意義并不大，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)將其剔除。為此設(shè)置Dth_Azimuth可更大，即

ρ1為閾值包含的合成孔徑數(shù)量的因子，一般可取5—10。

其次查看抽稀距離閾值Dth的設(shè)置。合成孔徑聲納為相干成像，相鄰幀數(shù)據(jù)的相關(guān)性對成像質(zhì)量有較大的影響，在不進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償處理的前提下，相鄰兩幀數(shù)據(jù)的運(yùn)動誤差大于八分之一波長時，成像結(jié)果就會產(chǎn)生明顯的模糊［8］。以最差情形查看，即在一段截取的直航段中，前二分之一行程的運(yùn)動誤差為正向累積，后二分之一行程的運(yùn)動誤差為反向累積。如圖3所示，實(shí)際航跡為ACB，抽稀處理后以直線段AB替代。

其中到直線段AB最遠(yuǎn)的航跡點(diǎn)C的距離應(yīng)為成像原理限制下的抽稀距離閾值Dth1，有下列關(guān)系

其中l(wèi)為直航段長度，v為聲納運(yùn)動速度，tprt為脈沖發(fā)射間隔，λ為聲波波長。l進(jìn)行進(jìn)一步替換

其中dsyn為合成孔徑長度，ρ2為可調(diào)系數(shù)，使抽稀距離閾值Dth與直航段距離閾值Dth_Azimuth聯(lián)系起來。

圖3　聲納包含運(yùn)動誤差的運(yùn)動軌跡和抽稀處理示意圖Fig.3 Sonar track with additional motion errors and its simplifying

此外抽稀距離閾值的設(shè)置還受到位置信息的精度影響，聲納位置信息的獲取有幾種方式。對于拖曳式聲納，即有兩種方式，一種是利用水聲定位系統(tǒng)（如超短基線定位系統(tǒng)）實(shí)時獲取拖體相對于母船的位置，利用母船的位置計(jì)算拖體的絕對位置信息；另一種由于拖體空間較小或者考慮成本因素，僅在母船上安裝導(dǎo)航定位設(shè)備（如GPS），利用航向、拖纜入水長度和拖體深度推算拖體相對母船的位置，再利用母船的位置計(jì)算拖體的絕對位置。相對來說，由于拖纜入水長度、水中形態(tài)的難以檢測，以及受到水流影響，拖纜的指向與母船的航向并不總能保持一致的影響，利用拖纜長度推算拖體位置的精度較低。對于以水下無人航行器（UUV）為載體平臺的成像聲納，由于應(yīng)具有自主導(dǎo)航特性，UUV本身通常要配備高精度的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial navigation system，INS），用以實(shí)時計(jì)算UUV的位置信息。UUV慣導(dǎo)系統(tǒng)的一個特點(diǎn)是會產(chǎn)生累積誤差，因此長時間累積后絕對位置偏差較大。

精度可用誤差的概率密度來表征，此時精度為σpos的函數(shù)。即由位置信息的精度決定的抽稀距離閾值Dth2為在一些定位產(chǎn)品的介紹中，通常使用1倍標(biāo)準(zhǔn)差來表征位置精度。此時

在實(shí)際應(yīng)用中，由于定位設(shè)備理論精度的獲取比較困難，因此可直接利用定位設(shè)備產(chǎn)品的標(biāo)稱精度來參與抽稀距離閾值的計(jì)算。

綜上所述，針對合成孔徑聲納總的抽稀閾值為

2.4Douglas-Peucker算法的堆棧實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)Douglas-Peucker算法在實(shí)現(xiàn)時具有效率較低，對內(nèi)存要求較高的特點(diǎn)，當(dāng)航跡線較長、轉(zhuǎn)彎較多時，這種特點(diǎn)對實(shí)現(xiàn)可行性要求更高。為此本文研究了利用堆棧實(shí)現(xiàn)的方法。與遞歸實(shí)現(xiàn)相比，可以提高效率、節(jié)省計(jì)算時間和消耗的空間。該方法主要步驟如下所述。

（1）初始化。初始化的內(nèi)容包括：設(shè)定抽稀閾值Dth；開辟向量空間P，依次存儲航跡點(diǎn)的位置信息；開辟兩個堆棧A和B，用來存放關(guān)鍵航跡點(diǎn)的點(diǎn)序號。在A中壓入元素1，B中壓入元素N（設(shè)航跡點(diǎn)的數(shù)量為N），分別表示第一個航跡點(diǎn)P1和最后一個航跡點(diǎn)PN的序號，如圖4（a）所示。

（2）從堆棧A中讀取棧頂元素i，并獲取航跡點(diǎn)Pi的位置信息；從堆棧B中讀取棧頂元素j，并獲取航跡點(diǎn)Pj的位置信息，如圖4（b）所示。

（3）計(jì)算航跡向量P中Pi到Pj之間各點(diǎn)到直線PiPj的距離，并獲取其中的最大值Dk，設(shè)對應(yīng)距離最大值的航跡點(diǎn)為Pk。

（4）比較Dk與抽稀閾值Dth大小。如果Dk≥Dth，認(rèn)為Pi和Pj之間的曲線段不能近似為直線，此時將航跡點(diǎn)Pk的點(diǎn)序號k壓入堆棧B中，同時堆棧B的棧頂指針加1，如圖3（c）所示；如果Dk＜Dth，認(rèn)為Pi和Pj之間的曲線段可以近似為直線，將j從堆棧B中刪除，并壓入堆棧A中，同時堆棧A的棧頂指針加1，堆棧B的棧頂指針減1，如圖4（d）所示。

（5）重復(fù)執(zhí)行上述第（2）至第（4）步驟，直到堆棧B為空。

（6）依序根據(jù)堆棧A中的元素，找到相應(yīng)的航跡點(diǎn)組成點(diǎn)集，就是最終的抽稀點(diǎn)集，設(shè)為航跡點(diǎn)向量Q，顯然Q為P的子集。

圖4　Douglas-Peucker算法的堆棧實(shí)現(xiàn)示意圖Fig.4 Realization of Douglas-Peucker algorithm based on stack

3　利用地理信息的聲圖鑲嵌方法

3.1聲納位置推算

對于AUV和船載聲納，在對定位精度要求不高的條件下，可認(rèn)為載體的位置就是聲納的位置。

對于拖曳式聲納，當(dāng)獲得的位置信息是母船位置信息時，由于拖纜較長，不能將母船位置與聲納位置等同。此時需要根據(jù)拖纜長度、聲納深度、航向信息推算聲納位置，如圖5所示。

圖5　聲納拖曳示意圖Fig.5 Geometry of sonar towed fish

設(shè)拖纜長度為l，聲納深度為d，母船航向角為θ（以正北為0°，取值范圍為0°—360°），UTM坐標(biāo)（Universal transverse mercator system，通用橫墨卡托地理坐標(biāo)系）下的母船位置為（x0，y0），則根據(jù)幾何關(guān)系可以求■得拖體的位置為

3.2聲圖任意點(diǎn)位置計(jì)算

獲得聲納位置信息后，可計(jì)算圖像上各點(diǎn)的位置。設(shè)待求像素點(diǎn)的UTM位置為（x，y），相應(yīng)時刻聲納的UTM坐標(biāo)為（x1，y1），該點(diǎn)所在圖像位置距離圖像內(nèi)側(cè)邊緣有N個像素點(diǎn)，距離成像分辨率為δr，距離向采樣最小距離為xmin，如圖6所示。

圖6　目標(biāo)位置與聲納位置關(guān)系示意圖Fig.6 Geometry for the positions of target and sonar

則利用平面幾何關(guān)系可得到待求像素點(diǎn)的位置為［6］

獲得待求點(diǎn)的UTM坐標(biāo)后，再將其轉(zhuǎn)換至經(jīng)緯度坐標(biāo)系，即得到其位置信息。針對直航圖像，可只計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，即圖像四個頂點(diǎn)的坐標(biāo)。獲得這些坐標(biāo)后，可將圖像鑲嵌在地球模型中。

4　實(shí)際數(shù)據(jù)處理

合成孔徑聲納是一種典型的成像聲納，本節(jié)對實(shí)際的合成孔徑聲納圖像應(yīng)用上述方法。項(xiàng)目組在浙江省千島湖進(jìn)行了合成孔徑聲納湖試試驗(yàn)，獲得了豐富的數(shù)據(jù)，對某一航次的數(shù)據(jù)應(yīng)用了本文提出的直航段自動提取及聲圖鑲嵌方法。獲得的航跡抽稀點(diǎn)與原始航跡的關(guān)系如圖7所示，其中原航跡線上位置信息點(diǎn)的數(shù)據(jù)量為22072點(diǎn)，抽稀后僅為208點(diǎn)。從圖中可以看出，在直航段抽稀點(diǎn)分布稀疏，在聲納平臺轉(zhuǎn)彎的地方抽稀點(diǎn)分布密集。判斷相鄰抽稀點(diǎn)的距離是否大于閾值，可以將直航段數(shù)據(jù)提取出來。

圖7　航跡抽稀處理實(shí)例Fig.7 Example of reducing the number of points on a real track

獲得直航段數(shù)據(jù)后，根據(jù)聲納位置信息計(jì)算各直航段圖像四個頂點(diǎn)的地理位置，最后將多幅聲圖鑲嵌在地球模型中，結(jié)果如圖8所示，其尺度約為1400 m×1400 m。千島湖是1959年在新安江馬銅官峽筑壩興建水電站而形成的人工湖，淹沒的淳安縣城及其周邊古村落歷史悠久，因此千島湖湖底地貌非常豐富。從圖8可以看出，鑲嵌結(jié)果中有兩個明顯的特點(diǎn)，一是其西北角有大量民居遺跡，二是東側(cè)和西側(cè)有兩條河流遺跡。

圖8　千島湖地貌鑲嵌實(shí)例Fig.8 Mosaicked result of the physiognomy images of the Qiandao Lake bed

根據(jù)聲圖鑲嵌結(jié)果中的GPS位置信息，在筑壩建湖前的淳安縣老地圖上進(jìn)行標(biāo)定，獲取鑲嵌圖像在老地圖上的大致位置，如圖9所示。標(biāo)示區(qū)域中的一條河流分為兩支，并且該區(qū)域位于淳安縣城東南近郊，與鑲嵌結(jié)果的兩個特點(diǎn)相吻合。

圖9　1959年前淳安縣地圖局部Fig.9 Part of the Chun'an county map before 1959

5　結(jié)論

本文提出了聲納數(shù)據(jù)直航段自動提取及利用地理信息的聲圖鑲嵌方法。在聲納數(shù)據(jù)直航段自動提取階段，利用Douglas-Peucker算法對航跡點(diǎn)進(jìn)行抽稀處理，利用抽稀點(diǎn)之間的距離判斷直航段并自動提取。在實(shí)現(xiàn)上，利用堆棧的方法改進(jìn)了原理算法中的遞歸方法，提高了實(shí)現(xiàn)的效率。在聲圖鑲嵌階段，利用聲圖的地理信息進(jìn)行鑲嵌。對實(shí)際的千島湖湖試數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，獲得了湖底地貌的鑲嵌結(jié)果，驗(yàn)證了方法的有效性。

［1］BJ?RN? L.Developments in sonar and array technologies［C］.2011 IEEE Symposium on Underwater Technology and Workshop on Scientific Use of Submarine Cables and Related Technologies，Tokyo，Japan，2011：1-11.

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A straight track sonar images auto-extracting and mosaicking method

JIANG ZelinZHANG PengfeiZHAI HouxiLIU WeiLIU Jiyuan
（Institute of Acoustics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

Sonar image mosaicking is an essential application in the underwater oceanographic survey.Usually imaging sonars assume that the platform traverses a perfectly straight track.However this is the seldom case since the sonar platforms often swerve for planned or unplanned reasons.Thus a method automatically extracting the sonar image segments whose tracks are straight is proposed.For a sonar track consisting of all the sonar positioning points，the Douglas-Peucker algorithm is applied to get a much smaller subset of points that could define the sonar track approximately.Then if the distance between two adjacent points in the subset is longer than a threshold，the relevant image is extracted as a straight segment.Finally the straight segments are mosaicked on an earth model based on their geographic positions.For validation the method is applied to segment and mosaic the real sonar images in the Qiandao Lake trial.Results show the affectivity of the proposed method.

Sonar image mosaic，Straight track sonar images，Douglas-Peucker algorithm

TB566

A

1000-310X（2015）04-0333-06

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.04.007

2014-08-13收稿；2014-12-29定稿

?國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11204343），中國科學(xué)院聲學(xué)研究所青年人才領(lǐng)域前沿項(xiàng)目（Y454311211），哈爾濱工程大學(xué)水下機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目（9140C27020112022601）

江澤林（1985-），男，山西黎城人，助理研究員，博士，研究方向：水聲信號處理，水聲圖像處理。

E-mail：jzl@mail.ioa.ac.cn