三維成像聲納顯控軟件系統設計

劉 娜，肖雅靜

(1.中電科海洋信息技術研究院有限公司，北京100043；2.中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

三維成像聲納顯控軟件系統設計

劉 娜1，肖雅靜2

(1.中電科海洋信息技術研究院有限公司，北京100043；2.中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

基于三維成像聲納系統的應用需求，設計了三維成像聲納的顯控軟件系統，并介紹了相應軟件模塊的設計方法，從而為三維成像聲納的顯示控制系統提供一種有效的參考。

三維成像聲納；點云數據；實時顯示

高分辨三維成像聲納，可以對水下目標實現三維實時成像，為水下目標的感知提供了直接有效的手段。目前，國內外市場上成像聲納主要以二維成像為主，三維成像聲納技術只被國外個別廠家所掌握，國內市場上尚未有工程化、實用化的三維成像聲納。因此，開展三維成像聲納實驗樣機研制，掌握其關鍵技術，為后續產品化、系列化做技術準備有著現實意義。本系統研制的水下三維成像聲納顯控軟件作為三維成像聲納的人機交互界面，它的成功研制保證整機系統的有效控制與實時顯示。

1 系統設計

1.1 設計目標

水下三維成像聲納顯控軟件主要是用來實時地控制和顯示三維成像聲納數據。它可以用來配置三維聲納的參數、顯示2D和3D的點云數據。并且，需要通過各種方法對數據進行濾波、分割和重構等處理。該軟件具備保存聲納數據的能力，可以對保存數據進行回放，并且回放時對數據的處理能力與實時采集基本相同。綜上所述，軟件系統的設計目標包括：完成三維聲納的參數配置，完成三維聲納系統的反饋，完成三維點云數據的顯示。

1.2 系統結構組成

水下三維成像聲納顯控軟件的系統架構主要包括數據層、傳輸層、應用層。其中數據層主要包括聲納的控制數據、聲納的轉態數據以及完成數據處理實時的三維聲納點云數據。傳輸層通過TCP/IP協議完成上述數據與下位機系統數據的交互。應用層是通過C#編程實現，該語言是Microsof t.NET運行庫為基礎的一種編程語言，C#的語法結合VC和C++的共同優點，它更加簡潔，調試更加容易，且應用程序開發更加快速。C#和OpenGL結合起來開發3D應用程序和軟件，將顯著提高開發效率。

根據系統的設計需求及應用，軟件系統的主要模塊劃分如下：

（1）控制模塊。設備控制包括初始化設置、聲納位置信息設置、頻率選擇、測量范圍選擇、門限選擇；

（2）狀態監控模塊。硬件設備監測（電源板、發射板、接收板的狀態監測），當前參數的設置情況；

（3）顯示模塊。實時的三維聲納點云數據拼圖；

（4）數據存儲及回放。參數、點云數據的存儲及回放。

1.3 主要性能要求：

由于三維聲納系統的數據量較大，實時性要求也較高，根據其功能及使用要求，其主要的性能指標為：

（1）實時性。實時數據庫支持秒級數據采集、更新；

（2）大規模。服務器支持600 Mbps傳輸速度，15 min約為500 G存儲量；

（3）高性能。每秒20萬點實時數據更新；

（4）可靠性。雙機熱備，7×24穩定運行；

（5）壓縮比。數據壓縮率大于50∶1；

（6）檢索率。檢索歷史數據達到每秒5萬條；

（7）安全性。支持單向隔離網閘的鏡像服務和數據采集接口；

（8）擴展性?；诮M件開發、支持腳本語言，實現靈活配置。

2 顯控界面的設計

本軟件系統主要采用C#進行編程設計，利用C#的常用控件TextBox（文本框）控件、Button（按鈕）控件、ListBox（列表框）控件OpenFileDialog（打開文件對話框）控件、SaveFileDialog（保存文件對話框）控件等實現命令及狀態的交互，利用Socket模塊實現Client（客戶端）實現數據的交互，利用OpenGL實現三維點云數據的顯示。

C#是基于C語言和Microsfot.NET平臺開發的。它使得程序員可以快速地編寫各種基于Microsoft.NET平臺的應用程序，Microsoft.NET提供了一系列的工具和服務來最大程度地開發利用計算與通訊領域。正是由于C#面向對象的卓越設計，使它成為構建各類組件的理想之選——無論是高級的商業對象還是系統級的應用程序。使用簡單的C#語言結構，利用現有組件可完全實現三維聲納的控制。

本文是基于C#利用OpenGL圖形庫編輯設計了三維聲納的實時顯示和控制軟件，提高了顯示速度，簡化了程序，加快了開發進度。OpenGL（Open Graphics Library）是指定義了一個跨編程語言、跨平臺的編程接口規格的專業圖形程序接口。它用于三維圖像，是一個功能強大，調用方便的底層圖形庫。軟件通過調用OpenGL圖形庫可方便、快捷地實現點云的旋轉、平移、縮放、排序、重新采樣及構造曲線等復雜的點云處理功能，減少了程序代碼長度，提高了編程和執行效率。

3 測試與應用結果

本軟件以VS2012作為平臺，利用OpenGL編程，開發控制程序、通信程序及圖像處理軟件(包括圖像處理模塊和點云處理模塊)。如圖1所示，軟件的左上角是對聲納系統的是設計，其中包括初始化、啟動、停止、工作模式等參數設計；左下角為聲納系統的反饋狀態，包括聲納是否正常工作、目前參數設置情況等信息；在軟件中可以設置所需要連接的服務端IP地址及端口號，并且當通信時顯示紅色，空閑時顯示綠色。

本軟件對點云數據的顯示包括實時及數據回放。三維點云處理模塊將這些數據通過實時或者文件讀入顯示，還可進行旋轉、平移、縮放、稀釋、分組、排序、重新采樣、曲線重構等操作，從而獲得理想的三維點云圖像。

圖1 三維成像聲納顯控軟件

4 結 語

水下三維成像聲納顯控軟件主要是用來實時地控制和顯示三維成像聲納數據。它可以用來配置三維聲納的參數、3D的點云數據。該軟件具備保存聲納數據的能力，可以對保存數據進行回放，并且回放時對數據的處理能力與實時采集基本相同。

[1] [美]Benjamin Perkins.C#入門經典[M].7版.北京：清華大學出版社，2015.

[2] [美]Dave Shreiner，Graham Sellers，John Kessenich等. OpenGL編程指南[M].8版.北京：機械工業出版社，2014.

[3] 田坦.聲吶技術[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2010.

Design of Display and Control Software System for 3D Imaging Sonar

LIU Na1，XIAO Yajing2
(1.CETC Ocean Co，.Ltd.，Beijing 100043，China；2.The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China)

This paper introduce a display and control software system based on the application of 3D imaging sonar system，you could find the methods for software module 3D imaging sonar，so it provides an effective reference for the display control system of 3D imaging sonar.

3D Imaging sonar；Point cloud data；Real-time display

TN26

B

1004-4507(2017)02-0052-03

2017-02-13

劉娜（1984--），女，內蒙古鄂爾多斯人，工程師，工學碩士，目前從事水下觀測系統研究與設計。

肖雅靜（1982--），女，河北大城人，工程師，工學碩士，目前從事人力資源管理。