專利名稱：一種相控陣三維聲學(xué)攝像聲納動(dòng)靜目標(biāo)識(shí)別方法
一種相控陣三維聲學(xué)攝像聲納動(dòng)靜目標(biāo)識(shí)別方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于相控陣三維聲學(xué)攝像聲納技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種相控陣三維聲學(xué)攝像聲 納動(dòng)靜目標(biāo)識(shí)別方法。
背景技術(shù)：
由于聲波在水中傳播相對(duì)容易這一特性，水聲探測(cè)在開發(fā)海洋資源的事業(yè)中得到 了廣泛地應(yīng)用，水聲成像技術(shù)已成為大規(guī)模水下探測(cè)的重要手段。相控陣三維聲學(xué)攝像聲 納是國際上最先進(jìn)的圖象聲納，與目前通用的圖像聲納(如側(cè)掃聲納、多波束聲納)相比具 有圖像清晰、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。三維成像聲納能夠獲得距離、水平、垂直三維空間的目標(biāo)信 息。在相控陣三維聲學(xué)攝像聲納成像基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)靜目標(biāo)識(shí)別，具有分辨率高、實(shí)時(shí)性 高、幀率高等優(yōu)點(diǎn)。在港口實(shí)時(shí)監(jiān)視、自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)以及蛙人水下作業(yè)保護(hù)等方面有廣泛應(yīng) 用價(jià)值。目前的大多數(shù)聲學(xué)攝像聲納動(dòng)靜目標(biāo)識(shí)別方法在實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性以及消除噪聲干 擾上仍然存在一定限制。因此，研究相控陣三維聲學(xué)攝像聲納動(dòng)靜目標(biāo)識(shí)別方法具有重要 的工程實(shí)用價(jià)值和理論指導(dǎo)意義。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種相控陣三維聲學(xué)攝像聲納動(dòng)靜目標(biāo)識(shí)別方法，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確 地進(jìn)行動(dòng)靜目標(biāo)的識(shí)別。
一種相控陣三維聲學(xué)攝像聲納動(dòng)靜目標(biāo)識(shí)別方法，包括以下步驟
(1)目標(biāo)聚類步驟依次遍歷每幀的所有三角面片，并根據(jù)每個(gè)三角面片的三個(gè) 頂點(diǎn)的連接信息進(jìn)行目標(biāo)標(biāo)示，得到每幀圖像中的各個(gè)獨(dú)立目標(biāo)，其中，同一目標(biāo)上的各點(diǎn) 具有連通性，而不同目標(biāo)上的各點(diǎn)不具有連通性；
(2)目標(biāo)特征提取步驟遍歷每幀中每個(gè)目標(biāo)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)聚類后的各個(gè)目標(biāo)進(jìn) 行特征提取，獲得目標(biāo)的特征參數(shù)；所述的目標(biāo)的特征參數(shù)包括總點(diǎn)數(shù)、質(zhì)心坐標(biāo)、在X、 Y、Z三個(gè)軸向上的距離跨度信息、外接立方體的中心坐標(biāo)、以及邊界點(diǎn)總數(shù)；
所述的總點(diǎn)數(shù)為組成每個(gè)目標(biāo)的聲納點(diǎn)的數(shù)量；所述的質(zhì)心坐標(biāo)為在同一世界坐 標(biāo)系下每個(gè)目標(biāo)質(zhì)心的三維坐標(biāo)；所述的χ軸向距離跨度為每個(gè)目標(biāo)在χ軸向上的距離跨 度；所述的Y軸向距離跨度為每個(gè)目標(biāo)在Y軸向上的距離跨度；所述的Z軸向距離跨度為每 個(gè)目標(biāo)在Z軸向上的距離跨度；所述的外接立方體中心坐標(biāo)為在同一世界坐標(biāo)系下每個(gè)目 標(biāo)外接立方體的中心坐標(biāo)；所述的邊界點(diǎn)總數(shù)為每個(gè)目標(biāo)的邊界聲納點(diǎn)的總數(shù)量；
(3)目標(biāo)特征匹配步驟通過特征匹配，識(shí)別相鄰幀中的動(dòng)靜目標(biāo)；
(3. 1)提取相鄰兩幀的重疊區(qū)，后幀中所有處于重疊區(qū)的目標(biāo)組成后幀目標(biāo)集合， 前幀中所有處于重疊區(qū)的目標(biāo)組成前幀目標(biāo)集合；
(3. 2)判斷分屬于后幀目標(biāo)集合和前幀目標(biāo)集合的任意兩個(gè)目標(biāo)是否特征匹配
對(duì)各個(gè)特征參數(shù)進(jìn)行處理計(jì)算前后兩幀總點(diǎn)數(shù)的差值的絕對(duì)值占后幀總點(diǎn)數(shù)的 比值；計(jì)算前后兩幀質(zhì)心坐標(biāo)的距離；計(jì)算前后兩幀X軸向距離跨度的差值的絕對(duì)值占后幀X軸向距離跨度的比值；計(jì)算前后兩幀Y軸向距離跨度的差值的絕對(duì)值占后幀Y軸向距 離跨度的比值；計(jì)算前后兩幀Z軸向距離跨度的差值的絕對(duì)值占Z軸向距離跨度的比值; 計(jì)算前后兩幀外接立方體中心坐標(biāo)的距離；計(jì)算前后兩幀邊界點(diǎn)數(shù)目的差值的絕對(duì)值占后 幀邊界點(diǎn)總數(shù)的比值；
對(duì)處理后的各個(gè)特征參數(shù)賦予一個(gè)合理的權(quán)重值，計(jì)算處理后的各特征參數(shù)與權(quán) 重值乘積的累加和的值；
將得到的累加和的值與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，如小于設(shè)定閾值，則認(rèn)為兩個(gè)目標(biāo)特 征匹配；反之，則兩個(gè)目標(biāo)不是特征匹配；
(3.3)根據(jù)在后幀目標(biāo)集合和前幀目標(biāo)集合中的目標(biāo)的特征匹配的判斷結(jié)果，實(shí) 現(xiàn)動(dòng)靜目標(biāo)的識(shí)別如果后幀目標(biāo)集合中的某個(gè)目標(biāo)能夠在前幀目標(biāo)集合中尋找到特征相 匹配的目標(biāo)，則后幀目標(biāo)集合中的這個(gè)目標(biāo)將被標(biāo)記為靜目標(biāo)，并將與之特征相匹配的目 標(biāo)從前幀目標(biāo)集合中移除，繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)目標(biāo)的識(shí)別；反之，如果后幀目標(biāo)集合中的某個(gè) 目標(biāo)未能在前幀目標(biāo)集合中尋找到特征相匹配的目標(biāo)，則后幀目標(biāo)集合中的這個(gè)目標(biāo)將被 標(biāo)記為動(dòng)目標(biāo)。
本發(fā)明中，目標(biāo)聚類依賴于聲納數(shù)據(jù)單幀重建提供的三角面片連接信息，根據(jù)聲 納數(shù)據(jù)連通性對(duì)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)示。
本發(fā)明中，只對(duì)處于重疊區(qū)內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行動(dòng)靜目標(biāo)識(shí)別。
本發(fā)明中，通過遍歷聲納數(shù)據(jù)點(diǎn)，利用數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的距離連通性對(duì)目標(biāo)進(jìn)行聚類， 得到單幀圖像中的各個(gè)獨(dú)立目標(biāo)；對(duì)聚類后的各個(gè)目標(biāo)進(jìn)行三維特征提取，包括目標(biāo)總點(diǎn) 數(shù)、目標(biāo)質(zhì)心、距離跨度和邊界信息等；對(duì)相鄰兩幀中處于重疊區(qū)域的目標(biāo)進(jìn)行前后幀的特 征匹配，通過合理設(shè)定各個(gè)特征參數(shù)的權(quán)重值，計(jì)算各個(gè)特征參數(shù)與權(quán)重值的累加和，實(shí)現(xiàn) 動(dòng)靜目標(biāo)的有效識(shí)別。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果
利用單幀重建生成的聲納數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的連通性信息進(jìn)行目標(biāo)聚類，避免了聚類過 程中的大量連通性計(jì)算，算法更加高效，更能滿足本方法對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。
目標(biāo)特征匹配采用各特征值相對(duì)運(yùn)算結(jié)果與該特征相應(yīng)權(quán)重值乘積的累加和作 為判定依據(jù)。采用特征參數(shù)的相對(duì)比較結(jié)果，具有較高的適應(yīng)性和準(zhǔn)確性，同時(shí)各特征參數(shù) 在匹配算法中具有不同的權(quán)重，匹配算法更加合理、高效。
該方法簡單，實(shí)時(shí)性強(qiáng)、準(zhǔn)確率高、可擴(kuò)展性強(qiáng)，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行動(dòng)靜目標(biāo)的 識(shí)別，結(jié)構(gòu)簡單、高實(shí)時(shí)、高準(zhǔn)確率、有效地實(shí)現(xiàn)了三維聲納目標(biāo)動(dòng)靜目標(biāo)識(shí)別功能。


圖1為本發(fā)明相控陣三維聲學(xué)攝像聲納動(dòng)靜目標(biāo)識(shí)別方法的流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不僅限于此。
如圖1所示，一種相控陣三維聲學(xué)攝像聲納動(dòng)靜目標(biāo)識(shí)別方法，包括
目標(biāo)聚類步驟100，通過聲納數(shù)據(jù)連通性對(duì)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)示；
目標(biāo)特征提取步驟200，對(duì)聚類后的各個(gè)目標(biāo)進(jìn)行特征提取，從而為后續(xù)的目標(biāo)特征匹配提供特征參數(shù)。
目標(biāo)特征匹配步驟300，通過特征匹配，識(shí)別相鄰幀中的動(dòng)靜目標(biāo)。
其中，目標(biāo)聚類步驟100通過聲納數(shù)據(jù)連通性對(duì)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)示。目標(biāo)聚類依 賴于聲納數(shù)據(jù)單幀重建提供的三角面片連接信息101。目標(biāo)聚類步驟100中，需要建立空 鏈表集合，每個(gè)目標(biāo)都有自己的鏈表，每張鏈表用于維護(hù)屬于該目標(biāo)的所有點(diǎn)。同一目標(biāo)上 的各點(diǎn)具有連通性，而不同目標(biāo)上的各點(diǎn)不具有連通性。依次遍歷每幀的所有三角面片， 對(duì)每個(gè)三角面片的三個(gè)頂點(diǎn)的連接信息進(jìn)行分析，維護(hù)鏈表集合，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)標(biāo)示102，得到 每個(gè)單幀圖像中的各個(gè)獨(dú)立目標(biāo)如果有新目標(biāo)出現(xiàn)，則新建一張鏈表并將點(diǎn)集加入鏈表； 如果多個(gè)目標(biāo)(至多三個(gè))存在連通性，則融合這幾個(gè)目標(biāo)所在的鏈表。
其中，目標(biāo)特征提取步驟200對(duì)聚類后的各個(gè)目標(biāo)進(jìn)行特征提取，以便為后續(xù)的 目標(biāo)特征匹配步驟提供目標(biāo)的特征參數(shù)。通過遍歷各個(gè)目標(biāo)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到每個(gè)目標(biāo)的總 點(diǎn)數(shù)201，每個(gè)目標(biāo)的質(zhì)心坐標(biāo)202和在X、Y、Z三個(gè)軸向上的距離跨度信息(203、204、205) 以及每個(gè)目標(biāo)外接立方體的中心坐標(biāo)206，同時(shí)還獲取每個(gè)目標(biāo)的邊界點(diǎn)總數(shù)207。
上述所述特征參數(shù)的具體提取過程為
1)總點(diǎn)數(shù)201。統(tǒng)計(jì)組成每個(gè)目標(biāo)的聲納點(diǎn)的數(shù)量。
幻質(zhì)心坐標(biāo)202。計(jì)算在同一世界坐標(biāo)系下每個(gè)目標(biāo)質(zhì)心的三維坐標(biāo)。
3)Χ軸向距離跨度203。計(jì)算每個(gè)目標(biāo)在X軸向上的距離跨度。
4)Υ軸向距離跨度204。計(jì)算每個(gè)目標(biāo)在Y軸向上的距離跨度。
5)Ζ軸向距離跨度205。計(jì)算每個(gè)目標(biāo)在Z軸向上的距離跨度。
6)外接立方體中心坐標(biāo)206。計(jì)算在同一世界坐標(biāo)系下每個(gè)目標(biāo)外接立方體的中 心坐標(biāo)。
7)邊界點(diǎn)總數(shù)207。統(tǒng)計(jì)每個(gè)目標(biāo)邊界聲納點(diǎn)的總數(shù)量。
其中，目標(biāo)特征匹配步驟300通過特征匹配，識(shí)別相鄰幀中的動(dòng)靜目標(biāo)。
首先提取相鄰兩幀的重疊區(qū)，后幀中所有處于重疊區(qū)的目標(biāo)組成后幀目標(biāo)集合 302，前幀中所有處于重疊區(qū)的目標(biāo)組成前幀目標(biāo)集合301 ；接下來只對(duì)處于重疊區(qū)內(nèi)的目 標(biāo)進(jìn)行動(dòng)靜目標(biāo)識(shí)別。
然后判斷分屬于后幀目標(biāo)集合302和前幀目標(biāo)集合301的任意兩個(gè)目標(biāo)是否特征 匹配
對(duì)各個(gè)特征參數(shù)進(jìn)行處理計(jì)算前后兩幀總點(diǎn)數(shù)的差值的絕對(duì)值占后幀總點(diǎn)數(shù)的 比值；計(jì)算前后兩幀質(zhì)心坐標(biāo)的距離；計(jì)算前后兩幀X軸向距離跨度的差值的絕對(duì)值占后 幀X軸向距離跨度的比值；計(jì)算前后兩幀Y軸向距離跨度的差值的絕對(duì)值占后幀Y軸向距 離跨度的比值；計(jì)算前后兩幀Z軸向距離跨度的差值的絕對(duì)值占Z軸向距離跨度的比值; 計(jì)算前后兩幀外接立方體中心坐標(biāo)的距離；計(jì)算前后兩幀邊界點(diǎn)數(shù)目的差值的絕對(duì)值占后 幀邊界點(diǎn)總數(shù)的比值；
對(duì)處理后的各個(gè)特征參數(shù)賦予一個(gè)合理的權(quán)重值，計(jì)算處理后的各特征參數(shù)與權(quán) 重值乘積的累加和的值；
將得到的累加和的值與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，如小于設(shè)定閾值，則認(rèn)為兩個(gè)目標(biāo)特 征匹配；反之，則兩個(gè)目標(biāo)不是特征匹配；
最后，根據(jù)在后幀目標(biāo)集合302和前幀目標(biāo)集合301中的目標(biāo)的特征匹配的判斷結(jié)果，實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜目標(biāo)的識(shí)別如果后幀目標(biāo)集合302中的某個(gè)目標(biāo)能夠在前幀目標(biāo)集合301 中尋找到特征相匹配的目標(biāo)，則后幀目標(biāo)集合302中的這個(gè)目標(biāo)將被標(biāo)記為靜目標(biāo)，并將 與之特征相匹配的目標(biāo)從前幀目標(biāo)集合301中移除，繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)目標(biāo)的識(shí)別；反之，如 果后幀目標(biāo)集合302中的某個(gè)目標(biāo)未能在前幀目標(biāo)集合301中尋找到特征相匹配的目標(biāo)， 則后幀目標(biāo)集合302中的這個(gè)目標(biāo)將被標(biāo)記為動(dòng)目標(biāo)。
權(quán)利要求
1. 一種相控陣三維聲學(xué)攝像聲納動(dòng)靜目標(biāo)識(shí)別方法，其特征在于，包括(1)目標(biāo)聚類步驟依次遍歷每幀的所有三角面片，并根據(jù)每個(gè)三角面片的三個(gè)頂點(diǎn) 的連接信息進(jìn)行目標(biāo)標(biāo)示，得到每幀圖像中的各個(gè)獨(dú)立目標(biāo)，其中，同一目標(biāo)上的各點(diǎn)具有 連通性，而不同目標(biāo)上的各點(diǎn)不具有連通性；(2)目標(biāo)特征提取步驟遍歷每幀中每個(gè)目標(biāo)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)聚類后的各個(gè)目標(biāo)進(jìn)行特 征提取，獲得目標(biāo)的特征參數(shù)；所述的目標(biāo)的特征參數(shù)包括總點(diǎn)數(shù)、質(zhì)心坐標(biāo)、在X、Y、Z三 個(gè)軸向上的距離跨度信息、外接立方體的中心坐標(biāo)、以及邊界點(diǎn)總數(shù)；所述的總點(diǎn)數(shù)為組成每個(gè)目標(biāo)的聲納點(diǎn)的數(shù)量；所述的質(zhì)心坐標(biāo)為在同一世界坐標(biāo)系 下每個(gè)目標(biāo)質(zhì)心的三維坐標(biāo)；所述的X軸向距離跨度為每個(gè)目標(biāo)在X軸向上的距離跨度； 所述的Y軸向距離跨度為每個(gè)目標(biāo)在Y軸向上的距離跨度；所述的Z軸向距離跨度為每個(gè) 目標(biāo)在Z軸向上的距離跨度；所述的外接立方體中心坐標(biāo)為在同一世界坐標(biāo)系下每個(gè)目標(biāo) 外接立方體的中心坐標(biāo)；所述的邊界點(diǎn)總數(shù)為每個(gè)目標(biāo)的邊界聲納點(diǎn)的總數(shù)量；(3)目標(biāo)特征匹配步驟通過特征匹配識(shí)別相鄰幀中的動(dòng)靜目標(biāo)，包括(3. 1)提取相鄰兩幀的重疊區(qū)，后幀中所有處于重疊區(qū)的目標(biāo)組成后幀目標(biāo)集合，前幀 中所有處于重疊區(qū)的目標(biāo)組成前幀目標(biāo)集合；(3. 2)判斷分屬于后幀目標(biāo)集合和前幀目標(biāo)集合的任意兩個(gè)目標(biāo)是否特征匹配對(duì)各個(gè)特征參數(shù)進(jìn)行處理計(jì)算前后兩幀總點(diǎn)數(shù)的差值的絕對(duì)值占后幀總點(diǎn)數(shù)的比 值；計(jì)算前后兩幀質(zhì)心坐標(biāo)的距離；計(jì)算前后兩幀X軸向距離跨度的差值的絕對(duì)值占后幀X 軸向距離跨度的比值；計(jì)算前后兩幀Y軸向距離跨度的差值的絕對(duì)值占后幀Y軸向距離跨 度的比值；計(jì)算前后兩幀Z軸向距離跨度的差值的絕對(duì)值占Z軸向距離跨度的比值；計(jì)算 前后兩幀外接立方體中心坐標(biāo)的距離；計(jì)算前后兩幀邊界點(diǎn)數(shù)目的差值的絕對(duì)值占后幀邊 界點(diǎn)總數(shù)的比值；對(duì)處理后的各個(gè)特征參數(shù)賦予一個(gè)合理的權(quán)重值，計(jì)算處理后的各特征參數(shù)與權(quán)重值 乘積的累加和的值；將得到的累加和的值與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，如小于設(shè)定閾值，則認(rèn)為兩個(gè)目標(biāo)特征匹 配；反之，則兩個(gè)目標(biāo)不是特征匹配；(3. 3)根據(jù)在后幀目標(biāo)集合和前幀目標(biāo)集合中的目標(biāo)的特征匹配的判斷結(jié)果，實(shí)現(xiàn)動(dòng) 靜目標(biāo)的識(shí)別如果后幀目標(biāo)集合中的某個(gè)目標(biāo)能夠在前幀目標(biāo)集合中尋找到特征相匹配 的目標(biāo)，則后幀目標(biāo)集合中的這個(gè)目標(biāo)將被標(biāo)記為靜目標(biāo)，并將與之特征相匹配的目標(biāo)從 前幀目標(biāo)集合中移除，繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)目標(biāo)的識(shí)別；反之，如果后幀目標(biāo)集合中的某個(gè)目標(biāo) 未能在前幀目標(biāo)集合中尋找到特征相匹配的目標(biāo)，則后幀目標(biāo)集合中的這個(gè)目標(biāo)將被標(biāo)記 為動(dòng)目標(biāo)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種相控陣三維聲學(xué)攝像聲納動(dòng)靜目標(biāo)識(shí)別方法，包括目標(biāo)聚類步驟、目標(biāo)特征提取步驟和目標(biāo)特征匹配步驟。通過遍歷聲納數(shù)據(jù)點(diǎn)，利用數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的距離連通性對(duì)目標(biāo)進(jìn)行聚類，得到單幀圖像中的各個(gè)獨(dú)立目標(biāo)；對(duì)聚類后的各個(gè)目標(biāo)進(jìn)行三維特征提取，包括目標(biāo)總點(diǎn)數(shù)、目標(biāo)質(zhì)心、距離跨度和邊界信息等；對(duì)相鄰兩幀中處于重疊區(qū)域的目標(biāo)進(jìn)行前后幀的特征匹配，通過合理設(shè)定各個(gè)特征參數(shù)的權(quán)重值，計(jì)算各個(gè)特征參數(shù)與權(quán)重值的累加和，實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜目標(biāo)的有效識(shí)別。該方法布局嚴(yán)謹(jǐn)、高實(shí)時(shí)高精度、準(zhǔn)確率高、可擴(kuò)展性強(qiáng)，有效地實(shí)現(xiàn)了三維聲納目標(biāo)動(dòng)靜目標(biāo)識(shí)別功能。
文檔編號(hào)G06K9/62GK102034112SQ20101059507
公開日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2010年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者周凡, 徐巍軍, 陳耀武 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)