關鍵詞： 側掃聲納；IDL；水柱校正；圖像預處理
我國是海洋大國，對海洋資源的開發(fā)和利用已上升到國家軍事和經濟戰(zhàn)略高度。側掃聲納海底成像系統(tǒng) ( 以下簡稱側掃聲納)以其高精度、高效率、高分辨率、對海底微觀地貌直觀成像等特點，在地質勘探、目標探測、海洋工程等方面的應用越來越廣泛，進而為海洋測繪、海洋工程、海洋開發(fā)、反潛作戰(zhàn)、 水下救援、物理海洋研究等提供第一手數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的最終利用形式就是側掃聲納圖像（Sidescan Sonar Image）。正確快捷地判讀和分析聲納圖像是識別海底地貌、沉船、水雷、海底管線等人工或自然目標的前提。
現(xiàn)在商業(yè)聲納圖像處理軟件價格昂貴，且其分析技術為商業(yè)機密而未能對外公開，因此在使用商業(yè)軟件分析的同時無法了解其圖形繪制的原理,只能完全被動接受其處理結果。目前國內研究人員一般采用VC++結合OpenGL或者Matlab開發(fā)，由于聲納圖像格式的靈活性，實現(xiàn)聲納圖像的分析和處理難度較大,且混合編程也增加其開發(fā)難度。而對于側掃聲納數(shù)據(jù)處理軟件,國內一些單位進行了初步開發(fā),但是并沒有真正商品化的產品。所以,側掃聲納數(shù)據(jù)采集及后期處理軟件在國內仍有很大發(fā)展空間。
交互式數(shù)據(jù)語言IDL(Interactive Data Language)是Research Systems公司(現(xiàn)為ITT Visual Information Solutions公司)推出的致力于科學數(shù)據(jù)的可視化和分析語言，是數(shù)字信號與圖像的高級處理工具，是跨平臺應用開發(fā)的最佳選擇。作為第四代面向對象的可視化數(shù)據(jù)分析語言,IDL具有其他語言無法比擬的優(yōu)點，在現(xiàn)代科學計算和數(shù)據(jù)處理中占有非常重要的地位。目前,該語言成為國內遙感影像醫(yī)學圖像處理領域的熱門語言，但是在聲納圖像處理領域還是空白。本文針對側掃聲納圖像的特點，有效利用IDL語言強大的可視化和高級圖像處理能力，方便快捷地實現(xiàn)側掃聲納圖像可視化、格式轉換、圖像校正和預處理，對國內側掃聲納圖像處理軟件開發(fā)有一定參考價值。
1 開發(fā)語言選取依據(jù)
IDL 是一種面向矩陣、語法簡單的第四代可視化語言,集交互分析、可視化、大型商業(yè)開發(fā)于一體,為用戶提供完善、靈活、有效的開發(fā)環(huán)境。簡言之 ,IDL 語言具備如下顯著特點:快速分析超大規(guī)模數(shù)據(jù)的能力、高級圖像處理能力、交互式二維和三維圖形技術、面向對象的編程方式、OpenGL 硬件圖形加速、集成的數(shù)學分析與統(tǒng)計軟件包、完善的信號分析功能、靈活的數(shù)據(jù)輸入輸出方式、 跨平臺圖形用戶界面工具包以及多種外部程序擴展方式。IDL已成為交互式數(shù)據(jù)分析和可視化的首選工具。
(1)IDL具有快速分析超大規(guī)模數(shù)據(jù)的能力，可以讀寫任意格式或無格式的數(shù)據(jù)，支持多種數(shù)據(jù)類型，可以處理大于2 GB的海量數(shù)據(jù)文件。
(2)IDL可進行交互式的二維及三維數(shù)據(jù)分析。例如利用Windows命令可以設置圖像顯示窗口的個數(shù)、大小和形狀，利用TV或TVSCL命令顯示用戶選擇的圖像。
(3)IDL具有完善的圖像處理軟件包，主要包括圖像的縮放、移動和旋轉、圖像的四則運算、圖像的扭曲、圖像區(qū)域處理ROI和形狀分析、圖像增強、圖像濾波、圖像直方圖、圖像平滑、圖像分割、圖像邊界提取和圖像的形態(tài)學處理(腐蝕、擴張、開和閉)等。用戶可根據(jù)自己的需求對其組合優(yōu)化。
(4)IDL提供“交互”和“編譯”兩種模式(C和FORTRAN 只提供“編譯” 一種模式),IDL可以在任何時候創(chuàng)建和重定義變量的類型、 大小和數(shù)值(C和FORTRAN 只能在執(zhí)行時重定義變量的大小和數(shù)值)等特性，都使得用 IDL 語言編寫程序代碼的效率非常高(通常要比C和FORTRAN語言的效率高80%左右) 。
2 側掃聲納格式及讀取方法
側掃聲納是海底開發(fā)和研究的必備設備，它是一種高分辨率的水下成像工具，因為是距離成像，工作時，換能器距海底高度和系統(tǒng)量程之比可達1:10，最終表現(xiàn)在圖像上時會使目標存在嚴重透視收縮、定點位移等幾何畸變。側掃聲納發(fā)出超聲波束射向海底回收后,每Ping接收的是一條反映海底地質特性的像素序列，每個像素反映的是其對應的聲強值。同時，側掃聲納波束是左右舷側向發(fā)射的,故在中間大約10°范圍內沒有回波，成為盲區(qū)，也叫水柱區(qū)(water column)，對圖像進行預處理時需通過相應算法對其做水柱校正。
不同公司的聲納圖像格式對應的數(shù)據(jù)格式也不盡相同，本文采用被廣泛使用的XTF聲納格式的數(shù)據(jù)，參考Triton Imaging,Inc.的eXtended Triton Format（XTF）Rev.25，該數(shù)據(jù)格式以二進制存儲,具有較強的伸縮性和可擴展性，可保存聲納、航行、遙測、測深等多種類型的信息。每個文件都包括不同的數(shù)據(jù)包，根據(jù)數(shù)據(jù)包的標識信息識別數(shù)據(jù)包的類型,這樣可以只讀取所需要數(shù)據(jù)包。XTF文件開始是XTFFILEHEADER結構，長度最少為1 024 KB(本文處理數(shù)據(jù)一律為1 024 KB), 它包括聲納通道信息和測深通道信息等;后面是不同類型的數(shù)據(jù)包,目前主要有聲納、 測深、 姿態(tài)和注釋四種類型。每個數(shù)據(jù)包都有一個頭結構。數(shù)據(jù)包的位置可以任意, 讀取時依據(jù)頭結構的信息來確定數(shù)據(jù)包的類型。對于通道，每個通道有通道頭結構，后面是通道測量數(shù)據(jù)。XTF格式側掃聲納數(shù)據(jù)結構如圖1所示。
數(shù)據(jù)讀取流程如圖2所示。
IDL讀取XTF格式文件代碼如下：
file =READ_BINARY(sonardata
IF ((file[0] EQ 123) AND (file[1] EQ 254) AND (file[1024] EQ 206) AND(file[1025] EQ 250)) THEN BEGIN
imagedata=READ_BINARY(sonardata,DATA_START
=1 024
ENDIF
datasize=N_ELEMENTS(imagedata)//獲取數(shù)據(jù)區(qū)大小
OPENR,lun, sonardata,/get_lun //打開數(shù)據(jù)區(qū)
POINT_LUN,lun,166L
Channelsnumber=0
READU,lun, Channelsnumber
IF Channelsnumber LT 6 THEN BEGIN
PRINT,Channelsnumber
POINT_LUN,lun,262L
datatype=0
POINT_LUN,lun,264L
shujulie=0UL
READU,lun, shujulie
POINT_LUN,lun,1284L
SlantRange=0.0
READU,lun, SlantRange
POINT_LUN,lun,1034L
NumBytesThisRecord=0ul
READU,lun, NumBytesThisRecord
PRINT,NumBytesThisRecord
datacolumn=NumBytesThisRecord/datatype
…
側掃聲納圖像可視化軟件界面如圖3所示。
IDL語言強大的可視化功能，只需一個TVSCL函數(shù)即可繪出圖形。
3 軟件功能介紹
本軟件能夠實現(xiàn)對側掃聲納XTF格式圖像的讀取和顯示、校正、格式轉換和圖像濾波處理功能。軟件結構如圖4所示。
4 側掃聲納圖像預處理實現(xiàn)
因原始圖像比較灰暗，且未作任何預處理,根據(jù)側掃聲納圖像的應用要求，需要對其做圖像增強、水柱校正和航速校正。利用IDL語言強大的矩陣運算能力，剪切出側掃圖像。首先對側掃圖像直方圖統(tǒng)計包絡曲線，代碼為：
PLOT,HISTOGRAM(equalizedImage), /XSTYLE, /YSTYLE,
$TITLE=′Adaptive Equalized Image Histogram′,
$XTITLE=′Intensity Value′，YTITLE=′Number of Pixels of That Value′
側掃圖像直方圖如圖5所示。
因為IDL中，過程TV（圖像數(shù)組直接轉換為字節(jié)型的值而不做任何調整）和TVSCL（圖像數(shù)組被轉化為線性調整的字節(jié)型數(shù)值）用以顯示圖像。聲納圖像數(shù)組多半為短整型，故需對其做線性調整，從直方圖統(tǒng)計結果可以看出灰度圖像值幾乎全部集中在0~4 000之間，此方法會壓縮少量像元點的信息,所以選擇端點至關重要，本文選取4 000，利用函數(shù)BYTSCL，設置其參數(shù)MAX=4 000,MIN=0即可輕松實現(xiàn)。結果表明,圖像增強效果很好，利于對圖像判讀。之后對側掃圖像做了水柱校正和航速校正,如圖6所示。
最后實現(xiàn)對側掃聲納格式向其他格式（如TIF、 BMP、JPEG）的轉換。分別使用 WRITE_TIFF、WRITE_BMP、WRITE_JPEG函數(shù)即可方便地實現(xiàn)相應格式的轉換,無需編寫大量代碼。為提高圖像信息的利用率,分別對其進行平滑和濾波處理，如圖7所示。對比來看，中值濾波效果更好。
本文首次嘗試利用IDL語言開發(fā)側掃聲納圖像處理軟件，并給出了處理結果。該結果表明IDL非常適合聲納圖像的處理和相應軟件開發(fā),具有如下優(yōu)點：(1)提供方便的圖形用戶界面GUI和人機交互性 ,操作人員可以通過參數(shù)設置和按鈕來交互控制程序運行; (2)便捷的可擴展性,模塊化的程序設計方法便于今后進一步擴展;(3)良好的可移植性,IDL 程序可以運行于 Windows、Unix和 Macintosh 等操作系統(tǒng),也可將程序通過 IDL 虛擬機打包運行。側掃聲納圖像格式各公司都不統(tǒng)一，XTF格式。因其格式靈活性和擴展性受到青睞，使用最為廣泛。但XTF的這些特點對其讀取相對來說很麻煩，在Matlab中存在強制64 bit參與計算的瓶頸。本文實驗結果表明，IDL更加適合聲納圖像處理軟件的開發(fā)，奠定了良好的基礎和展示了廣闊的應用前景，也為國內該領域軟件開發(fā)提供了一定借鑒。
目前本系統(tǒng)還處于開發(fā)探索階段 ,今后將主要圍繞以下兩方面進一步完善系統(tǒng)功能: (1)增加圖像分割、地質分類等實用圖像分析模塊；(2)將系統(tǒng)擴展處理成不同格式的側掃聲納數(shù)據(jù)，進一步優(yōu)化系統(tǒng)和算法設計。
參考文獻
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