基于圖像聲納的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)軌跡合成與定位

1、基于圖像聲納的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)軌跡合成卞紅雨 羅明愿（哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院，哈爾濱 150001）摘要： 摘要：基于序列圖像的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)軌跡合成在水下探測(cè)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。本文研究的是通過(guò)圖像處理的方法利用水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的連續(xù)聲圖像合成目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。為了在增強(qiáng)目標(biāo)區(qū)域的同時(shí)更好地抑制噪聲干擾，對(duì)灰度形態(tài)學(xué)進(jìn)行了改進(jìn)，取得了較好效果。關(guān)鍵詞： 關(guān)鍵詞：軌跡合成，圖像去噪。1 引言圖像聲納可以獲得水下目標(biāo)及環(huán)境的聲圖像，近年來(lái)被越來(lái)越多的應(yīng)

2、用于海洋探測(cè)中需要精細(xì)探測(cè)的場(chǎng)合。為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的自主探測(cè)，要利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)聲納圖像進(jìn)行處理。然而由于傳輸介質(zhì)的特性以及水下環(huán)境的復(fù)雜性，聲圖像中目標(biāo)常常只表現(xiàn)為很少的幾個(gè)像素，并伴隨有大面積的、亮度很強(qiáng)的噪聲區(qū)域，這給目標(biāo)的自主探測(cè)帶來(lái)困難。本文利用運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的序列聲圖像，按照降噪處理——軌跡合成——后續(xù)降噪處理的思路，實(shí)現(xiàn)軌跡合成，并可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位。在降噪處理中，對(duì)灰度形態(tài)學(xué)進(jìn)行了改進(jìn)，更好地濾除噪聲、增強(qiáng)目標(biāo)區(qū)域。2 本

3、文所處理的聲圖像的特點(diǎn)本文的研究對(duì)象是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的序列多波束前視聲納圖像，如圖 1 所示。目的是盡可能的抑制掉背景噪聲，獲得直觀顯示的目標(biāo)合成軌跡。該合成軌跡可用于目標(biāo)定位。在每一幀圖像中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)只是很小的區(qū)域，亮度也不高，包含的信息量很少；同時(shí)由于水下環(huán)境的復(fù)雜性，混響與噪聲的干擾使圖像中噪聲區(qū)域的面積比目標(biāo)區(qū)域要大得多，同時(shí)亮度值也較目標(biāo)亮度為高。在圖像序列中，不僅僅只有目標(biāo)在動(dòng)，背景噪聲也在慢變，這更增加了處理的的難度?？偨Y(jié)水聲序列

4、圖像的特點(diǎn)如下：(1) 目標(biāo)信號(hào)的區(qū)域小，亮度值低，且目標(biāo)區(qū)域亮點(diǎn)與暗點(diǎn)不均勻。(2) 背景噪聲的區(qū)域大，亮度值高，且慢變（即噪聲的區(qū)域面積的大小和位置在發(fā)生變化）。(3) 水下環(huán)境的復(fù)雜性，導(dǎo)致圖像中的隨機(jī)噪聲亮點(diǎn)多。(4) 圖像的整體均值小。針對(duì)水聲序列圖像的以上特點(diǎn)，作者采用下面的思路來(lái)合成水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的軌跡：在序列圖像每一幀中目標(biāo)的位置在發(fā)生著相對(duì)變化，即可以直接將序列圖像進(jìn)行累加，來(lái)顯現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的軌跡；為了盡可能地抑制噪聲，要

5、進(jìn)行兩次降噪處理。3 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)軌跡合成運(yùn)動(dòng)目標(biāo)軌跡合成的流程為：（1）圖像的預(yù)處理，主要目的是盡可能的濾掉隨機(jī)噪聲干擾，同時(shí)還要使目標(biāo)區(qū)域的像素值綜上考慮得到了下面的改進(jìn)的灰度形態(tài)學(xué)處理方法： ? ?? ? ? ? ?? ? ??? ? ?else Sk D k MmSy x gxyGSxyGxySxy, min, max) , ( 1 0? 且 如果上式中， 是鄰域均值， 是鄰域方差， sxy m 2 Sxy ? G M和 分別是全局

6、均值和方差。針對(duì)本文所處理的 G D圖像，選取 、 。 2 0 ? k 1 1 ? k圖 1（a）為圖像序列中的一幀原始圖像，圖1（b）為經(jīng)過(guò)改進(jìn)的灰度形態(tài)學(xué)處理后的圖像，作為對(duì)比，圖 1（c）、1（d）分別給出中值濾波和常規(guī)灰度形態(tài)學(xué)的處理結(jié)果。可以看到改進(jìn)的灰度形態(tài)學(xué)算法對(duì)濾除隨機(jī)噪聲和增強(qiáng)目標(biāo)區(qū)域起到很好的效果。（a）原始圖像（b）改進(jìn)的灰度形態(tài)學(xué)處理（c）中值濾波處理（d）常規(guī)灰度形態(tài)學(xué)處理圖 1 原始圖像和去噪處理結(jié)果3.2

7、圖像累加將水聲序列圖像中連續(xù) 20 幀的圖像進(jìn)行累加處理。在這里作者將二進(jìn)制的或運(yùn)算推廣到 8 比特灰度圖像中：? ? ? ?? ? ? ? ? ? ????I y x h y x g y x h y x gI y x h y x g y x h y x gy x f) , ( ), , ( max , ) , ( ), , ( min) , ( ), , ( max , ) , ( ), , ( max) , (上式中 ， 為進(jìn)行累加