一种基于前视图像声呐的海底管道三维重构方法及系统与流程

技术特征：
1.一种基于前视图像声呐的海底管道三维重构方法，所述方法包括：步骤1)获取海底管道的二维前视声呐图像；步骤2)初始化相关参数，所述相关参数包括反射率、高度和入射强度；步骤3)根据相关参数，采用oren and nayar漫反射模型计算合成图像的像素；步骤4)由合成图像的像素与二维前视声呐图像像素计算均方误差；步骤5)当均方误差大于等于预设精度阈值时，根据均方误差，采用梯度下降的方式迭代更新相关参数，并转至步骤3)；否则转至步骤6)；步骤6)获得此时的高度参数，从而完成基于前视图像声呐的海底管道三维重构。2.根据权利要求1所述的基于前视图像声呐的海底管道三维重构方法，其特征在于，所述反射率的初值设置在0到1之间，入射强度初值设置为二维前视声呐图像的像素值，高度初值设置为声呐相对海底的高度。3.根据权利要求1所述的基于前视图像声呐的海底管道三维重构方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括：根据点(x,y)处的反射率ρ(x,y)、高度z(x,y)和入射强度i0(x,y)，采用oren and nayar漫反射模型计算合成图像在(x,y)处的像素为：a＝1
‑
0.5σ2/(σ2 0.33)b＝0.45σ2/(σ2 0.33)其中，参数σ表示高斯分布的标准差，用于表面粗糙度的量度；x,y,z分别表示重构物体的三维坐标；z
x
表示z对x的偏导数，z
y
表示z对y的偏导数。4.根据权利要求1所述的基于前视图像声呐的海底管道三维重构方法，其特征在于，所述步骤4)具体包括：对于重构范围内n个点，由合成图像的像素和声呐图像像素i(x,y)，根据下式计算均方误差e为：5.根据权利要求4所述的基于前视图像声呐的海底管道三维重构方法，其特征在于，所述根据均方误差，采用梯度下降的方式迭代更新相关参数；具体包括：对点(x,y)处的反射率ρ(x,y)、高度z(x,y)和入射强度i0(x,y)根据预设的迭代步长λ，由下式得到迭代后的反射率ρ
′
(x,y)、高度z
′
(x,y)和入射强度i0′
(x,y)为：
其中，λ在0到1之间；对具有相同方位角的点(x,y)，根据下式对i0′
(x,y)进行正则化处理，得到正则化处理后的入射强度i0″
(x,y)：i0″
(x,y)＝median{i0′
(x,y)|(x,y)∈d}其中，median表示正则化处理，d为相同方位角的点的集合；将ρ
′
(x,y)、z
′
(x,y)和i0″
(x,y)分别赋值给ρ(x,y)、z(x,y)和i0(x,y)。6.一种基于前视图像声呐的海底管道三维重构系统，其特征在于，所述系统包括：声呐图像获取模块、初始化模块和迭代重构模块；其中，所述声呐图像获取模块，用于获取海底管道的二维前视声呐图像；所述初始化模块，用于初始化相关参数，所述相关参数包括反射率、高度和入射强度；所述迭代重构模块，用于根据相关参数，采用oren and nayar漫反射模型计算合成图像的像素；由合成图像的像素与二维前视声呐图像像素计算均方误差；当均方误差大于等于预设精度阈值时，根据均方误差，采用梯度下降的方式迭代更新相关参数，循环处理；直至均方误差小于预设精度阈值，获得此时的高度参数，从而完成基于前视图像声呐的海底管道三维重构。7.根据权利要求6所述的基于前视图像声呐的海底管道三维重构系统，其特征在于，所述反射率的初值设置在0到1之间，入射强度初值设置为二维前视声呐图像的像素值，高度初值设置为声呐相对海底的高度。8.根据权利要求6所述的基于前视图像声呐的海底管道三维重构系统，其特征在于，所述根据相关参数，采用oren and nayar漫反射模型计算合成图像的像素；具体包括：根据点(x,y)处的反射率ρ(x,y)、高度z(x,y)和入射强度i0(x,y)，采用oren and nayar漫反射模型计算合成图像在(x,y)处的像素为：a＝1
‑
0.5σ2/(σ2 0.33)b＝0.45σ2/(σ2 0.33)其中，参数σ表示高斯分布的标准差，用于表面粗糙度的量度；x,y,z分别表示重构物体的三维坐标；z
x
表示z对x的偏导数，z
y
表示z对y的偏导数。9.根据权利要求6所述的基于前视图像声呐的海底管道三维重构系统，其特征在于，所述由合成图像的像素与二维前视声呐图像像素计算均方误差；具体包括：对于重构范围内n
个点，由合成图像的像素和声呐图像像素i(x,y)，根据下式计算均方误差e为：10.根据权利要求4所述的基于前视图像声呐的海底管道三维重构系统，其特征在于，所述根据均方误差，采用梯度下降的方式迭代更新相关参数；具体包括：对点(x,y)处的反射率ρ(x,y)、高度z(x,y)和入射强度i0(x,y)根据预设的迭代步长λ，由下式得到迭代后的反射率ρ
′
(x,y)、高度z
′
(x,y)和入射强度i0′
(x,y)为：(x,y)为：(x,y)为：其中，λ在0到1之间；对具有相同方位角的点(x,y)，根据下式对i0′
(x,y)进行正则化处理，得到正则化处理后的入射强度i0″
(x,y)：i0″
(x,y)＝median{i0′
(x,y)|(x,y)∈d}其中，median表示正则化处理，d为相同方位角的点的集合；将ρ
′
(x,y)、z
′
(x,y)和i0″
(x,y)分别赋值给ρ(x,y)、z(x,y)和i0(x,y)。

技术总结
本发明公开了一种基于前视图像声呐的海底管道三维重构方法及系统，该方法包括：步骤1)获取海底管道的二维前视声呐图像；步骤2)初始化相关参数，所述相关参数包括反射率、高度和入射强度；步骤3)根据相关参数，采用Oren and Nayar漫反射模型计算合成图像的像素；步骤4)由合成图像的像素与二维前视声呐图像像素计算均方误差；步骤5)当均方误差大于等于预设精度阈值时，根据均方误差，采用梯度下降的方式迭代更新相关参数，并转至步骤3)；否则转至步骤6)；步骤6)获得此时的高度参数，完成基于前视图像声呐的海底管道三维重构。本发明在解决病态问题时采用反演的方法，便于实现；能够起到较好的重构效果，重构精度相对较高。重构精度相对较高。重构精度相对较高。


技术研发人员：许枫 程坤 杨娟 闫路 崔雷雷
受保护的技术使用者：中国科学院声学研究所
技术研发日：2021.07.13
技术公布日：2021/11/9