机械扫描声纳显控系统的设计与实现.pdf

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1、分类号：UDC：密级：编号：工学硕士学位论文机械扫描声纳显控系统的设计与实现硕士研究生：指导教师：学位级别：学科专业：所在单位：论文提交日期：论文答辩日期：学位授予单位：焦广升孙大军教授工学硕士水声工程水声工程学院2 0 1 0 年2 月2 0 1 0 年3 月哈尔滨工程大学C l a s s i f i e dI n d e x：U D C：AD i s s e r t a t i o nf o rt h eD e g r e eo fM E n g i n e e r i n gD e s i g na n dI m p l e m e n t a t i o no fM e c h a

2、n i c a lS c a n n i n gS o n a rD i s p l a yC o n s o l eC a n d i d a t e：J i a oG u a n g s h e n gS u p e r v i s o r：P r o f e s s o rS u nD a j u nA c a d e m i cD e g r e eA p p li e df o r：M a s t e ro fE n g i n e e r i n gS p e c i a l t y：U n d e r w a t e rA c o u s t i cE n g i n e e r

3、 i n gD a t eo fS u b m i s s i o n：F e b 2 0 1 0D a t eo fO r a lE x a m i n a t i o n：M a r 2 0 1 0U n i v e r s i t y：H a r b i nE n g i n e e r i n gU n i v e r s i t y哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的

4、研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者(签字)：健刚日期：2 0 1 0 郫月聊日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密

5、后适用本声明。本论文(瞻授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口解密后)由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者(签字)：焦励日期：幻f o 年3 月2 争日聊警是：狲扒洚3 月缈V哈尔滨丁程大学硕士学位论文摘要机械扫描声纳利用水声技术获取水下目标的图像数据，其显控系统是对目标数据进行处理的重要软件。该论文的目的就是在V x W o r k s 嵌入式实时操作系统环境下进行显控系统件的设计与实现。本论文工作的主要内容包括对水声图像处理方法的研究，使用V C 编写简易显示界面为之后的设计工作提供了良好的基础，和在此基础之上利用M i m G U I 图形开发软件在V x W o r

6、k s 上进行显控系统软件的开发。首先研究了针对水声图像的图像处理算法，包括灰度变换、灰度级形态学，并结合阈值检测方法设计了目标的探测算法，进行仿真与比较，验证了算法的有效性。还对坐标变换进行了简单的介绍。然后对M i n i G U I 和V x W o r k s 的设计要点和关键技术做了详细的分析，结合M 砸G U I 图形界面开发软件和V x W o r k s 操作系统为一体设计并实现了显控系统软件，这也正是嵌入式系统特征的体现。最后，建立了一个仿真试验环境，对显控系统软件的功能及其可靠性，稳定性进行了测试，使显控系统软件达到预定的设计要求。关键词：V x W o r k s；M i

7、 n i G U I；水声图像；显控系统L一专哈尔滨工程大学硕十学位论文A B S T R A C TM e c h a n i c a ls c a n n i n gs o n a ro b t a i n e dt a r g e ti m a g ed a t ab yu s i n gt h eu n d e r w a t e ra c o u s t i ct e c h n o l o g y T h ed i s p l a yc o n s o l ew a si m p o r t a n tf o rp r o c e s s i n gt a r g e td a t

8、 a T h eg o a lo ft h i sp a p e rw a st od e s i g nt h ed i s p l a ys o f t w a r ef o rd i s p l a ys y s t e mb a s e do nV x W o r k sw h i c hi st h eh i g hp o w e r e dr e a l t i m ee m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m T h em a i nc o n t e n ti n c l u d e s：r e s e a r c ho fa c o

9、 u s t i ci m a g ep r o c e s s i n g，s i m p l ed i s p l a yc o n s o l es o f t w a r eh a sb e e nd e v e l o p e db yV Ca n dp r o v i d i n gaf o u n d a t i o nf o rt h en e x tw o r k，d e v e l o p m e n to fd i s p l a yc o n s o l es o f t w a r eo nV x W o r k sb yM i n i G U I T h ea c

10、o u s t i ci m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h mW a sl e a r n e d，i n c l u d i n gg r a yt r a n s f o r ma n dg r a y-s c a l em o r p h o l o g y T h et a r g e td e t e c t i o na l g o r i t h mW a sd e s i g n e dw i t l lt h r e s h o l dd e t e c t i o na l g o r i t h m T h e nw es

11、 i m u l a t ea n dc o m p a r et h er e s u l t，a n di m p r o v et h eq u a l i t yo ft h e s ea l g o r i t h m s A d d i t i o n a l l yt h et r a n s f o r m a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n tc o o r d i n a t e sW a si n t r o d u c e d Ac o m p l e t ea n a l y s i so fd e s i g np o i n

12、 t sa n de s s e n t i a lt e c h n o l o g yw a sm a d ef o rM i n i G U Ia n dV x W o r k s I tw a st h ef e a t u r eo fe m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e mt h a tV x W o r k sa n dM i n i G U It o g e t h e rw i t ht h ed i s p l a yc o n s o l es o f t w a r et om a k ei n t oaw h o l e

13、F i n a l l yas i m u l a t i o ne x p e r i m e n te n v i r o n m e n tw a sc r e a t e d，a n di tW a su s e dt ot e s tt h er e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h ed i s p l a yc o n s o l es o f t w a r e A n di tW a sp r o v e dt h a tt h es o f t w a r ef u l f i l l st h ep r e d e

14、 f i n e dr e q u i r e m e n t s K e yw o r d s：V x W o r k s；M i n i G U I；a c o u s t i ci m a g e；d i s p l a yc o n s o l e哈尔滨T 程大学硕士学位论文目录第l 章绪论l1 1 论文的目的和意义l1 2 机械扫描声纳和显控系统设计要求的概述21 2 1 机械扫描声纳简介21 2 2 显控系统的设计要求21 3 显控系统的开发环境简介21 3 1V M I V M E 7 7 5 0 单板机31 3 2V x W o r k s 操作系统51 3 3T o r n

15、a d o 开发环境61 4 论文主要内容7第2 章目标探测算法研究与实现82 1 引言82 2 灰度变换82 2 1 线性灰度变换82 2 2 非线性灰度变换92 2 3 分段线性灰度变换1O2 3 灰度级形态学1 22 4 阈值检测法和目标探测算法1 42 5 坐标变换172 5 1 图形坐标系统1 82 5 2 二维图形几何变换1 82 6V C 显控界面实现一2 02 6 1D I B 位图”2 02 6 2 显示步骤2 22 7 本章小结2 4第3 章显控系统软件关键技术与实现2 53 1 引言一2 5哈尔滨工程大学硕士学位论文I I3 2M i n i G U I 软件技术2 53

16、 2 1M i n i G U I 图形系统概述2 53 2 1 1 技术优势2 53 2 1 2 主要功能特点2 73 2 I 3M i n i G U I 的运行模式2 73 2 2M“G U I 软件体系构成2 83 2 3M i I l i G U I 的设计程序流程3 03 2 4M i n i G U I 的应用开发技术313 3V x W o r k s 设计要点及关键技术3 93 3 1B S P 定制4 03 3 2 工程创建和内核定制4 53 3 3V x W o r k s 下的网络通信实现4 83 3 4V x W o r k s 中的定时器5 13。4 本章小结5 2

17、第4 章显控系统仿真试验与总结“5 34 1 引言5 34 2 功能分析5 34 2 1 控制部分5 34 2 2 功能扩展与时间显示部分5 44 2 3 数据显示部分5 54 3 仿真测试5 54 4 本章小结5 8结论5 9参考文献6 0致谢6 31 1 论文的目的和意义科学技术飞速地发展，大量现代化的设施和新的设备不断的涌现，虽然为我们的生活带来极大的便利，而且也为我们的生活添加许许多多的新鲜元素，但是也同时带来的能源危机这个不利的负面因素，陆地上的能源已经几乎被全部探测并正在开发中。海洋这个占了我们所在的星球7 0 表面积的存在，人们都喜欢把它称之为母亲，可是我们对自己的母亲了解得还是

18、非常有限的，只知道它孕育了生命，它有非常丰富而且巨大的自然资源，但基本上也就仅止于此。所以我们极其迫切地需要去重新投入“母亲”的怀抱，了解并开发需要的资源和相关的信息。最初是生命从海洋走向了陆地，但今天人类的发展空间早已不再局限于陆地，而是海、陆、空多方位的。海洋资源的丰富和其战略意义的重要对于我国这样一个拥有三百多万平方公里海洋国土的海洋大国是非常显而易见地，是非常需要重点开发和利用的。它的宝贵资源，海洋石油和天然气，还有海底的矿产等等，这些对民用和军用来说都是至关重要的。声波是目前水下远距离信息传输的最佳的载体，水声技术正是研究声波在水下的这些方面内容的一门学科，它的发展和研究正是打开这宝

19、贵的海洋资源的钥匙。如果说雷达像是天空中无处不在的眼睛，在窥探着空中的一切的话；那声纳1 的作用就好比是水下无处不在的眼睛一样。声纳的终端显控系统就是我们用来呈现这双眼睛所看到的景象，过去那种只能依靠单调的数据和波形的抽象显示模式正在被由计算机网络和图形显示设备更加详细、更加全方位、功能更多的、具体且直观的显示模式所替代。目前我国正大力发展军队现代化建设，各种型号的新式舰艇投入海军部队使用，旧的舰艇也在进行现代化的改装。舰艇上的装备质量、技术水平、科技含量和自动化程度较以往都有质的飞跃。这些现代化的舰艇装备对艇员实际操作提出了很高的要求，不只是军用而且现今在民用方面同样存在着这样的需求，直观、

20、便捷的显示控制平台正好满足于这种需求。哈尔滨工程大学硕士学位论文1 2 机械扫描声幺f l S n 显控系统设计要求的概述通过对机械扫描声纳有一个具体的认识，这样可以更好的根据声纳的特性来设计与其相应的显控系统。1 2 1 机械扫描声纳简介机械扫描声纳由机械转动的声纳波束形成全方位或者某固定扇形角度内的扫描完成探测。它是由一个绕水平坐标轴机械旋转的水听器组成的，机械扫描声纳通过声纳波束连续转动一连串微小的角度来进行扫描，每一个声纳波束，将返回距离和回波强度的数据，根据这些数据可以模拟形成水下环境的声纳图像(也称水声图像)。这种声纳的突出优点是海底目标探测，可以通过一系列扫描图像进行观察与跟踪。

21、机械扫描声纳有高性能、可编程、多频率、低功耗、尺寸较小、价格低和方便拆卸等特点。1 2 2 显控系统的设计要求对于声纳的显控系统来说，首先要根据这个声纳的具体要求来实现其主要功能，比如探测并显示目标；然后在实现主要功能的基础之上，使可视界面设计地人性化一些。显控界面主要分为两大部分：第一部分为主体显示区域，将图像尽量的贴近实际情况显示出来。设计一个扇形面的背景来模拟声纳的扫描区域，同时将可能出现的目标用与背景反差较大的颜色显示在扇形面背景之上来模拟真实的目标探测情况。第二部分是人工控制和数据显示部分，也称用户界面(U s e rI n t e r f a c e，U I)。控制部分是用户与显控

22、系统进行信息交换和传递的部分，数据显示部分是将目标信息以数据的方式直观的显示在屏幕之上，所以这一部分应具备直观、易懂、操作方便快捷等特性。1 3 显控系统的开发环境简介本显控系统的开发环境大体上是目标机为v m i v m e 7 7 5 0 单板机及相关器件，宿主机为P C 机，风河公司的以T o r n a d o 环境为平台开发出来的V x W o r k s 系统，还有移植到V x W o r k s 系统上的M i n i G U I 软件。利用这些硬2哈尔滨工程大学硕十学位论文件、软件平台的开发环境再加上相关的算法来构成能实现相应功能的显控系统。1 3 1 I 汪7 7 5 0 单

23、板机关于硬件开发环境，首先介绍目标机。v m i v m e 7 7 5 0 是V M I C 公司的2 0 0 4 年的一款产品，是一款具有基于V M E 总线的英特尔全功能奔腾3 处理器的单板机，具有一个插槽，被动散热，V M E 总线是利用英特尔8 1 5 E芯片组具有1 3 3 M H Z 的前端总线频率，并具有P C I t o V M E 的桥接。v m i v m e 7 7 5 0 实物如下图所示：图1 1v m i v m e 7 7 5 0 实物板下面详细介绍一下作为桌面系统v m i v m e 7 7 5 0 提供的一些典型功能：(1)最高支持到5 1 2 M B 的P

24、 C I 3 3 S D R A M 内存(2)内置4 M B 显存(3)内置1 0 1 0 0 M b i t 两种带宽以太网卡(4)I D E 硬盘驱动支持(5)软驱驱动支持(6)具有两个R S 2 3 2 串行端口(7)具有两个U S B 端口(8)实时的时钟日历(9)前面板重启开关哈尔滨工程大学硕士学位论文(1 0)微型扬声器(1 1)键盘和鼠标端口具有8 1 5 芯片组的v m i v m e 7 7 5 0 单板机可以执行很多现行的桌面操作系统，比如微软的W i n d o w s 系列和多种版本的L i n u x 操作系统。在嵌入式应用方面v m i v m e 7 7 5 0

25、 单板机可以提供以下有用的功能：(1)1 2 C(I n t e r-I n t e g r a t e dC i r c u i t)总线支持(2)远程网络启动(3)最高支持到5 1 2 M B 的C F 引导启动(4)四个通用的可编程计时器(两个1 6 位的和两个3 2 位的)(5)支持用软件的看门口狗定时器的进行重启(6)具有11 11 3 2 K B 大小的N V S R A M(非易失性S R A M)v m i v m e 7 7 5 0 可以运行许多现今的嵌入式操作系统比如V x W o r k s、Q N X、L i n u x 等嵌入式操作系统。通过以上对v m i v m

26、e 7 7 5 0 的介绍，可以看出它适合使用于很多应用当中，比如：远程通信、仿真模拟、仪表测试、工业控制、过程控制、监控、自动化工厂、自动测试系统、数据采集系统以及许多其他需要的地方。宿主机就是一台普通的P C 机，在宿主机上与目标机连接，并利用T o r n a d o 等相应软件进行交叉编译。图1 2 装载有v m i v m e 7 7 5 0 的大机箱4矗。SI 三哈尔滨工稃大学硕士学位论文1 3 2V x W o r k s 操作系统V x W o r k s 1 7 H 1 9 1 是美国W i n dR i v e rS y s t e m 公司(以下简称风河公司，即W R S

27、 公司)推出的运行在目标机上的高性能、可裁减的嵌入式犯川位1 实时操作系统。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等。在美国的F 1 6、F A 1 8 战斗机、B 2 隐形轰炸机和爱国者导弹上，1 9 9 7 年4 月在火星表面登陆的火星探测器上也使用到了V x W o r k s。1 9 8 4 年W R S 公司推出它的第一个版本叫x W o r k s l O 1，本论文应用的版本是V x W o r k s 5 5。V x W o r k s 的特点主要存在于嵌入式和实时性。由

28、于具有嵌入式操作系统(E O S，E m b e d d e dO p e r a t i n gS y s t e m)的特点，系统内核只有任务管理和简单的内存管理，在此之上可以根据需要配置各种功能模块、包括网络管理、文件系统、虚拟存储器等。V x W o r k s 支持网络通信和串口通信、文件系统、I O 系统、汇编+标准C 的编程模式，支持C+，兼容P O S I X 标准等。V x W o r k s提供1 8 0 0 多个A P I p 创接口，用户和自行选择是用；用户还可以根据实际需求来对V x W o r k s 选择不同的组件和配置，从而可以获得不同的多种功能的操作系统系统映

29、像；能够胜任一些诸如飞行控制、火星探测等关键性任务。V x W o r k s 的主要特点介绍如下：(1)高性能微内核设计，包括迅速的多任务调度、中断支持以及同时支持抢占式调度和时间片轮转调度。同时，操作系统的大小只有5 0 0 K B 左右，即使加入用户应用程序也不过几个M B 大小，并且缺省条件下操作系统一般在运行时占用的内存不会超过4 M B。(2)对现有主流C P U 的广泛支持，包括6 8 k、P o w e r P C、C P U 3 2、x 8 6、i 9 6 0、S P A R C、S P A R C L i t e、S H、C o l d F i r e、R 3 0 0 0、

30、R 4 0 0 0、C 1 6 X、A R M、M I P S 等超过2 0 款的C P U 支持。(3)良好的裁剪性，从几十K B 到M B 量级的不同选择，开发者可以从1 0 0 多个不同的功能选项中生成适合自己应用需求的操作系统，这些独立的模块即可以应用于产品中，也可以省去。利用T o r n a d o 的工程项目管理工具可以轻松地实现V x W o r k s 各种功能的裁剪。户程序是分开编译的，可以动态的下载操作系统和用户程序，方便调试。1 3 3T o m a d o 开发环境从1 9 9 5 年以后，W R S 公司推出了一套实时操作系统开发环境一T o m a d o。T o

31、 r n a d o p n 吨3 3 1 是一套强大的图形化嵌入式集成开发环境，包括调试器C r o s s W i n d、命令行界面W i n d S h e l l、资源查看器B r o w s e r、模拟器S i m u l a t o r等工具。使用T o r n a d o 和它的开发调试工具，可以很容易地编译生成B o o t R o m，配置产生V x W o r k s，修改、编译、下载并调试代码，可以全程查看目标机的系统资源使用情况，缩短了开发周期。具体特点如下：(1)集成性和直观性。从开始使用到配置，T o m a d o 提供了平滑、无缝的开发过程。所有的工具可以在

32、完成各自功能的同时相互配合，为不同的目标机系统提供了一个一致的交互开发环境。(2)丰富的开发工具。这些工具提供了从C C+语言代码的调试和编译到目标机资源的管理、系统对象的跟踪、内存使用情况统计、自动配置系统。并且T o r n a d o 开发环境不依赖于目标机的资源，所有的工具都是基于宿主机的。这样就达到了即使目标机资源改变，但开发工具和其性能仍保持不变。(3)具有高性能、高模块化、可裁剪的实时操作系统V x W o r k s。V x W o r k s是一个高性能的系统，支持几乎所有的网络通信协议，并可以根据用户的需求来对操作系统进行裁剪。(4)开放的环境。T o m a d o 的结

33、构设计向开发者和第三方工具供应商提供了一个开放的环境。从集成环境接口到建立连接，用户可以根据自己的6，壹哈尔滨下程大学硕十学位论文需求来定制T o m a d o。1 4 论文主要内容论文主要完成了三方面的工作：首先，简单介绍了水声图像处理和目标探测算法的相关理论，对图像增强算法进行了研究，并结合目标探测算法对水声图像进行了简单仿真；其次，详细说明了显控系统软件的具体实现方法，对设计中的重要技术要点进行了较深的剖析；最后，建立了系统的仿真平台，分步骤地对显控系统软件进行了仿真测试。论文内容安排具体如下：第一章介绍开发显控系统的目的和意义，并对机械扫描声纳进行了概述，针对声纳的功能和实际的需求来

34、概括地对显控系统设计要求进行了一些说明，然后又对显控系统的硬件、软件开发环境做了一些相关介绍。第二章根据水声图像的特性来选择相关的图像处理方法进行研究，并进行了水下目标图像的仿真，并综合水声图像的图像处理方法研究设计了一种目标探测算法。最后对图像在屏幕上显示的坐标变换方法进行了研究。第三章对M i n i G U I 和V x W o r k s 的设计要点和技术实现做了详细说明。第四章对显控系统软件的功能分析之后，建立仿真试验环境，进行数据仿真，分析软件设计的功能和性能是否符合设计要求。7增强的灰度变化，还有灰度级形态学和图像分割的全局阈值检测方法。综合这些图像处理方法来设计目标的探测算法，

35、并进行了相应的方针，还对图像显示时所用的坐标变换进行了研究说明。2 2 灰度变换图像增耐2 3 的方法可以分为两大类：空间域和频域这两种方法。以对图像平面自身像素进行直接处理为基础的一类方法是属于空间域的。以修改图像的傅氏变换为基础的一类方法是属于频域的。灰度变换正是属于空间域图像增强方法这一类，假设输入图像为f(x，Y)，处理后的图像为g(x，Y)，T 是对f 的一种操作，且S(x，Y)和g(x，Y)的灰度值是在【o，2 5 5】这个区间内，则空间域灰度变换可由下式定义：g(x，Y)=T E f(x，y)(2-1)下面讨论下几种基本的灰度变换方法，线性的(正比和反比)、非线性的(对数和幂次)

36、、分段线性这三种。2 2 1 线性灰度变换将原图像的像素灰度所在区间【口，b】通过线性变换成像素灰度所在区间为 c，d】的方法称为线性灰度变换，原图像的像素灰度值和变换后的图像的灰度值之间的关系可以表示如下：哈尔滨T 程大学硕士学位论文g(w)=等(他，y)-a)+c(2-2)从这个表达式可以看出善2 就是之前所述对f 的一种操作T，即D 一口T=二。所以有变换之后的效果是和丁的关系如图所示：6 一口(a)当T 1 时，图像的灰度的对比度得到了扩展。罢dCOfa Jl q图2 1 线性灰度变换曲线2 2 2 非线性灰度变换对数变换和幂次变换都属于非线性变换，这两种变换都把窄带低灰度输入图像值映

37、射为宽带输出值。相反，输入高灰度值时也成立。不同的是幂次变换比对数变换更加的灵活。假设c 是一个常数，输入图像的灰度值厂(x，Y)也肯定是个非负数，则有如下公式。对数变换的一般表达式为：g(x，y)=c l o g 1+f(x，y)(2 3)幂次变换的一般表达式为：g(x，Y)=矿(x，y)”(2 4)随着甩值的变换将得到一族变换的曲线。对数变换和幂次变换的曲线如下图，9哈尔滨工程大学硕士学位论文gO图2 2 非线性灰度变换曲线2 2-3 分段线性灰度变换分段线性灰度变换将输入图像灰度值区间划分为两段或两段以上，对需要重点关注的目标区域或灰度区间进行增强，对那些非目标区域或非重点灰度区间进行灰

38、度对比度抑制。该方法非常适合水声图像的灰度变换，我们可以通过这种方法突出图像中的重要目标。分段线性灰度变换的各区间段的变换原理与线性灰度变换是相似的。如下所示：g(x，Y)=鲁巾，y)，暑(m，y)一口)地等(作，y)一6)鸲变换曲线如下所示：1 0 o，口)【a,b】(2 5)(6，c】图2 3 分段线性灰度变换曲线图2 3(a)所示为分段线性变换函数的一般形式。图2 3(b)这一变换使所需 a，b】区间的灰度值增加为一固定值，但保持其他所有区间的灰度值不变。图2 3(c)这一变换使 曲】区间的灰度值增加为一固定值，其他区间的灰度值减小为一固定值。这种在图像中提高特定区间灰度值的方法称为灰度

39、切割。图2 3(d)则是一种极限情况下的表现形式，变换后的结果是得到了两级图像，即在某一分界点前后是截然相反的两种效果。这种形式的映射关系叫做阂值函数。分段线性变换比较适用于水声图像的灰度变换，因为水声图像就是将目标的回波信号强度映射成对应的灰度值。利用分段线性变换的形式可以任意合成这一特性，我们可以将信号强度区间分为几个部分，也就是可以将有可能是目标的信号强度段与噪声信号强度段更加清晰地分离出来，而且只有经过了灰度变换，才能将信号强度映射为灰度值，然后用灰度值数据来生成水声图像。数据为一个1 0 0 0 6 0 的二维数组，经过灰度变换后的哈尔滨工程大学硕七学位论文灰度级水声图像，如图2 4

40、 所示，灰度变换后，背景区域明显变得“干净”了许多。，2 04 05 0图像数组宽度2 04口60图像数组宽度图2 4 经过灰度变换前后仿真出来的灰度级水声图像。，“。!；：。，!。”田像撤坦长度。oo 舔售数组寓魔匿曩羲组长压B。oo 一。：田馕教组宽度?图2 5 灰度变换前后的数据仿真图如图2 4 和图2 5 所示，水声图像经过灰度变换之后，其背景噪声得到了一定程度的消除。2 3 灰度级形态学这里提到的形态学表示的是数学形态学H 5 1 的内容，将数学形态学1 2嘲喜|眦矾眦豇伽瓤批仰毯半岛籁驱匾00CGO00CC0加加扣佃弼半舞籁题砸哈尔溟工程大学硕士学位论文(m a t h e m a

41、 t i c a lm o r p h o l o g y)作为工具从图像中提取对于表达和描绘区域形状有用处的部分。数学形态学的语言是集合论，数学形态学中的集合表示图像中的不同对象。灰度级形态学就是对灰度级图像应用二值形态学的相关理论，和二值形态学非常相似。下面介绍形态学几种常用的基础操作：膨胀和腐蚀、开操作和闭操作。假设6(x，Y)为结构元素，S(x，Y)是输入图像，且和b 是对每一个(x，Y)坐标赋以灰度值的函数。膨胀：用b 对进行灰度膨胀表示为：0 6，定义为：(厂0 6)(J，f)=麟 厂(s x,t y)+6 似力I(s x)，t Y)ED I；(x,Y)忍(2 6)这里q 和见分别

42、是厂和6 的定义域，(J x)和(f Y)必须在的定义域内。对灰度图像进行膨胀处理的效果是双重的：(1)输出图像会比输入图像更亮；(2)暗的细节部分会根据结构元素的值和形状有一定程度的减少或者消失。腐蚀：灰度腐蚀表示为f o b，定义为：(o 西)(s，f)=I 血(s+x，r+少)一6(墨y)l(s+x)，(f+y)D，；(x，Y)eD b (2 7)这里4 和见分别是厂和6 的定义域，(S+X)和(t+y)必须在的定义域内。灰度图像进行腐蚀处理的效果也是双重的：(1)输出图像会比输入图像更暗；(2)亮的细节部分面积如果比结构元素小的话，则亮的细节部分会被削弱，削弱程度取决于结构元素的值和形

43、状。开操作：b 对厂进行开操作表示为f o b，定义为：f o b=(f o b)b(2-8)开操作先用b 对厂进行简单的腐蚀操作，而后用b 对得到的结果进行膨胀操作。实际应用中，开操作是用于除去比结构元素小的亮细节部分，同时相对地保持整体的灰度级和较大的明亮区域不变。闭操作：哈尔滨工程大学硕十学位论文I I If b=(0 6)0 6(2 9)闭操作先用b 对厂进行简单的膨胀操作，而后用b 对得到的结果进行腐蚀操作。实际应用中，闭操作是用于除去比结构元素小的暗细节部分，而相对地保持明亮部分不受影响。2 4 阈值检测法和目标探测算法图像分割，就是将图像通过分割细分为构成它的子区域或对象，当感兴

44、趣的对象被分离出来的时候，分割也就结束了。图像分割算法一般是基于灰度值的两个基本特征之一：不连续性和相似性。阈值检测正是属于这类方法。阈值检测是一种用于分割处理的基础性方法，特别是在要求处理速度的应用中。而且由于阈值检测的直观性和易于实现性，使得它在图像分割处理中处于中心地位，也就是说阈值检测既是基础又十分重要。阈值是用于将图像灰度级别划分为多个部分的灰度门限。如果图像只有目标和背景两大类，那么只需选取一个阈值称为单阈值分割。这种方法是将图像中每个像素的灰度值与阈值相比较，灰度值大于阈值的像素归为一个灰度区间，灰度值小于阈值得像素归为另一灰度区间。对于水声图像这种没有很多复杂细节、复杂轮廓、复

45、杂纹理的图像来说，所有阈值检测中最简单的全局阈值检测是非常适合的。通过对图像进行逐像素扫描并将像素标记为对象或背景就实现了对图像的分割，对像素的标记取决于像素的灰度级是大于门限值还是小于门限值。那么应用于水声图像时，我们就可以把这个门限值称为对目标的检测阈值。目标探测算浏卅就是对进行完灰度变换而生成的水声图像，结合全局阈值检测理论和灰度形态学理论，再根据具体的情况和条件要求来设计确定的。目的就是能从环境背景中判定出目标是否存在，并且在判定有目标的情况下能确定出目标的具体位置或者是方位。首先根据某一全局门限值逐像素的扫描图像，当发现符合要求的像素时，从那一点展开一个类似灰度形态学里面的结构元素小

46、模板(比如是3*3 的矩形)，对模板内的所有像素求合，并计算平均值，然后与全局门限比较，看是否符合要求。如果不符合要求，则像灰度形态学中提到的一样，对其进行一定程度地消除，再1 4哈尔滨工程大学硕士学位论文继续进行扫描和判定，直到发现目标。图2 6 是目标探测算法的流程图示。对图像数据进行逐点扫描继续捡测将目标点的位置信息存入数组束发现不符合发现符合检测阚值的疑似目标点对指定大小的邻近区域的所有点进行加权求坶值符合要求值判定为目标图2 6 目标探测算法的具体流程图下图是利用算法对数据的仿真结果。图2 7 经过数灰度形态学算法不同次数处理的数据仿真图图中坐标0 1 8 0 为灰度级的数值，0 1

47、 0 0 0 和O 6 0 的坐标表示为数组的大小。从这幅图中可以比较出经过添加了灰度形态算法地处理。已经可以较为清晰地看到目标的所在区域的点较多且密集，灰度级较高；其他非目哈尔滨：亡程大学硕十学位论文标区域的点比较松散，灰度级较低。这样体现在灰度图像上时，就可以将目标重点地突出显示。还有就是第二幅图是比第一副图多经过一次算法处理，但是我们发现其实这并不必要，第一幅图已经可以足够清晰地看到目标区域的与其他区域的不同，已经明确的发现了目标所在，所以可以根据实际情况改善算法减少计算量来达到相同的目的。下面是未经过任何处理的数据与使用已设计算法处理后的数据在V C 显示界面上的效果比较，还有仿真结果

48、比较。灰度级目标区域竖轴剖面图图2 8 未经过图像处理的原始数据图像显示1 6目肇凶域横轴副面图2 D 01 卯鬟1 0 0掩卯0；谳八，、01 口2 03 0加卯图像致据冤厦图2 9 数据经过图像处理后界面显示图2 8 和图2 9 是V C 显示图与对目标所在小区域的M A T L A B 横纵剖面分析图相结合的分析结果，横纵剖面图是取一点周围为3 的邻域，对这面积为7*7 的区域作横纵剖面图。图中下方为横轴剖面，横坐标为图像的横轴l到6 0，纵坐标为灰度级，曲线的颜色对应图像上纵轴方向上单位为7 的宽度；图中右侧为纵轴剖面图，横坐标为灰度级，纵坐标为图像上横轴方向上单位为7 的宽度，曲线的

49、颜色对应图像的纵轴坐标1 到1 0 0 0。可以看出，在数据未经处理时，显示效果图上的背景噪声点很多，从其对应的剖面图上也可以看出来；在数据经过处理后，显示效果图上的背景噪声点明显得到消除，而且从其剖面图上也可以明显地看出目标所在位置的数据灰度值。2 5 坐标变换在探测到目标之后，如何将目标点和目标所在的扇形背景显示在屏幕上。这就需要将实际的情况转换到计算机上，将所需要表达的图形、图像显示出来，无论多么复杂的图形都是由基本几何元素构成的，比如点、线、1 7目标区域措锏刮面图多边形。将这些基本的几何元素转换成屏幕上的像素点也就达到了我们的目的。怎样将需要的图形、图像转换到屏幕上的正确位置，这就需

50、要对计算机中的坐标系统有所了解。2 5 1 图形坐标系统计算机图形学的国际标准P H I G S(P r o g r a m m e r SH i e r a r c h i c a lI n t e r a c t i v eG r a p h i c sS y s t e m)规定了五种坐标系。(1)世界坐标系：世界坐标系是用户自定义的坐标系。(2)观察坐标系：观察坐标系可以在世界坐标系的任意位置、任意方向上定义，以视点的位置为原点，用指定方向上的观察向量来定义整个坐标系统的。(3)投影坐标系：用于指定物体在投影平面上的所有点。(4)设备坐标系：也称物理坐标系，用于某一特殊的图形输出设备表