基于IDL语言实现侧扫声纳图像可视化及预处理
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2020-10-22
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基于基于IDL语言实现侧扫声纳图像可视化及预处理语言实现侧扫声纳图像可视化及预处理
阐述了IDL（Interactive Data Language）语言的图像处理优点，介绍了侧扫声纳XTF格式数据的特点，利用IDL
语言开发了集图像可视化、格式转换、图像校正和预处理于一体的侧扫声纳图像预处理软件。结果表明，该语
言面向矩阵的特性和强大的图像处理能力减小了开发的复杂性，缩短了开发周期，对国内声纳图像处理软件开
发有一定参考价值。
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关键词：关键词： 侧扫声纳；IDL；
我国是海洋大国，对海洋资源的开发和利用已上升到国家军事和经济战略高度。侧扫声纳海底成像系统 ( 以下简称侧扫声
纳)以其高精度、高效率、高分辨率、对海底微观地貌直观成像等特点，在地质勘探、目标探测、海洋工程等方面的应用越来
越广泛，进而为海洋测绘、海洋工程、海洋开发、反潜作战、 水下救援、物理海洋研究等提供第一手数据。数据的最终利用
形式就是侧扫声纳图像（Sidescan Sonar Image）。正确快捷地判读和分析声纳图像是识别海底地貌、沉船、水雷、海底管
线等人工或自然目标的前提。
现在商业声纳图像处理软件价格昂贵，且其分析技术为商业机密而未能对外公开，因此在使用商业软件分析的同时无法了
解其图形绘制的原理,只能完全被动接受其处理结果。目前国内研究人员一般采用VC++结合OpenGL或者Matlab开发，由于声
纳图像格式的灵活性，实现声纳图像的分析和处理难度较大,且混合编程也增加其开发难度。而对于侧扫声纳数据处理软件,国
内一些单位进行了初步开发,但是并没有真正商品化的产品。所以,侧扫声纳数据采集及后期处理软件在国内仍有很大发展空
间。
交互式数据语言IDL(Interactive Data Language)是Research Systems公司(现为ITT Visual Information Solutions公司)推出
的致力于科学数据的可视化和分析语言，是数字信号与图像的高级处理工具，是跨平台应用开发的最佳选择。作为第四代面向
对象的可视化数据分析语言,IDL具有其他语言无法比拟的优点，在现代科学计算和数据处理中占有非常重要的地位。目前,该
语言成为国内遥感影像医学图像处理领域的热门语言，但是在声纳图像处理领域还是空白。本文针对侧扫声纳图像的特点，有
效利用IDL语言强大的可视化和高级图像处理能力，方便快捷地实现侧扫声纳图像可视化、格式转换、图像校正和预处理，对
国内侧扫声纳图像处理软件开发有一定参考价值。
1 开发语言选取依据开发语言选取依据
IDL 是一种面向矩阵、语法简单的第四代可视化语言,集交互分析、可视化、大型商业开发于一体,为用户提供完善、灵活、
有效的开发环境。简言之 ,IDL 语言具备如下显著特点:快速分析超大规模数据的能力、高级图像处理能力、交互式二维和三维
图形技术、面向对象的编程方式、OpenGL 硬件图形加速、集成的数学分析与统计软件包、完善的信号分析功能、灵活的数据
输入输出方式、 跨平台图形用户界面工具包以及多种外部程序扩展方式。IDL已成为交互式数据分析和可视化的首选工具。
(1)IDL具有快速分析超大规模数据的能力，可以读写任意格式或无格式的数据，支持多种数据类型，可以处理大于2 GB的
海量数据文件。
(2)IDL可进行交互式的二维及三维数据分析。例如利用Windows命令可以设置图像显示窗口的个数、大小和形状，利用TV
或TVSCL命令显示用户选择的图像。
(3)IDL具有完善的图像处理软件包，主要包括图像的缩放、移动和旋转、图像的四则运算、图像的扭曲、图像区域处理ROI
和形状分析、图像增强、图像滤波、图像直方图、图像平滑、图像分割、图像边界提取和图像的形态学处理(腐蚀、扩张、开
和闭)等。用户可根据自己的需求对其组合优化。
(4)IDL提供“交互”和“编译”两种模式(C和FORTRAN 只提供“编译” 一种模式),IDL可以在任何时候创建和重定义变量的类型、
大小和数值(C和FORTRAN 只能在执行时重定义变量的大小和数值)等特性，都使得用 IDL 语言编写程序代码的效率非常高(通
常要比C和FORTRAN语言的效率高80%左右) 。
2 侧扫声纳格式及读取方法侧扫声纳格式及读取方法
侧扫声纳是海底开发和研究的必备设备，它是一种高分辨率的水下成像工具，因为是距离成像，工作时，换能器距海底高
度和系统量程之比可达1:10，最终表现在图像上时会使目标存在严重透视收缩、定点位移等几何畸变。侧扫声纳发出超声波束
射向海底回收后,每Ping接收的是一条反映海底地质特性的像素序列，每个像素反映的是其对应的声强值。同时，侧扫声纳波
束是左右舷侧向发射的,故在中间大约10°范围内没有回波，成为盲区，也叫水柱区(water column)，对图像进行预处理时需通
过相应算法对其做水柱校正。
不同公司的声纳图像格式对应的数据格式也不尽相同，本文采用被广泛使用的XTF声纳格式的数据，参考Triton
Imaging,Inc.的eXtended Triton Format（XTF）Rev.25，该数据格式以二进制存储,具有较强的伸缩性和可扩展性，可保存声
纳、航行、遥测、测深等多种类型的信息。每个文件都包括不同的数据包，根据数据包的标识信息识别数据包的类型,这样可
以只读取所需要数据包。XTF文件开始是XTFFILEHEADER结构，长度最少为1 024 KB(本文处理数据一律为1 024 KB), 它包
括声纳通道信息和测深通道信息等;后面是不同类型的数据包,目前主要有声纳、 测深、 姿态和注释四种类型。每个数据包都有
一个头结构。数据包的位置可以任意, 读取时依据头结构的信息来确定数据包的类型。对于通道，每个通道有通道头结构，后
面是通道测量数据。XTF格式侧扫声纳数据结构如图1所示。
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