三維成像聲納顯控軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 娜，肖雅靜

(1.中電科海洋信息技術(shù)研究院有限公司，北京100043；2.中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

三維成像聲納顯控軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 娜1，肖雅靜2

(1.中電科海洋信息技術(shù)研究院有限公司，北京100043；2.中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

基于三維成像聲納系統(tǒng)的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了三維成像聲納的顯控軟件系統(tǒng)，并介紹了相應(yīng)軟件模塊的設(shè)計(jì)方法，從而為三維成像聲納的顯示控制系統(tǒng)提供一種有效的參考。

三維成像聲納；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)顯示

高分辨三維成像聲納，可以對水下目標(biāo)實(shí)現(xiàn)三維實(shí)時(shí)成像，為水下目標(biāo)的感知提供了直接有效的手段。目前，國內(nèi)外市場上成像聲納主要以二維成像為主，三維成像聲納技術(shù)只被國外個(gè)別廠家所掌握，國內(nèi)市場上尚未有工程化、實(shí)用化的三維成像聲納。因此，開展三維成像聲納實(shí)驗(yàn)樣機(jī)研制，掌握其關(guān)鍵技術(shù)，為后續(xù)產(chǎn)品化、系列化做技術(shù)準(zhǔn)備有著現(xiàn)實(shí)意義。本系統(tǒng)研制的水下三維成像聲納顯控軟件作為三維成像聲納的人機(jī)交互界面，它的成功研制保證整機(jī)系統(tǒng)的有效控制與實(shí)時(shí)顯示。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

水下三維成像聲納顯控軟件主要是用來實(shí)時(shí)地控制和顯示三維成像聲納數(shù)據(jù)。它可以用來配置三維聲納的參數(shù)、顯示2D和3D的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。并且，需要通過各種方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、分割和重構(gòu)等處理。該軟件具備保存聲納數(shù)據(jù)的能力，可以對保存數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，并且回放時(shí)對數(shù)據(jù)的處理能力與實(shí)時(shí)采集基本相同。綜上所述，軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)包括：完成三維聲納的參數(shù)配置，完成三維聲納系統(tǒng)的反饋，完成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的顯示。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

水下三維成像聲納顯控軟件的系統(tǒng)架構(gòu)主要包括數(shù)據(jù)層、傳輸層、應(yīng)用層。其中數(shù)據(jù)層主要包括聲納的控制數(shù)據(jù)、聲納的轉(zhuǎn)態(tài)數(shù)據(jù)以及完成數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)的三維聲納點(diǎn)云數(shù)據(jù)。傳輸層通過TCP/IP協(xié)議完成上述數(shù)據(jù)與下位機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交互。應(yīng)用層是通過C#編程實(shí)現(xiàn)，該語言是Microsof t.NET運(yùn)行庫為基礎(chǔ)的一種編程語言，C#的語法結(jié)合VC和C++的共同優(yōu)點(diǎn)，它更加簡潔，調(diào)試更加容易，且應(yīng)用程序開發(fā)更加快速。C#和OpenGL結(jié)合起來開發(fā)3D應(yīng)用程序和軟件，將顯著提高開發(fā)效率。

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求及應(yīng)用，軟件系統(tǒng)的主要模塊劃分如下：

（1）控制模塊。設(shè)備控制包括初始化設(shè)置、聲納位置信息設(shè)置、頻率選擇、測量范圍選擇、門限選擇；

（2）狀態(tài)監(jiān)控模塊。硬件設(shè)備監(jiān)測（電源板、發(fā)射板、接收板的狀態(tài)監(jiān)測），當(dāng)前參數(shù)的設(shè)置情況；

（3）顯示模塊。實(shí)時(shí)的三維聲納點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼圖；

（4）數(shù)據(jù)存儲及回放。參數(shù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的存儲及回放。

1.3 主要性能要求：

由于三維聲納系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量較大，實(shí)時(shí)性要求也較高，根據(jù)其功能及使用要求，其主要的性能指標(biāo)為：

（1）實(shí)時(shí)性。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫支持秒級數(shù)據(jù)采集、更新；

（2）大規(guī)模。服務(wù)器支持600 Mbps傳輸速度，15 min約為500 G存儲量；

（3）高性能。每秒20萬點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新；

（4）可靠性。雙機(jī)熱備，7×24穩(wěn)定運(yùn)行；

（5）壓縮比。數(shù)據(jù)壓縮率大于50∶1；

（6）檢索率。檢索歷史數(shù)據(jù)達(dá)到每秒5萬條；

（7）安全性。支持單向隔離網(wǎng)閘的鏡像服務(wù)和數(shù)據(jù)采集接口；

（8）擴(kuò)展性。基于組件開發(fā)、支持腳本語言，實(shí)現(xiàn)靈活配置。

2 顯控界面的設(shè)計(jì)

本軟件系統(tǒng)主要采用C#進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，利用C#的常用控件TextBox（文本框）控件、Button（按鈕）控件、ListBox（列表框）控件OpenFileDialog（打開文件對話框）控件、SaveFileDialog（保存文件對話框）控件等實(shí)現(xiàn)命令及狀態(tài)的交互，利用Socket模塊實(shí)現(xiàn)Client（客戶端）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，利用OpenGL實(shí)現(xiàn)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的顯示。

C#是基于C語言和Microsfot.NET平臺開發(fā)的。它使得程序員可以快速地編寫各種基于Microsoft.NET平臺的應(yīng)用程序，Microsoft.NET提供了一系列的工具和服務(wù)來最大程度地開發(fā)利用計(jì)算與通訊領(lǐng)域。正是由于C#面向?qū)ο蟮淖吭皆O(shè)計(jì)，使它成為構(gòu)建各類組件的理想之選——無論是高級的商業(yè)對象還是系統(tǒng)級的應(yīng)用程序。使用簡單的C#語言結(jié)構(gòu)，利用現(xiàn)有組件可完全實(shí)現(xiàn)三維聲納的控制。

本文是基于C#利用OpenGL圖形庫編輯設(shè)計(jì)了三維聲納的實(shí)時(shí)顯示和控制軟件，提高了顯示速度，簡化了程序，加快了開發(fā)進(jìn)度。OpenGL（Open Graphics Library）是指定義了一個(gè)跨編程語言、跨平臺的編程接口規(guī)格的專業(yè)圖形程序接口。它用于三維圖像，是一個(gè)功能強(qiáng)大，調(diào)用方便的底層圖形庫。軟件通過調(diào)用OpenGL圖形庫可方便、快捷地實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的旋轉(zhuǎn)、平移、縮放、排序、重新采樣及構(gòu)造曲線等復(fù)雜的點(diǎn)云處理功能，減少了程序代碼長度，提高了編程和執(zhí)行效率。

3 測試與應(yīng)用結(jié)果

本軟件以VS2012作為平臺，利用OpenGL編程，開發(fā)控制程序、通信程序及圖像處理軟件(包括圖像處理模塊和點(diǎn)云處理模塊)。如圖1所示，軟件的左上角是對聲納系統(tǒng)的是設(shè)計(jì)，其中包括初始化、啟動、停止、工作模式等參數(shù)設(shè)計(jì)；左下角為聲納系統(tǒng)的反饋狀態(tài)，包括聲納是否正常工作、目前參數(shù)設(shè)置情況等信息；在軟件中可以設(shè)置所需要連接的服務(wù)端IP地址及端口號，并且當(dāng)通信時(shí)顯示紅色，空閑時(shí)顯示綠色。

本軟件對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的顯示包括實(shí)時(shí)及數(shù)據(jù)回放。三維點(diǎn)云處理模塊將這些數(shù)據(jù)通過實(shí)時(shí)或者文件讀入顯示，還可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移、縮放、稀釋、分組、排序、重新采樣、曲線重構(gòu)等操作，從而獲得理想的三維點(diǎn)云圖像。

圖1 三維成像聲納顯控軟件

4 結(jié) 語

水下三維成像聲納顯控軟件主要是用來實(shí)時(shí)地控制和顯示三維成像聲納數(shù)據(jù)。它可以用來配置三維聲納的參數(shù)、3D的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。該軟件具備保存聲納數(shù)據(jù)的能力，可以對保存數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，并且回放時(shí)對數(shù)據(jù)的處理能力與實(shí)時(shí)采集基本相同。

[1] [美]Benjamin Perkins.C#入門經(jīng)典[M].7版.北京：清華大學(xué)出版社，2015.

[2] [美]Dave Shreiner，Graham Sellers，John Kessenich等. OpenGL編程指南[M].8版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[3] 田坦.聲吶技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2010.

Design of Display and Control Software System for 3D Imaging Sonar

LIU Na1，XIAO Yajing2
(1.CETC Ocean Co，.Ltd.，Beijing 100043，China；2.The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China)

This paper introduce a display and control software system based on the application of 3D imaging sonar system，you could find the methods for software module 3D imaging sonar，so it provides an effective reference for the display control system of 3D imaging sonar.

3D Imaging sonar；Point cloud data；Real-time display

TN26

B

1004-4507(2017)02-0052-03

2017-02-13

劉娜（1984--），女，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，工程師，工學(xué)碩士，目前從事水下觀測系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)。

肖雅靜（1982--），女，河北大城人，工程師，工學(xué)碩士，目前從事人力資源管理。