关键词： 侧扫声纳；IDL；水柱校正；图像预处理
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
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。
数据读取流程如图2所示。
IDL读取XTF格式文件代码如下：
file =READ_BINARY(sonardata
IF ((file[0] EQ 123) AND (file[1] EQ 254) AND (file[1024] EQ 206) AND(file[1025] EQ 250)) THEN BEGIN
imagedata=READ_BINARY(sonardata,DATA_START
=1 024
ENDIF
datasize=N_ELEMENTS(imagedata)//获取数据区大小
OPENR,lun, sonardata,/get_lun //打开数据区
POINT_LUN,lun,166L
Channelsnumber=0
READU,lun, Channelsnumber
IF Channelsnumber LT 6 THEN BEGIN
PRINT,Channelsnumber
POINT_LUN,lun,262L
datatype=0
POINT_LUN,lun,264L
shujulie=0UL
READU,lun, shujulie
POINT_LUN,lun,1284L
SlantRange=0.0
READU,lun, SlantRange
POINT_LUN,lun,1034L
NumBytesThisRecord=0ul
READU,lun, NumBytesThisRecord
PRINT,NumBytesThisRecord
datacolumn=NumBytesThisRecord/datatype
…
侧扫声纳图像可视化软件界面如图3所示。
IDL语言强大的可视化功能，只需一个TVSCL函数即可绘出图形。
3 软件功能介绍
本软件能够实现对侧扫声纳XTF格式图像的读取和显示、校正、格式转换和图像滤波处理功能。软件结构如图4所示。
4 侧扫声纳图像预处理实现
因原始图像比较灰暗，且未作任何预处理,根据侧扫声纳图像的应用要求，需要对其做图像增强、水柱校正和航速校正。利用IDL语言强大的矩阵运算能力，剪切出侧扫图像。首先对侧扫图像直方图统计包络曲线，代码为：
PLOT,HISTOGRAM(equalizedImage), /XSTYLE, /YSTYLE,
$TITLE=′Adaptive Equalized Image Histogram′,
$XTITLE=′Intensity Value′，YTITLE=′Number of Pixels of That Value′
侧扫图像直方图如图5所示。
因为IDL中，过程TV（图像数组直接转换为字节型的值而不做任何调整）和TVSCL（图像数组被转化为线性调整的字节型数值）用以显示图像。声纳图像数组多半为短整型，故需对其做线性调整，从直方图统计结果可以看出灰度图像值几乎全部集中在0~4 000之间，此方法会压缩少量像元点的信息,所以选择端点至关重要，本文选取4 000，利用函数BYTSCL，设置其参数MAX=4 000,MIN=0即可轻松实现。结果表明,图像增强效果很好，利于对图像判读。之后对侧扫图像做了水柱校正和航速校正,如图6所示。
最后实现对侧扫声纳格式向其他格式（如TIF、 BMP、JPEG）的转换。分别使用 WRITE_TIFF、WRITE_BMP、WRITE_JPEG函数即可方便地实现相应格式的转换,无需编写大量代码。为提高图像信息的利用率,分别对其进行平滑和滤波处理，如图7所示。对比来看，中值滤波效果更好。
本文首次尝试利用IDL语言开发侧扫声纳图像处理软件，并给出了处理结果。该结果表明IDL非常适合声纳图像的处理和相应软件开发,具有如下优点：(1)提供方便的图形用户界面GUI和人机交互性 ,操作人员可以通过参数设置和按钮来交互控制程序运行; (2)便捷的可扩展性,模块化的程序设计方法便于今后进一步扩展;(3)良好的可移植性,IDL 程序可以运行于 Windows、Unix和 Macintosh 等操作系统,也可将程序通过 IDL 虚拟机打包运行。侧扫声纳图像格式各公司都不统一，XTF格式。因其格式灵活性和扩展性受到青睐，使用最为广泛。但XTF的这些特点对其读取相对来说很麻烦，在Matlab中存在强制64 bit参与计算的瓶颈。本文实验结果表明，IDL更加适合声纳图像处理软件的开发，奠定了良好的基础和展示了广阔的应用前景，也为国内该领域软件开发提供了一定借鉴。
目前本系统还处于开发探索阶段 ,今后将主要围绕以下两方面进一步完善系统功能: (1)增加图像分割、地质分类等实用图像分析模块；(2)将系统扩展处理成不同格式的侧扫声纳数据，进一步优化系统和算法设计。
参考文献
[1] Triton copmpany introduce of XTF[EB/OL]. http://www.tritnoelics.com/public/download/FileFormatInfo/XtfFileFormatX12.pdf.
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[3] 闫殿武.IDL可视化工具入门与提高[M].北京：机械工业出版社,2003.
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