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基于前视声纳的水下目标跟踪技术研究

作　者: 丁凯
导　师: 徐玉如
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 前视声纳 图像处理 目标探测 跟踪
分类号: U666.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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引　用: 14次
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内容摘要


水下目标声探测与跟踪是水下机器人视觉领域研究的内容，是一个困难而有意义的课题。运动目标检测与跟踪一般处于视觉应用系统的最底层，是各种后续高级处理如目标分类、行为分析等的基础。 本文以某型号的前视声纳的显控系统为背景。主要研究了声纳图像序列的运动目标跟踪问题，包括目标检测、目标匹配和目标运动估计等模块。目标检测模块判断图像序列中运动目标的存在性，描述目标的形状特征(如运动目标的位置，目标外接矩形的大小)；目标匹配模块寻找运动目标在图像序列各帧中的对应关系，确定目标的运动轨迹；目标运动估计模块预测运动目标在下一帧中可能出现的位置，确定目标搜索范围。 本文首先介绍了881A声纳系统的硬件结构和数据格式，以及现有的图像预处理软件模块，包括坐标变换、波束内插、灰度变换、中值滤波、声纳图像显示等。其次，研究了两种图像分割和目标检测算法：自适应阈值法和均值漂移算法。在第一种方法中对图像进行自适应阈值分割得到二值差分图像之后，进行连通域的识别以检测目标，而均值漂移法在图像分割的过程中，自动检测出运动目标。再者，提出了一种代价函数来评估相邻两帧图像中两个运动目标为同一目标的可能性，从而进行运动目标的匹配。最后对运动目标跟踪作了初步研究，给出一种基于Kalman滤波的运动目标跟踪算法，通过目标运动估计和目标匹配模块来实现运动目标的跟踪。目标运动估计模块利用Kalman滤波器预测被跟踪运动目标在下一帧中可能处于的位置，确定目标搜索范围。 仿真试验结果表明，本文提出的目标探测与跟踪方法可以对水下声纳图像进行有效的目标跟踪。

全文目录


第1章 绪论  9-22
  1.1 概述  9-10
  1.2 声成像技术  10-15
    1.2.1 海洋水声环境  10
    1.2.2 声视觉系统  10-11
    1.2.3 声纳成像技术  11-13
    1.2.4 水声图像处理技术  13-15
  1.3 目标检测与跟踪技术  15-20
    1.3.1 运动目标检测技术  15-17
    1.3.2 运动目标跟踪技术  17-18
    1.3.3 水下目标识别与跟踪  18-20
  1.4 本课题研究任务  20-22
    1.4.1 课题简介  20
    1.4.2 本课题的研究原则和方法  20
    1.4.3 本文的主要研究内容:  20-22
第2章 声纳图像采集与预处理  22-36
  2.1 引言  22-23
  2.2 881A型前视声纳介绍  23-28
    2.2.1 声纳切换数据命令  25-27
    2.2.2 前视声纳返回数据的接收  27-28
  2.3 声纳图像预处理  28-34
    2.3.1 波束内插  28-30
    2.3.2 坐标变换  30-31
    2.3.3 图像增强  31-32
    2.3.4 图像平滑  32-34
  2.4 前视声纳的图像显示  34-35
  2.5 本章小结  35-36
第3章 水下目标检测技术  36-51
  3.1 引言  36-37
  3.2 自适应阈值图像分割  37-41
    3.2.1 最大类间方差阈值分割  37-39
    3.2.2 连通域识别  39-40
    3.2.3 试验结果  40-41
  3.3 基于均值漂移的图像分割  41-48
    3.3.1 核密度估计  42-44
    3.3.2 密度梯度估计  44-45
    3.3.3 基于均值漂移的灰度图像分割  45-47
    3.3.4 基于均值漂移的灰度图像分割试验  47-48
  3.4 图像修复  48-50
  3.5 本章小结  50-51
第4章 水下目标运动估计与跟踪  51-64
  4.1 引言  51
  4.2 运动目标匹配  51-54
  4.3 基于Kalman滤波的运动估计  54-62
    4.3.1 卡尔曼滤波方程的推导  54-57
    4.3.2 卡尔曼滤波器的性质  57-58
    4.3.3 数学模型的建立  58-60
    4.3.4 防止滤波器发散的措施  60
    4.3.5 运动估计试验  60-62
  4.4 本章小结  62-64
结论  64-67
参考文献  67-71
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  71-72
致谢  72

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中图分类: > 交通运输 > 水路运输 > 船舶工程 > 导航设备、水声设备 > 水声设备
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