三维成像声纳显控软件系统设计

刘 娜，肖雅静

(1.中电科海洋信息技术研究院有限公司，北京100043；2.中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

三维成像声纳显控软件系统设计

刘 娜1，肖雅静2

(1.中电科海洋信息技术研究院有限公司，北京100043；2.中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

基于三维成像声纳系统的应用需求，设计了三维成像声纳的显控软件系统，并介绍了相应软件模块的设计方法，从而为三维成像声纳的显示控制系统提供一种有效的参考。

三维成像声纳；点云数据；实时显示

高分辨三维成像声纳，可以对水下目标实现三维实时成像，为水下目标的感知提供了直接有效的手段。目前，国内外市场上成像声纳主要以二维成像为主，三维成像声纳技术只被国外个别厂家所掌握，国内市场上尚未有工程化、实用化的三维成像声纳。因此，开展三维成像声纳实验样机研制，掌握其关键技术，为后续产品化、系列化做技术准备有着现实意义。本系统研制的水下三维成像声纳显控软件作为三维成像声纳的人机交互界面，它的成功研制保证整机系统的有效控制与实时显示。

1 系统设计

1.1 设计目标

水下三维成像声纳显控软件主要是用来实时地控制和显示三维成像声纳数据。它可以用来配置三维声纳的参数、显示2D和3D的点云数据。并且，需要通过各种方法对数据进行滤波、分割和重构等处理。该软件具备保存声纳数据的能力，可以对保存数据进行回放，并且回放时对数据的处理能力与实时采集基本相同。综上所述，软件系统的设计目标包括：完成三维声纳的参数配置，完成三维声纳系统的反馈，完成三维点云数据的显示。

1.2 系统结构组成

水下三维成像声纳显控软件的系统架构主要包括数据层、传输层、应用层。其中数据层主要包括声纳的控制数据、声纳的转态数据以及完成数据处理实时的三维声纳点云数据。传输层通过TCP/IP协议完成上述数据与下位机系统数据的交互。应用层是通过C#编程实现，该语言是Microsof t.NET运行库为基础的一种编程语言，C#的语法结合VC和C++的共同优点，它更加简洁，调试更加容易，且应用程序开发更加快速。C#和OpenGL结合起来开发3D应用程序和软件，将显著提高开发效率。

根据系统的设计需求及应用，软件系统的主要模块划分如下：

（1）控制模块。设备控制包括初始化设置、声纳位置信息设置、频率选择、测量范围选择、门限选择；

（2）状态监控模块。硬件设备监测（电源板、发射板、接收板的状态监测），当前参数的设置情况；

（3）显示模块。实时的三维声纳点云数据拼图；

（4）数据存储及回放。参数、点云数据的存储及回放。

1.3 主要性能要求：

由于三维声纳系统的数据量较大，实时性要求也较高，根据其功能及使用要求，其主要的性能指标为：

（1）实时性。实时数据库支持秒级数据采集、更新；

（2）大规模。服务器支持600 Mbps传输速度，15 min约为500 G存储量；

（3）高性能。每秒20万点实时数据更新；

（4）可靠性。双机热备，7×24稳定运行；

（5）压缩比。数据压缩率大于50∶1；

（6）检索率。检索历史数据达到每秒5万条；

（7）安全性。支持单向隔离网闸的镜像服务和数据采集接口；

（8）扩展性。基于组件开发、支持脚本语言，实现灵活配置。

2 显控界面的设计

本软件系统主要采用C#进行编程设计，利用C#的常用控件TextBox（文本框）控件、Button（按钮）控件、ListBox（列表框）控件OpenFileDialog（打开文件对话框）控件、SaveFileDialog（保存文件对话框）控件等实现命令及状态的交互，利用Socket模块实现Client（客户端）实现数据的交互，利用OpenGL实现三维点云数据的显示。

C#是基于C语言和Microsfot.NET平台开发的。它使得程序员可以快速地编写各种基于Microsoft.NET平台的应用程序，Microsoft.NET提供了一系列的工具和服务来最大程度地开发利用计算与通讯领域。正是由于C#面向对象的卓越设计，使它成为构建各类组件的理想之选——无论是高级的商业对象还是系统级的应用程序。使用简单的C#语言结构，利用现有组件可完全实现三维声纳的控制。

本文是基于C#利用OpenGL图形库编辑设计了三维声纳的实时显示和控制软件，提高了显示速度，简化了程序，加快了开发进度。OpenGL（Open Graphics Library）是指定义了一个跨编程语言、跨平台的编程接口规格的专业图形程序接口。它用于三维图像，是一个功能强大，调用方便的底层图形库。软件通过调用OpenGL图形库可方便、快捷地实现点云的旋转、平移、缩放、排序、重新采样及构造曲线等复杂的点云处理功能，减少了程序代码长度，提高了编程和执行效率。

3 测试与应用结果

本软件以VS2012作为平台，利用OpenGL编程，开发控制程序、通信程序及图像处理软件(包括图像处理模块和点云处理模块)。如图1所示，软件的左上角是对声纳系统的是设计，其中包括初始化、启动、停止、工作模式等参数设计；左下角为声纳系统的反馈状态，包括声纳是否正常工作、目前参数设置情况等信息；在软件中可以设置所需要连接的服务端IP地址及端口号，并且当通信时显示红色，空闲时显示绿色。

本软件对点云数据的显示包括实时及数据回放。三维点云处理模块将这些数据通过实时或者文件读入显示，还可进行旋转、平移、缩放、稀释、分组、排序、重新采样、曲线重构等操作，从而获得理想的三维点云图像。

图1 三维成像声纳显控软件

4 结 语

水下三维成像声纳显控软件主要是用来实时地控制和显示三维成像声纳数据。它可以用来配置三维声纳的参数、3D的点云数据。该软件具备保存声纳数据的能力，可以对保存数据进行回放，并且回放时对数据的处理能力与实时采集基本相同。

[1] [美]Benjamin Perkins.C#入门经典[M].7版.北京：清华大学出版社，2015.

[2] [美]Dave Shreiner，Graham Sellers，John Kessenich等. OpenGL编程指南[M].8版.北京：机械工业出版社，2014.

[3] 田坦.声呐技术[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学，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

刘娜（1984--），女，内蒙古鄂尔多斯人，工程师，工学硕士，目前从事水下观测系统研究与设计。

肖雅静（1982--），女，河北大城人，工程师，工学硕士，目前从事人力资源管理。