本发明涉及二维声呐图像的水下声场景三维重建方法，适用于水下航行器的障碍物识别与定位，属于声呐技术和声图像处理领域。
背景技术：
1、无人水下航行器中常用声呐作为环境信息采集设备，将声呐的回波信息经声成像处理获得二维声呐图像，实现水下信息的可视化。常见的声呐图像有侧扫声呐图像、前视声呐图像等，大多都是二维平面图像，丢失了高度值，无法描述三维空间信息。将声回波信息处理成三维声图像可以使水下障碍物的识别和定位更加精确。但是当前主流的声呐图像为二维图像，二维声图像是声呐系统某一水平角度上声反射强度随距离的分布图。前视、侧扫等商业声成像系统受声呐基阵限制，声探测仍以二维声图像为主，丢失了垂直方向上的高度信息，无法描述三维空间。二维声图像灰度级与声反射强度有关，声呐平台相对探测区域的空间位置、声照射角度则决定了声反射强度。从二维声图像中提取信息以获取三维信息能够在不增加探测成本的情况下进行水下场景三维重建，提高数据利用率。
2、目前基于声呐信息的水下环境三维重建方法有以下几种：从目标物阴影的长度和声呐平台的位置来估算水下目标的高度(wang j y,han j,du p f,jing d x,chen j w,quf z,three-dimensional reconstruction of underwater objects from side scansonar images[c].oceans'17mts/ieee,aberdeen,19-22jun,2017.)，但由于声呐平台相对于目标的位置通常很难精确估计，因此该方法实用性不强；将侧扫声呐沿着固定圆形轨道对水下目标物进行多角度扫测，通过一系列不同角度得到的声呐图像来重建目标物的三维影像(aykin m d,negahdaripour s.three-dimensional target reconstructionfrommultiple 2-d forward-scan sonar views by space carving[j].ieee journal ofoceanic engineering,2017,42(3):574-589.)。这种方法对于实时性要求较高的水下航行器避障、目标探测来说并不适用；将多波束测深声呐图像按帧拼接在一起以实现三维重建(刘哲.基于水下三维点云的管道检测定位算法研究[d].哈尔滨工程大学,2020.doi:10.27060/d.cnki.ghbcu.2020.001332.)，这需要对大量的图像进行处理，并且要一直更新获取的图像，计算量大，精度也受到平台移动轨迹的影响；codaoctopus公司推出了echoscope三维成像声呐，利用具备三维空间声探测能力的声基阵直接实时获取三维环境信息的能力适用于无人水下航行器，但其硬件成本昂贵，计算量大；为了提高水下目标三维重建的精度以及降低对设备的依赖，赵健虎等人从二维侧扫声呐图像的灰度出发采用最小值方法反演目标的高度值(赵建虎,尚晓东,张红梅.水深数据约束下的声呐图像海底地形恢复方法.中国矿业大学学报,2017,46(2):443-448.)。
3、总体来看目前对基于二维声图像的水下三维重建的研究较为匮乏且分散，近年来的研究多集中于理论，实际的运用中存在缺乏普适性和后处理时间较长等问题。因此有必要进一步展开基于二维声呐图像的水下环境三维重建方法的研究，增加其普适性降低对设备性能的依赖，提高处理效率减少运算时间。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题是：
2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种基于二维声呐图像灰度级反演高度的水下场景三维重建方法，用于解决二维声呐图像缺失三维信息的问题。
3、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
4、一种基于二维声呐图像灰度级反演高度的水下场景三维重建方法，其特征在于，包括：
5、获取声呐二维图像，将声呐二维图像按方向角划分为多个区域；
6、根据lambertian反射模型构建反演模型；
7、将划分的每个区域基于反演模型进行反演计算得到高度信息，把每个区域的结果进行拼接、归一化处理得到声呐图像对应探测区域的归一化高度信息矩阵；
8、将归一化高度信息矩阵加入声呐探测区域的几何尺寸约束，估算探测区域内的真实高度信息；
9、将估算的声呐图像探测区域内真实高度信息转换成三维点云。
10、本发明进一步的技术方案：所述反演模型为：
11、
12、其中，e(x,y)为水下某点在声呐图像中对应的点的灰度值，i(x,y)为采用lambertian反射模型表示的水下某点的反射强度，in-1(x,y)为第n-1次迭代的反射强度。
13、本发明进一步的技术方案：所述将归一化高度信息矩阵加入声呐探测区域的几何尺寸约束条件，估算得到探测区域内的真实高度信息，具体为：
14、将声呐探测区域的最大垂直距离作为几何尺寸约束条件；
15、基于几何尺寸约束条件和归一化高度信息矩阵估算探测区域内的真实高度信息。本发明进一步的技术方案：所述声呐探测区域的最大垂直距离的计算方法为
16、l＝r·sinψ
17、其中，l为要求的约束条件，ψ为声呐波束的垂直开角，r为声呐平台延航迹方向的最远探测距离。
18、本发明进一步的技术方案：基于几何尺寸约束条件和归一化高度信息矩阵估算探测区域内的真实高度信息，采用的计算公式如下：
19、
20、式中，zh(x,y)为加入几何尺寸约束后估算出探测区域内的真实高度信息，x∈[0,m]，y∈[0,n]，zmax是归一化高度信息矩阵zm×n中的最大绝对值，m为声呐图像在x轴上的像素个数，n为声呐图像在y轴上的像素个数。
21、本发明进一步的技术方案：所述将估算的声呐图像探测区域内真实高度信息转换成三维点云，具体为：
22、将估算的声呐图像探测区域内真实高度信息与声呐图像上的像素点对应起来，生成m×n行3列的矩阵，3列的内容依次为声呐图像像素点的横坐标x、纵坐标y以及估算出的真实高度值zh(x,y)；通过点云读取工具转换成三维点云，实现二维声呐图像的水下环境三维重建及可视化处理。
23、一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述的方法。
24、一种计算机可读存储介质，其特征在于存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现上述的方法。
25、一种计算机程序产品，其特征在于包括计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现上述的方法。
26、本发明的有益效果在于：
27、本发明提供的一种于二维声呐图像灰度级反演高度的水下场景三维重建方法，该方法建立基于声呐平台与水下场景相对空间结构的声反射回波模型，提出一种直接从二维声呐图像灰度级反演出探测区域在声照射区域空间尺寸约束下的高度信息的方法，进而获得探测区域的三维点云坐标，实现水下场景三维重建。与其他水下场景三维重建的方法相比，该方法仅需利用二维声呐图像的灰度级信息，计算过程不受声呐设备声探测视角和型号影响，适用于大部分声呐输出的声图像。该方法解决了二维声呐图像缺失三维信息的问题，为水下场景探测提供声照射区域的三维信息，具有良好的应用前景。优点如下：
28、1、重建了水下环境的三维空间，为无人水下航行器避障提供了完整的三维信息。
29、2、声呐图像划分为数个区域，把每个区域的入射声源近似为平面波，减少了每个像素点的运算时间，大大提高了运算速率。
30、3、本方法只需要对二维声呐图像进行处理，降低了对设备和环境的依赖，提高了数据利用率，普适性强。
1.一种基于二维声呐图像灰度级反演高度的水下场景三维重建方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述一种基于二维声呐图像灰度级反演高度的水下场景三维重建方法，其特征在于，所述反演模型为：
3.根据权利要求1所述一种基于二维声呐图像灰度级反演高度的水下场景三维重建方法，其特征在于，所述将归一化高度信息矩阵加入声呐探测区域的几何尺寸约束条件，估算得到探测区域内的真实高度信息，具体为：
4.根据权利要求3所述一种基于二维声呐图像灰度级反演高度的水下场景三维重建方法，其特征在于，所述声呐探测区域的最大垂直距离的计算方法为
5.根据权利要求3所述一种基于二维声呐图像灰度级反演高度的水下场景三维重建方法，其特征在于，基于几何尺寸约束条件和归一化高度信息矩阵估算探测区域内的真实高度信息，采用的计算公式如下：
6.根据权利要求5所述一种基于二维声呐图像灰度级反演高度的水下场景三维重建方法，其特征在于，所述将估算的声呐图像探测区域内真实高度信息转换成三维点云，具体为：
7.一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现权利要求1所述的方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现权利要求1所述的方法。
9.一种计算机程序产品，其特征在于包括计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现权利要求1所述的方法。
