海底三維聲學(xué)圖像實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李志華，李秋巒

(1.杭州師范大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 311100;2.浙江大學(xué) 數(shù)字技術(shù)及儀器研究所，浙江杭州 310027)

隨著水聲探測(cè)在海洋資源開(kāi)發(fā)中的廣泛應(yīng)用，水聲技術(shù)就成為水下信息探測(cè)、定位和通信的有效手段，用于水下探測(cè)的聲學(xué)設(shè)備得到了深入研究與應(yīng)用［1-2］。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的迅速發(fā)展，使得波束形成聲學(xué)成像聲納得到越來(lái)越廣泛的研究與應(yīng)用。王繼勝等［3］實(shí)現(xiàn)了一種基于IP 網(wǎng)絡(luò)互連的、以并行DSP 為處理節(jié)點(diǎn)的多波束剖面聲納系統(tǒng)，系統(tǒng)中的每個(gè)處理節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換部分采用TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)連接，可以通過(guò)物理上添加一個(gè)或多個(gè)處理節(jié)點(diǎn)成倍提高系統(tǒng)的信號(hào)處理能力。王曉峰等［4］研制了64 通道接收機(jī)波束形成硬件平臺(tái)和軟件算法，并且在5 片TMS320C6416DSP 處理器構(gòu)成的并行處理機(jī)上，完成了并行處理算法的實(shí)現(xiàn)。張小平等［5］進(jìn)行了多DSP 節(jié)點(diǎn)的聲納信號(hào)并行處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究。

為了獲得距離、水平、垂直三維空間信息，實(shí)現(xiàn)高分辨率的實(shí)時(shí)水聲探測(cè)，三維成像聲學(xué)系統(tǒng)近年來(lái)引起了各國(guó)政府、機(jī)構(gòu)和學(xué)者的廣泛關(guān)注［6-7］。采用48 ×48 個(gè)聲學(xué)換能器陣(2 304 個(gè)通道)發(fā)射單脈沖聲波信號(hào)進(jìn)行128 ×128 個(gè)波束形成，工作頻率300 kHz，角度分辨率0.5°，工作距離2 ～200 m，距離分辨率2 cm，聲攝像速率2 ～20 次/秒，每個(gè)掃描點(diǎn)占用8 B(其中強(qiáng)度信息4 B，水平與垂直角度坐標(biāo)各1 B，層數(shù)k 占2 B)，因此僅單層數(shù)據(jù)量最大為128 ×128 × 8 B =131 kB，因此系統(tǒng)性能瓶頸問(wèn)題相當(dāng)突出，其難點(diǎn)主要在于如何將海量聲學(xué)數(shù)據(jù)從采集端快速上傳至PC 客戶(hù)端，以及如何確保對(duì)這些海量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。為解決這些問(wèn)題，文中未采用傳統(tǒng)用戶(hù)空間TCP/IP 傳輸機(jī)制，而是直接通過(guò)嵌入式PowerPC 處理器在Linux 內(nèi)核態(tài)采用DMA 機(jī)制進(jìn)行聲學(xué)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，減少系統(tǒng)調(diào)用和數(shù)據(jù)拷貝開(kāi)銷(xiāo)，有效提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，同時(shí)PC 客戶(hù)端圖像處理系統(tǒng)采用多線程并行處理架構(gòu)，均衡多個(gè)CPU 核之間負(fù)載，實(shí)現(xiàn)高性能三維聲學(xué)圖像實(shí)時(shí)處理。

1 三維聲學(xué)圖像實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)框架

三維聲學(xué)圖像實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)主要包括聲學(xué)前端信號(hào)處理子系統(tǒng)、三維聲學(xué)數(shù)據(jù)傳輸控制子系統(tǒng)以及PC客戶(hù)端三維聲學(xué)圖像處理系統(tǒng)三個(gè)部分，其總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。聲學(xué)前端信號(hào)處理子系統(tǒng)根據(jù)接收到的多路聲學(xué)換能器信號(hào)，通過(guò)兩級(jí)FPGA 信號(hào)處理，采集多通道水聲信號(hào)，進(jìn)行實(shí)時(shí)電子聚焦波束形成。三維聲學(xué)數(shù)據(jù)傳輸控制子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)三維聲學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)命令收發(fā)和處理、FPGA 代碼更新、應(yīng)用程序更新以及I2C、SPI、GPIO 接口配置等功能。PC 客戶(hù)端三維聲學(xué)圖像處理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)三維聲學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接收、三維聲學(xué)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、GPS/姿態(tài)傳感器信息獲取、三維聲學(xué)圖像在線處理、三維聲學(xué)圖像離線處理以及網(wǎng)絡(luò)命令處理、代碼更新等功能。下面對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行逐一詳述。

圖1 海底三維聲學(xué)圖像系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System framework of 3-D imaging sonar system

圖2 海底三維聲學(xué)圖像采集與傳輸子系統(tǒng)Fig.2 Data sampling and transmission subsystem

2 三維聲學(xué)圖像前端信號(hào)處理與傳輸控制子系統(tǒng)

2.1 三維聲學(xué)前端信號(hào)處理與傳輸控制子系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

三維聲學(xué)前端信號(hào)處理子系統(tǒng)采用Xilinx Spartan 系列FPGA［8-9］芯片作為主要的信號(hào)處理器件，主要由多塊主信號(hào)處理板和子信號(hào)處理板構(gòu)成，如圖2 所示。在子信號(hào)處理板上，首先接收換能器產(chǎn)生的微弱電信號(hào)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行固定增益放大和時(shí)間增益(TVG)控制等信號(hào)調(diào)理，最后再對(duì)多路數(shù)據(jù)進(jìn)行同步A/D 采樣(由于發(fā)射信號(hào)頻率為300 kHz，所以ADC 的采樣頻率采用三倍信號(hào)頻率進(jìn)行采樣，即900 kHz，并在同步時(shí)鐘控制下對(duì)多路數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采樣)，存入FPGA 內(nèi)部RAM 構(gòu)成的緩沖區(qū)中(其中子信號(hào)處理機(jī)資源需求為SLICE 數(shù)量825，LUT 數(shù)量1 048，18 ×18 的乘法器數(shù)量2，RAM 模塊數(shù)量10)。在FPGA 內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣數(shù)據(jù)的緩存和離散傅里葉變換運(yùn)算，將變換后的數(shù)據(jù)通過(guò)高速串行接口傳輸給主信號(hào)處理板。多塊主信號(hào)處理板將數(shù)據(jù)重新組合后，進(jìn)行乘累加運(yùn)算，最終形成聲學(xué)波束數(shù)據(jù)，并將結(jié)果串行傳輸給三維聲學(xué)數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)。

三維聲學(xué)數(shù)據(jù)傳輸控制子系統(tǒng)采用嵌入式PowerPC 處理器［10-11］作為主CPU，以I/O 口線中斷作為握手信號(hào)，利用本地總線通過(guò)雙口RAM 獲取FPGA 采集的聲學(xué)信號(hào)，并將波數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，借助千兆以太網(wǎng)口傳輸給干端的PC 客戶(hù)端三維聲學(xué)圖像處理系統(tǒng)。此外嵌入式PowerPC 處理器對(duì)各子信號(hào)處理板提供TVG 控制、命令控制、同步時(shí)鐘等信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、代碼更新等功能。

2.2 三維聲學(xué)數(shù)據(jù)傳輸控制子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

三維聲學(xué)數(shù)據(jù)傳輸控制子系統(tǒng)軟件采用嵌入式Linux 作為操作系統(tǒng)平臺(tái)，聲學(xué)數(shù)據(jù)采集與網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)均運(yùn)行于Linux 內(nèi)核態(tài)，大大減少了Linux 系統(tǒng)調(diào)用次數(shù)和用戶(hù)態(tài)/內(nèi)核態(tài)數(shù)據(jù)拷貝開(kāi)銷(xiāo)，顯著提高了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸效率，其軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸子板軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Data transmission subsystem software structure

數(shù)據(jù)傳輸控制子系統(tǒng)軟件包括嵌入式Linux 應(yīng)用程序和Linux 內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序兩個(gè)部分:

1)嵌入式Linux 應(yīng)用程序

①命令交互和處理模塊

三維聲學(xué)數(shù)據(jù)傳輸子板軟件應(yīng)用程序的主線程，作為T(mén)CP 服務(wù)器接收PC 端的連接，獲取命令請(qǐng)求，包括參數(shù)設(shè)置，啟動(dòng)、停止FPGA 采集數(shù)據(jù)發(fā)送等;

②FPGA 及應(yīng)用程序代碼更新模塊

實(shí)現(xiàn)PC 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)更新FPGA 和應(yīng)用程序代碼的功能，采用MD5 校驗(yàn)算法保證鏡像文件的正確性和完整性。

2)Linux 內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序

①FPGA 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)模塊:由于傳統(tǒng)用戶(hù)空間TCP/IP 傳輸機(jī)制會(huì)帶來(lái)巨大的系統(tǒng)調(diào)用和數(shù)據(jù)拷貝開(kāi)銷(xiāo)，為了有效提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，系統(tǒng)直接通過(guò)嵌入式PowerPC 處理器在Linux 內(nèi)核態(tài)采用DMA 通道進(jìn)行聲學(xué)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。嵌入式PowerPC處理器在burst 突發(fā)模式下獲取聲學(xué)數(shù)據(jù)，并利用PowerPC 處理器的大端網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序特性，在Linux 內(nèi)核態(tài)采用DMA 機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)(達(dá)到200 Mbps 峰值帶寬)，實(shí)現(xiàn)三維聲學(xué)數(shù)據(jù)傳輸子板聲學(xué)數(shù)據(jù)的DMA 讀取、中斷響應(yīng)以及數(shù)據(jù)打包和網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)等功能，向應(yīng)用程序提供FPGA 的寄存器配置、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置等函數(shù)庫(kù)。

②驅(qū)動(dòng)模塊:封裝內(nèi)核I2C 接口，向應(yīng)用程序提供配置主FPGA 子板的函數(shù)庫(kù)。

③GPIO 驅(qū)動(dòng)模塊:實(shí)現(xiàn)GPIO 口線的高低電平控制，向應(yīng)用程序提供GPIO 操作函數(shù)庫(kù)。

④SPI 驅(qū)動(dòng)模塊:實(shí)現(xiàn)SPI 數(shù)據(jù)讀寫(xiě)，向應(yīng)用程序提供燒寫(xiě)聲學(xué)前端信號(hào)處理子系統(tǒng)flash 的函數(shù)庫(kù)。

3 PC 客戶(hù)端三維聲學(xué)圖像處理系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

PC 客戶(hù)端三維聲學(xué)圖像處理系統(tǒng)包括在線處理、離線處理以及可視化顯示。在線處理用于三維聲學(xué)圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)重建、實(shí)時(shí)配準(zhǔn)、實(shí)時(shí)拼接等，而離線處理用于對(duì)存儲(chǔ)的聲學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行更高精度和廣度的全景拼接，彌補(bǔ)在線處理過(guò)程中由于實(shí)時(shí)性要求而損失的精度和廣度特性，主要實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜目標(biāo)識(shí)別以及三維聲學(xué)圖像海量存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的高精度離線配準(zhǔn)最優(yōu)化和全景拼接等功能。為了提高離線處理過(guò)程中精確配準(zhǔn)的精度與運(yùn)行效率，系統(tǒng)融合在線處理過(guò)程中快速配準(zhǔn)獲得的配準(zhǔn)矩陣，將其作為離線處理過(guò)程中精確配準(zhǔn)的迭代初始點(diǎn)，減少迭代次數(shù)，以加快收斂速度。相控陣三維聲學(xué)圖像處理系統(tǒng)軟件包括在線處理、離線處理以及三維圖像顯示三個(gè)模塊，如圖4 所示。

圖4 客戶(hù)端圖像處理系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)Fig.4 Client image processing software structure

3.1 在線處理模塊

1)三維聲學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接收

通過(guò)千兆以太網(wǎng)實(shí)時(shí)接收嵌入式PowerPC 處理器轉(zhuǎn)發(fā)的三維聲學(xué)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行解析分包。

2)三維聲學(xué)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)

實(shí)時(shí)存儲(chǔ)每幀三維聲學(xué)數(shù)據(jù)于本地硬盤(pán)中，同時(shí)包括每幀的GPS 信息與姿態(tài)傳感器信息，進(jìn)行目錄管理與文件管理，用于后續(xù)查詢(xún)和離線處理。

3)網(wǎng)絡(luò)命令處理

進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置與狀態(tài)查詢(xún)。

4)GPS/姿態(tài)傳感器信息獲取

獲取每幀三維聲學(xué)數(shù)據(jù)采集時(shí)所處的GPS 坐標(biāo)信息與姿態(tài)信息，用于后續(xù)配準(zhǔn)，并進(jìn)行GPS 位移信息與姿態(tài)信息的硬盤(pán)存儲(chǔ)，便于離線處理時(shí)使用。

5)三維聲學(xué)數(shù)據(jù)單幀實(shí)時(shí)重建

對(duì)三維聲學(xué)數(shù)據(jù)采集子板上傳的三維聲學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，通過(guò)網(wǎng)格搜索和三角面片連接實(shí)現(xiàn)單幀多層實(shí)時(shí)重建。

6)三維聲學(xué)數(shù)據(jù)快速配準(zhǔn)

根據(jù)GPS 和姿態(tài)儀獲取的位移和姿態(tài)信息，對(duì)相鄰兩幀數(shù)據(jù)進(jìn)行初始配準(zhǔn)，利用反向投影將前幀投影到后幀，并通過(guò)最近點(diǎn)搜索實(shí)現(xiàn)相鄰兩幀的快速配準(zhǔn)。

7)三維聲學(xué)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)拼接

利用參考網(wǎng)格將前后幀圖像光柵化，獲得交叉點(diǎn)。刪除高頻成分后，兩幀圖像根據(jù)閾值進(jìn)行拼接融合，并獲得一致的網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

8)動(dòng)靜目標(biāo)識(shí)別

根據(jù)配準(zhǔn)矩陣將相鄰兩幀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系后，對(duì)后幀所有處于重疊區(qū)的目標(biāo)在前幀中尋找特征相匹配的目標(biāo)，特征提取與匹配的參數(shù)包括:

①△S/S:相鄰幀中兩個(gè)目標(biāo)大小的絕對(duì)差值與后幀目標(biāo)大小的比值;

②(△Xm，△Ym，△Zm):相鄰幀中兩個(gè)目標(biāo)質(zhì)心坐標(biāo)的距離;

③(△Xl/Xl，△Yl/Yl，△Zl/Zl):相鄰幀中兩個(gè)目標(biāo)X 軸、Y 軸、Z 軸三個(gè)方向上長(zhǎng)度的絕對(duì)差與后幀目標(biāo)長(zhǎng)度的比值;

④(△Xc，△Yc，△Zc):相鄰幀中兩個(gè)目標(biāo)外接立方體中心坐標(biāo)的距離;

⑤△N/N:相鄰幀中兩個(gè)目標(biāo)邊界點(diǎn)數(shù)的絕對(duì)差值與后幀目標(biāo)邊界點(diǎn)數(shù)的比值。

通過(guò)對(duì)上述特征參數(shù)賦予歸一化權(quán)重，并將加權(quán)后的特征參數(shù)值累加，與設(shè)定閾值進(jìn)行比較以判定是否能夠匹配。

3.2 離線處理模塊

1)三維聲學(xué)數(shù)據(jù)讀取與解析

包括GPS 坐標(biāo)信息、姿態(tài)信息、聲學(xué)點(diǎn)數(shù)據(jù)讀取和解析，并將球面坐標(biāo)(i，j，k)轉(zhuǎn)換為(x，y，z)三維坐標(biāo)。

2)單幀多層重建模塊

其原理與在線處理模塊中的三維聲學(xué)數(shù)據(jù)單幀實(shí)時(shí)重建類(lèi)似。

3)三維數(shù)據(jù)精確配準(zhǔn)

對(duì)具用重疊區(qū)域的兩幀采用最近鄰點(diǎn)迭代方法，并進(jìn)行外圍點(diǎn)消除處理(即消除不在重疊區(qū)域內(nèi)的采樣點(diǎn))，實(shí)現(xiàn)高精度配準(zhǔn)。

4)全局?jǐn)M牛頓最優(yōu)化

充分利用所有具有重疊區(qū)域的聲學(xué)幀之間的配準(zhǔn)信息，使配準(zhǔn)誤差均衡化。

5)三維數(shù)據(jù)全局拼接及再重建

其原理與在線處理模塊中的三維聲學(xué)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)拼接類(lèi)似。

3.3 三維顯示模塊

1)三維圖像單幀顯示模塊

從X 軸、Y 軸、Z 軸三個(gè)視角順序顯示重建后的單幀三維數(shù)據(jù)，包括在線處理和離線處理過(guò)程中的所有單幀聲學(xué)數(shù)據(jù)。

2)三維數(shù)據(jù)多幀顯示模塊

全局顯示拼接后的所有幀三維數(shù)據(jù)，包括在線處理和離線處理過(guò)程中的所有拼接聲學(xué)數(shù)據(jù)。

3.4 PC 客戶(hù)端三維聲學(xué)圖像處理系統(tǒng)并行優(yōu)化

系統(tǒng)的三維聲學(xué)圖像數(shù)據(jù)量巨大，其中每幀數(shù)據(jù)僅一層掃描點(diǎn)數(shù)最多128 ×128，每個(gè)掃描點(diǎn)占用8 B(其中強(qiáng)度信息4 B，i、j 坐標(biāo)各1 B，層數(shù)k 占2 B)，因此單層數(shù)據(jù)量最大為128 ×128 × 8 B =131 kB，系統(tǒng)性能瓶頸問(wèn)題相當(dāng)突出，需要對(duì)圖像處理系統(tǒng)軟件進(jìn)行高效優(yōu)化。在基于多核處理器的PC 硬件平臺(tái)中，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)若采用單線程運(yùn)行結(jié)構(gòu)，將會(huì)出現(xiàn)某個(gè)CPU 核運(yùn)算負(fù)荷超載而其他CPU 核非常空閑的不均衡狀態(tài)。為了提高相控陣三維聲學(xué)圖像在線處理系統(tǒng)軟件的實(shí)時(shí)性能，本系統(tǒng)將在線處理算法中的各個(gè)模塊進(jìn)行并行流水線處理，采用多線程并行處理架構(gòu)，均衡多個(gè)CPU 核之間的負(fù)載，實(shí)現(xiàn)多核CPU處理能力的最大效能。

圖5 PC 端圖像在線處理系統(tǒng)并行處理結(jié)構(gòu)Fig.5 Client parallel processing structure

由于在線處理系統(tǒng)中三維聲學(xué)數(shù)據(jù)單幀實(shí)時(shí)重建、三維聲學(xué)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)拼接算法非常復(fù)雜與耗時(shí)，成為在線處理系統(tǒng)的性能瓶頸，因此將三維聲學(xué)數(shù)據(jù)單幀實(shí)時(shí)重建算法和三維聲學(xué)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)拼接算法根據(jù)聲學(xué)數(shù)據(jù)點(diǎn)的(i，j)范圍進(jìn)行32 等分分割，然后采用32 個(gè)子線程對(duì)每份數(shù)據(jù)進(jìn)行并行處理，同時(shí)對(duì)分割數(shù)據(jù)的邊界進(jìn)行拼接與融合后處理，顯著改善三維聲學(xué)數(shù)據(jù)單幀實(shí)時(shí)重建算法和三維聲學(xué)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)拼接算法的效率，其結(jié)構(gòu)框圖如圖5 所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)功能測(cè)試

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)完成后，為了充分驗(yàn)證系統(tǒng)功能和性能，在室內(nèi)水池、千島湖試驗(yàn)基地和海洋環(huán)境三種環(huán)境進(jìn)行了測(cè)試，各項(xiàng)功能參數(shù)達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)。圖6 所示為在千島湖實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行湖試的正方體鐵框成像效果，鐵框邊長(zhǎng)1.5 m，與發(fā)射換能器距離8 m，圖中上方為球錐形三維聲學(xué)圖像效果，下方為單幀聲學(xué)圖像幀的XY，XZ，YZ 三個(gè)視角顯示效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，算法能夠?qū)c(diǎn)、線、面、立體各種體形物體進(jìn)行正確地成像。圖7 所示為千島湖實(shí)驗(yàn)基地的湖底拼接成像效果，圖中上方拼接圖片的左邊那根細(xì)線為固定千島湖水上實(shí)驗(yàn)基地的一根水下鋼纜。

系統(tǒng)為了驗(yàn)證動(dòng)靜目標(biāo)識(shí)別功能進(jìn)行了連續(xù)的動(dòng)態(tài)目標(biāo)檢測(cè)試驗(yàn)，目標(biāo)為人工操作的鐵皮空心棒。圖8 為PC 客戶(hù)端運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)軟件界面，其中右下角白色長(zhǎng)方體框展示了識(shí)別出的動(dòng)態(tài)目標(biāo);圖9 為聲學(xué)系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)相距100 m 的識(shí)別結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)在移動(dòng)掃描過(guò)程中能準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地識(shí)別出物體旋轉(zhuǎn)、軸向等常規(guī)運(yùn)動(dòng)。

圖6 立方體框成像效果Fig.6 Imaging result of cube frame

圖7 千島湖基地湖底拼接效果Fig.7 Mosaicing image of Qiandao Lake bottom processing structure

圖8 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別軟件界面Fig.8 Moving recognition software interface

圖9 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)相距100 m 的識(shí)別結(jié)果Fig.9 Moving detection result

4.2 系統(tǒng)并行優(yōu)化測(cè)試

如圖10(a)為單線程處理情況下PC 平臺(tái)CPU 核運(yùn)行負(fù)荷狀態(tài)圖(系統(tǒng)采用了Intel 的6 核12 線程CPU平臺(tái))，其中一個(gè)核運(yùn)算負(fù)荷超載，而其他核非?？臻e，CPU 核的利用率非常低，系統(tǒng)的性能非常差(如表1所示)。圖10(b)為采用多線程并行處理方法的情況下PC 平臺(tái)CPU 核運(yùn)行負(fù)荷狀態(tài)圖，所有的CPU 核都幾乎處于滿負(fù)荷狀態(tài)，均衡了多個(gè)CPU 核之間的載，實(shí)現(xiàn)了多核CPU 處理能力的最大效能，達(dá)到了非常好的系統(tǒng)性能(如表1 所示)。

圖10 PC 平臺(tái)CPU 核運(yùn)行負(fù)荷狀態(tài)Fig.10 CPU load state comparison

表1 系統(tǒng)并行優(yōu)化前后性能對(duì)比Tab.1 Parallel performance comparison

5 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種海底三維成像聲學(xué)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)，主要包括聲學(xué)前端信號(hào)處理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸控制子系統(tǒng)和PC 客戶(hù)端圖像處理系統(tǒng)三個(gè)部分。聲學(xué)前端信號(hào)處理子系統(tǒng)統(tǒng)根據(jù)接收到的多路聲學(xué)換能器信號(hào)，通過(guò)兩級(jí)FPGA 信號(hào)處理，采集多通道水聲信號(hào)，進(jìn)行實(shí)時(shí)電子聚焦波束形成。為了解決海量聲學(xué)數(shù)據(jù)快速傳輸問(wèn)題，數(shù)據(jù)傳輸控制子系統(tǒng)未采用傳統(tǒng)用戶(hù)空間TCP/IP 傳輸機(jī)制，而是直接通過(guò)嵌入式PowerPC 處理器在Linux 內(nèi)核態(tài)采用DMA 通道進(jìn)行聲學(xué)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，減少了系統(tǒng)調(diào)用和數(shù)據(jù)拷貝開(kāi)銷(xiāo)，有效提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。針對(duì)海量聲納數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理需求，PC 客戶(hù)端圖像處理系統(tǒng)通過(guò)對(duì)復(fù)雜、耗時(shí)的單幀重建和數(shù)據(jù)拼接算法模塊根據(jù)聲學(xué)數(shù)據(jù)點(diǎn)的角度范圍進(jìn)行等分分割，對(duì)每個(gè)子范圍聲納數(shù)據(jù)采用多線程并行處理，均衡多個(gè)CPU 核之間負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了高性能三維聲學(xué)圖像實(shí)時(shí)處理。通過(guò)在室內(nèi)水池和千島湖試驗(yàn)基地的測(cè)試，該系統(tǒng)有效地實(shí)現(xiàn)了三維聲學(xué)圖像采集、傳輸與三維在線/離線處理功能。

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