本發(fā)明屬于激光雷達(dá)三維成像領(lǐng)域，具體涉及一種適用于光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)系統(tǒng)的主動(dòng)提取目標(biāo)深度細(xì)節(jié)的快速成像方法。

技術(shù)背景

激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確獲取目標(biāo)的三維深度信息和反射率信息，具有廣泛用途，包括機(jī)器視覺(jué)、工業(yè)模式設(shè)計(jì)和軍事目標(biāo)識(shí)別與跟蹤等。采用工作于蓋革模式下的gm-apd作為其激光回波信號(hào)光子探測(cè)器的光子計(jì)數(shù)三維成像激光雷達(dá)系統(tǒng)，是以光子飛行模式實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的高時(shí)間分辨率測(cè)量。

傳統(tǒng)主動(dòng)式三維成像激光雷達(dá)系統(tǒng)是以均勻等掃描步長(zhǎng)的方式，對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景進(jìn)行逐點(diǎn)規(guī)則采樣，獲取目標(biāo)的3-d圖像。一般的，在目標(biāo)特性未知的情況下，為了獲取目標(biāo)的高分辨率3-d圖像，他們通常需要預(yù)先設(shè)置激光光斑的掃描步長(zhǎng)足夠細(xì)，以保證能夠識(shí)別目標(biāo)場(chǎng)景中的各個(gè)深度細(xì)節(jié)部分。傳統(tǒng)成像模型的這種均勻掃描成像方式，是基于以下兩個(gè)必要不充分的假設(shè)條件，設(shè)置其所需要的激光光斑掃描步長(zhǎng)：

1)假設(shè)目標(biāo)場(chǎng)景只有一層深度細(xì)節(jié)，即：感興趣的目標(biāo)區(qū)域?yàn)橐黄矫?，或是其最大景深相?duì)于目標(biāo)到探測(cè)器的距離可以忽略不計(jì)的情況，在這種情況下，以固定均勻掃描步長(zhǎng)就可以識(shí)別目標(biāo)場(chǎng)景中的不同深度細(xì)節(jié)部分；

2)假設(shè)目標(biāo)場(chǎng)景中的深度細(xì)節(jié)極其豐富，有無(wú)限多層深度細(xì)節(jié)，如：目標(biāo)表面為一非光滑、非連續(xù)曲面的情況，為了能夠準(zhǔn)確識(shí)別出目標(biāo)場(chǎng)景中的各個(gè)深度細(xì)節(jié)部分，此時(shí)需要設(shè)置激光光斑的掃描步長(zhǎng)足夠細(xì)。

可以看出，傳統(tǒng)三維成像激光雷達(dá)系統(tǒng)的這種掃描成像方式，在目標(biāo)為一簡(jiǎn)單平面時(shí)，將出現(xiàn)大量采樣冗余，影響系統(tǒng)成像速度；而在目標(biāo)極其復(fù)雜時(shí)，其預(yù)設(shè)掃描步長(zhǎng)也有可能達(dá)不到給定要求，無(wú)法識(shí)別出目標(biāo)不同深度細(xì)節(jié)部分，影響其成像質(zhì)量。因此在沒(méi)有足夠的有關(guān)目標(biāo)結(jié)構(gòu)先驗(yàn)信息的情況下，傳統(tǒng)成像方法容易出現(xiàn)采樣冗余，或是采樣不足的現(xiàn)象。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種解決傳統(tǒng)的均勻掃描步長(zhǎng)成像方法帶來(lái)的采樣冗余和采樣不足現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)快速、主動(dòng)提取目標(biāo)深度細(xì)節(jié)的三維深度圖像的方法。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：一種主動(dòng)提取目標(biāo)深度細(xì)節(jié)的快速成像方法，步驟如下：

第一步，首先假設(shè)未知的目標(biāo)場(chǎng)景僅有一層深度細(xì)節(jié)復(fù)雜度，并以粗掃描步長(zhǎng)快速獲取目標(biāo)的低分辨率3-d圖像。

第二步，我們定義初始獲得的目標(biāo)低分辨率3-d圖像對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)矩陣為深度矩陣，并根據(jù)空間相關(guān)性將其轉(zhuǎn)化為0-1矩陣，稱(chēng)為細(xì)節(jié)矩陣，其中，標(biāo)記為“0”的元素表示其深度細(xì)節(jié)層次僅有一層，而標(biāo)記為“1”的元素則表示深度細(xì)節(jié)復(fù)雜度較豐富的區(qū)域，并以該細(xì)節(jié)矩陣作為目標(biāo)結(jié)構(gòu)的先驗(yàn)信息，決定激光光斑的掃描步長(zhǎng)。

第三步，細(xì)化分割目標(biāo)深度細(xì)節(jié)。根據(jù)得到的細(xì)節(jié)矩陣，若細(xì)節(jié)矩陣的所有元素值均為“0”，則表示該部分目標(biāo)區(qū)域的細(xì)節(jié)分割結(jié)束；否則，對(duì)于值為“1”的元素區(qū)域，即可能包含多層深度細(xì)節(jié)的目標(biāo)區(qū)域，采用3×3窗口矩陣進(jìn)行深度細(xì)節(jié)的進(jìn)一步細(xì)化分割，重復(fù)步驟2)、步驟3)，直到所有目標(biāo)區(qū)域?qū)?yīng)的細(xì)節(jié)矩陣的元素都為“0”為止；

第四步，根據(jù)得到不同區(qū)域不同的掃描步長(zhǎng)，利用激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景進(jìn)行掃描，快速獲取目標(biāo)場(chǎng)景深度圖像。

利用上述四個(gè)步驟，本發(fā)明能夠自適應(yīng)決定掃描步長(zhǎng)，從而快速獲取目標(biāo)的深度圖像。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)：(1)利用目標(biāo)的連續(xù)性，即：相鄰像素點(diǎn)間的空間相關(guān)性，改進(jìn)傳統(tǒng)的成像模型，自適應(yīng)決定不同深度細(xì)節(jié)復(fù)雜度區(qū)域的激光掃描步長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)以低采樣率重構(gòu)出目標(biāo)的高分辨率3-d深度圖像。(2)能夠以較少的采樣本點(diǎn)準(zhǔn)確快速恢復(fù)出目標(biāo)的不同復(fù)雜度層次的深度細(xì)節(jié)信息。(3)主動(dòng)提取深度細(xì)節(jié)，自適應(yīng)決定掃描步長(zhǎng)，有效解決傳統(tǒng)均勻掃描步長(zhǎng)成像方法帶來(lái)的采樣不足或是采樣冗余現(xiàn)象。

附圖說(shuō)明

圖1是用于驗(yàn)證本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)場(chǎng)景圖。

圖2是傳統(tǒng)均勻掃描成像方法對(duì)應(yīng)于16×16掃描步長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖3是傳統(tǒng)均勻掃描成像方法對(duì)應(yīng)于32×32掃描步長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖4是傳統(tǒng)均勻掃描成像方法對(duì)應(yīng)于64×64掃描步長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖5是傳統(tǒng)均勻掃描成像方法對(duì)應(yīng)于256×256掃描步長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖6是傳統(tǒng)均勻掃描成像方法對(duì)應(yīng)于512×512掃描步長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖7是主動(dòng)提取目標(biāo)深度細(xì)節(jié)成像方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖8是圖7對(duì)應(yīng)的采樣本點(diǎn)分布圖。

圖9是主動(dòng)提取目標(biāo)深度細(xì)節(jié)快速成像算法原理示意圖。

具體實(shí)施方式：

本發(fā)明通過(guò)利用目標(biāo)連續(xù)性，即相鄰像素點(diǎn)間具有的空間相關(guān)性，根據(jù)深度細(xì)節(jié)復(fù)雜度層次自適應(yīng)決定激光光斑的掃描步長(zhǎng)。算法首先以粗掃描步長(zhǎng)快速獲取目標(biāo)的低分辨率3-d圖像。然后根據(jù)空間相關(guān)性將其轉(zhuǎn)化為0-1矩陣，稱(chēng)為細(xì)節(jié)矩陣。接著，細(xì)化分割目標(biāo)深度細(xì)節(jié)，改變掃描步長(zhǎng)。最后，根據(jù)估計(jì)得到的所有“像素點(diǎn)“的深度值，就可以重構(gòu)出目標(biāo)的高分辨率圖像。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

如圖1所示，是用于驗(yàn)證本發(fā)明一種主動(dòng)提取目標(biāo)深度細(xì)節(jié)的快速成像方法的場(chǎng)景示意圖。目標(biāo)為一玩具坦克模型，被固定放置在距離探測(cè)器20m左右處。如圖2,圖3，圖4，圖5，圖6為傳統(tǒng)均勻掃描成像方法對(duì)應(yīng)于不同激光光斑掃描步長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：圖216×16，圖332×32，圖464×64，圖5256×256，圖6512×512。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)激光光斑的掃描步長(zhǎng)較大時(shí)，該方法無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別感興趣目標(biāo)的輪廓細(xì)節(jié)信息，隨著激光光斑掃描步長(zhǎng)的減小，目標(biāo)輪廓細(xì)節(jié)也越來(lái)越清晰。但是，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以看出，對(duì)于背景平面區(qū)域，其成像效果受激光光斑掃描步長(zhǎng)的影響并不明顯，即：以粗掃描步長(zhǎng)已足夠完全估計(jì)其深度細(xì)節(jié)信息；如圖7所示為采用本章節(jié)主動(dòng)提取目標(biāo)深度細(xì)節(jié)成像方法獲取的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖8所示為圖9對(duì)應(yīng)的采樣本點(diǎn)分布，其中，初始以16×16點(diǎn)陣獲取目標(biāo)的低分辨率3-d深度圖像。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本發(fā)明能夠準(zhǔn)確恢復(fù)出目標(biāo)的不同復(fù)雜度層次的深度細(xì)節(jié)信息，其成像效果與圖6中采用傳統(tǒng)成像方法的成像效果相當(dāng)，但所使用的采樣本點(diǎn)數(shù)僅為后者的11％左右。由圖8的實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以看出，本發(fā)明的采樣本點(diǎn)主要分布在目標(biāo)的輪廓細(xì)節(jié)部分，而在背景平面區(qū)域采樣較稀疏，即能夠自適應(yīng)決定不同深度細(xì)節(jié)復(fù)雜度區(qū)域的掃描步長(zhǎng)。

結(jié)合圖9，本發(fā)明主動(dòng)提取目標(biāo)深度細(xì)節(jié)的快速成像方法，步驟如下：

第一步，首先假設(shè)未知的目標(biāo)場(chǎng)景僅有一層深度細(xì)節(jié)復(fù)雜度，并以粗掃描步長(zhǎng)快速獲取目標(biāo)的低分辨率3-d圖像，得到的圖像如圖2所示。

第二步，計(jì)算細(xì)節(jié)矩陣。將上一步驟中獲得的目標(biāo)深度矩陣，即圖2的深度矩陣，根據(jù)相鄰像素點(diǎn)間的空間相關(guān)性，轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的僅包含0-1的二值細(xì)節(jié)矩陣，用以簡(jiǎn)化目標(biāo)深度細(xì)節(jié)復(fù)雜度的描述。計(jì)算方法如下：

假設(shè)像素點(diǎn)(xy,)周?chē)噜彽?個(gè)像素點(diǎn)記為(x1,y1),...,(x8,y8)，像素點(diǎn)(xi,yi),i＝1,...,8的深度估計(jì)值記為d(xi,yi)，這8個(gè)像素點(diǎn)的順序絕對(duì)偏差表示為：

|d(x1,y1)-d(x,y)|,...,|d(x8,y8)-d(x,y)|

上式已按升序排列，則像素點(diǎn)(x,y)的rom(rank-orderedmean,rom)計(jì)算為：

rom的具體計(jì)算示例如下：

選取差的絕對(duì)值最小的四個(gè)值進(jìn)行疊加，如8個(gè)值中最小的四個(gè)值為：

r1＝|(x1,y1)-(x,y)|,r2＝|(x2,y2)-(x,y)|

r3＝|(x3,y3)-(x,y)|,r4＝|(x4,y4)-(x,y)|

其中，左邊為原始的相鄰像素點(diǎn)的深度估計(jì)值，右邊為其順序絕對(duì)偏差。

若上式中的rom(x,y)滿(mǎn)足以下關(guān)系式：

(其中:b為總噪聲光子計(jì)數(shù)，s為單脈沖探測(cè)周期總光子數(shù)，α(x,y)為目標(biāo)反射率，η為探測(cè)器的量子效率，tp為激光脈沖寬度，tr為激光脈沖發(fā)射周期)則標(biāo)記像素點(diǎn)(xy,)的值為“0”，否則，標(biāo)記其值為“1”。

第三步，細(xì)化分割目標(biāo)深度細(xì)節(jié)。根據(jù)得到的細(xì)節(jié)矩陣，若細(xì)節(jié)矩陣的所有元素值均為“0”，則表示該部分目標(biāo)區(qū)域的細(xì)節(jié)分割結(jié)束；否則，對(duì)于值為“1”的元素區(qū)域，即可能包含多層深度細(xì)節(jié)的目標(biāo)區(qū)域，采用3×3窗口矩陣進(jìn)行深度細(xì)節(jié)的進(jìn)一步細(xì)化分割，即激光光斑的掃描步長(zhǎng)減小為原來(lái)的1/3，重復(fù)步驟2)、步驟3)，直到所有目標(biāo)區(qū)域?qū)?yīng)的細(xì)節(jié)矩陣的元素都為“0”為止；

第四步，根據(jù)得到不同區(qū)域不同的掃描步長(zhǎng)，利用激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景進(jìn)行掃描，快速獲取目標(biāo)場(chǎng)景深度圖像。