[發明專利]一種用于動態三維場景的激光雷達成像與著色方法

有效

• 申請號: 201510399135.4
• 申請日: 2015-07-08
• 公開（公告）號: CN105023287B
• 公開（公告）日: 2018-04-17
• 發明（設計）人: 劉貴喜;姚李陽;張佳明;武治宇;張家立;黃楠楠
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G06T13/20
• 分類號: G06T13/20
• 代理公司: 西安智萃知識產權代理有限公司61221
• 代理人: 方力平

技術領域

本發明屬于激光雷達場景成像仿真領域，具體涉及一種用于動態三維場景的激光雷達成像與著色方法。

背景技術

激光雷達成像系統是利用激光對地面目標進行主動成像與距離測量，通過數據處理產生包含目標場景的三維點云圖像。由于該系統具有全天時工作、抗干擾及抗隱身能力強、圖像信息豐富，易于目標識別等突出優點，已廣泛應用于軍事偵察、大面積3D地形測繪、機器人和無人駕駛車輛導航、水下目標探測等技術領域，在其他軍事和民用領域也有著廣闊的應用前景。

目前針對激光雷達成像仿真的研究主要是利用計算機仿真，基于激光雷達成像的基本原理，結合目標表面的空間反射特性，同時借助圖形處理器強大的并行計算能力，從而建立激光雷達場景的動態仿真模型。但是，這類激光雷達成像仿真方法還存在著諸多問題。第一，依靠當前的仿真方法要實現激光雷達場景動態成像需對輸出圖像每個點進行大量運算，因而處理過程耗時較長，場景的渲染效率低下，這對計算機平臺的性能提出了很高的要求,相應的實驗成本也很高。第二，目前對激光雷達成像仿真技術的研究主要集中在對特定環境下特定目標的激光三維場景建模，無法實現對不同天氣條件下動態目標場景的激光雷達成像仿真。第三，對于某些特定需求(比如機載激光雷達仿真)，需要對部分地物的點云數據進行凸顯處理以達到場景感知的目的，這對激光雷達仿真系統的實時性要求很高，而現有方法無法實現上述要求。

發明內容

本發明的目的是提供一種低成本的用于動態三維場景的激光雷達成像與著色方法，以實現逼真實時地模擬動態三維場景，能夠實時地凸顯特定三維模型，增強操作人員對場景的感知能力。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：一種用于動態三維場景的激光雷達成像與著色方法，其特征是：至少包括：

步驟1，構建目標場景，包括三維地形、地物和場景環境；

步驟2，設置激光雷達成像仿真參數，包括位置、探測距離、視場和分辨率；

步驟3，基于過程紋理技術，通過過程紋理算法生成具有紋理分辨率、透明度和顏色的點云紋理；

步驟4，使用著色器對模型的第0層紋理和第1層紋理進行紋理采樣43；

步驟5，利用著色算法對點云數據上色；

步驟6，對模型進行透明度測試；

步驟7，經過上述步驟，得到激光雷達的點云效果。

所述的步驟1構建的目標場景中，地物至少包括：建筑、樹木、車輛、道路、電線桿、高壓電線塔、橋梁、風車；默認目標場景中所有三維模型均已按照通行三維場景仿真方法完成建模，且只顯示第0層紋理，其他層次紋理默認不顯示；

場景環境至少包括如下環境狀態：光照、雨/雪、霧/霾、煙塵、揚塵/沙塵。

所述的步驟3中紋理分辨率設為2的n次方,與地物自身紋理大小成正比，根據經驗判斷地物的大小之后確定相應數值；透明度是整數，隨機產生于[0,255]之間，對應目標的激光雷達強度信息；顏色對應的RGB三個分量對于所有紋理像素都設為255；然后通過紋理映射將點云紋理作為第1層紋理映射到三維模型的表面上。

所述的步驟4中外部參數是由激光雷達成像仿真系統向著色器傳遞的用于控制著色算法的重要參數，包括實際探測距離、紋理縮放倍數、著色模式以及高度基準；通過控制場景環境來確定激光雷達的實際探測距離；根據場景中模型的大小確定紋理縮放倍數，兩者關系成正比；不同的著色模式與著色算法一一對應，用于外部控制當前的著色方式；高度基準是人為設定的高度參考值，也是靜態分層著色算法的重要參數。

所述的步驟4紋理采樣包括：對模型的第0層紋理和第1層紋理進行紋理像素采樣并最終完成透明度測試的過程；采樣獲取的是對應紋理像素的四元顏色分量，即R分量、G分量、B分量和透明度分量，至少包含以下步驟：

步驟431：判斷模型相對于視點的距離是否小于激光雷達的實際探測距離，若是則執行步驟432，否則執行步驟433；

步驟432：判斷第0層紋理的透明度分量是否等于0.0，若是則執行步驟434，否則執行步驟433；

步驟433：輸出顏色透明度分量為0.0或1.0；

步驟434：輸出顏色透明度分量為第1層紋理的透明度分量。

所述的步驟5中利用著色算法對點云數據上色，從而達到凸顯目標物體的目的，包括了真彩著色算法、偽彩著色算法，這兩種算法都是在著色器中實現的。

所述真彩著色算法是對點云數據使用對應物體的真實紋理顏色，即紋理采樣獲取的第0層紋理的像素顏色。