[發明專利]主動提取目標深度細節的快速成像方法

有效

• 申請號: 201610262354.2
• 申請日: 2016-04-25
• 公開（公告）號: CN107305252B
• 公開（公告）日: 2020-11-13
• 發明（設計）人: 何偉基;林杰;馮振超;葉凌;方劍;冒添逸;陳錢;顧國華;張聞文;錢惟賢;隋修寶;于雪蓮;任侃;鄒燕
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01S17/89
• 分類號: G01S17/89
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 王瑋

本發明公開了一種主動提取目標深度細節的快速成像方法。通過利用目標連續性，即相鄰像素點間具有的空間相關性，根據深度細節復雜度層次自適應決定激光光斑的掃描步長。算法首先以粗掃描步長快速獲取目標的低分辨率3?D圖像。然后根據空間相關性將其轉化為0?1矩陣，稱為細節矩陣。接著，細化分割目標深度細節，改變掃描步長。最后，根據估計得到的所有“像素點“的深度值，就可以重構出目標的高分辨率圖像。實驗表明，本發明可以自適應決定不同深度細節復雜度區域的激光掃描步長，實現以低采樣率快速重構出目標清晰的3?D圖像。

技術領域

本發明屬于激光雷達三維成像領域，具體涉及一種適用于光子計數激光雷達系統的主動提取目標深度細節的快速成像方法。

技術背景

激光雷達系統能夠快速準確獲取目標的三維深度信息和反射率信息，具有廣泛用途，包括機器視覺、工業模式設計和軍事目標識別與跟蹤等。采用工作于蓋革模式下的Gm-APD作為其激光回波信號光子探測器的光子計數三維成像激光雷達系統，是以光子飛行模式實現對目標的高時間分辨率測量。

傳統主動式三維成像激光雷達系統是以均勻等掃描步長的方式，對目標場景進行逐點規則采樣，獲取目標的3-D圖像。一般的，在目標特性未知的情況下，為了獲取目標的高分辨率3-D圖像，他們通常需要預先設置激光光斑的掃描步長足夠細，以保證能夠識別目標場景中的各個深度細節部分。傳統成像模型的這種均勻掃描成像方式，是基于以下兩個必要不充分的假設條件，設置其所需要的激光光斑掃描步長：

1)假設目標場景只有一層深度細節，即：感興趣的目標區域為一平面，或是其最大景深相對于目標到探測器的距離可以忽略不計的情況，在這種情況下，以固定均勻掃描步長就可以識別目標場景中的不同深度細節部分；

2)假設目標場景中的深度細節極其豐富，有無限多層深度細節，如：目標表面為一非光滑、非連續曲面的情況，為了能夠準確識別出目標場景中的各個深度細節部分，此時需要設置激光光斑的掃描步長足夠細。

可以看出，傳統三維成像激光雷達系統的這種掃描成像方式，在目標為一簡單平面時，將出現大量采樣冗余，影響系統成像速度；而在目標極其復雜時，其預設掃描步長也有可能達不到給定要求，無法識別出目標不同深度細節部分，影響其成像質量。因此在沒有足夠的有關目標結構先驗信息的情況下，傳統成像方法容易出現采樣冗余，或是采樣不足的現象。

發明內容

本發明的目的在于提供一種解決傳統的均勻掃描步長成像方法帶來的采樣冗余和采樣不足現象，從而實現快速、主動提取目標深度細節的三維深度圖像的方法。

實現本發明的技術解決方案為：一種主動提取目標深度細節的快速成像方法，步驟如下：

第一步，首先假設未知的目標場景僅有一層深度細節復雜度，并以粗掃描步長快速獲取目標的低分辨率3-D圖像。

第二步，我們定義初始獲得的目標低分辨率3-D圖像對應的數據矩陣為深度矩陣，并根據空間相關性將其轉化為0-1矩陣，稱為細節矩陣，其中，標記為“0”的元素表示其深度細節層次僅有一層，而標記為“1”的元素則表示深度細節復雜度較豐富的區域，并以該細節矩陣作為目標結構的先驗信息，決定激光光斑的掃描步長。

第三步，細化分割目標深度細節。根據得到的細節矩陣，若細節矩陣的所有元素值均為“0”，則表示該部分目標區域的細節分割結束；否則，對于值為“1”的元素區域，即可能包含多層深度細節的目標區域，采用3×3窗口矩陣進行深度細節的進一步細化分割，重復步驟2)、步驟3)，直到所有目標區域對應的細節矩陣的元素都為“0”為止；

第四步，根據得到不同區域不同的掃描步長，利用激光雷達系統對目標場景進行掃描，快速獲取目標場景深度圖像。

利用上述四個步驟，本發明能夠自適應決定掃描步長，從而快速獲取目標的深度圖像。