一種用于運動目標三維成像的激光探測系統(tǒng)及成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光成像探測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于運動目標三維成像的激光探測 系統(tǒng)及成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 三維成像是判別物體姿態(tài)，識別真假目標的有效手段。在距離選通激光主動成像 時，對于靜止目標而言，可以通過對目標切片成像，獲得不同選通距離的目標圖像，進而通 過算法獲得目標的三維圖像。而對于運動目標而言，在切片成像的同時，目標的空間位置會 發(fā)生變化，因此需要對不同選通距離的目標圖像進行配準，使目標的空間位置基本對齊，而 后才能獲得目標的三維圖像。
[0003] 其中兩項關(guān)鍵技術(shù)就是激光圖像配準和三維重構(gòu)算法。由于激光圖像存在噪聲 大，紋理信息不豐富，加上大氣湍流造成的灰度的不規(guī)則變化，不同切片圖像之間明暗變 化大，因此特征的提取有一定的困難，很難提取出有效的特征點，因此很難采用點配準的方 式?；バ畔⑴錅仕惴ú恍枰獙υ紙D像做過多的圖像預(yù)處理，不需要進行特征提取，只要根 據(jù)基準圖像和待配準圖像對應(yīng)像素的統(tǒng)計值計算相似性函數(shù)，進而獲得最優(yōu)配準結(jié)果。另 外，在圖像配準過程中，基準圖像的選取對于配準能否成功有著至關(guān)重要的作用，尤其是對 運動目標進行切片成像的過程中，圖像質(zhì)量起伏很大，并不是每一幅圖像都可以作為基準 圖像，所以必須選擇成像質(zhì)量好的圖像作為基準圖像，進而對圖像進行校準。獲得目標的二 維強度切片圖像后，既可通過二維圖像求取目標的距離信息，進而合成三維圖像，常用的算 法有二值化和質(zhì)心算法，他們的本質(zhì)都是通過切片圖像間的幀間關(guān)系和灰度信息獲得對應(yīng) 的距離信息。二值化算法對閾值的選取有很大的依賴性，閾值合適與否直接關(guān)系到目標的 分割提取，在噪聲較大或圖像目標不明顯時，造成三維圖像難以反映實際結(jié)構(gòu)特征。質(zhì)心算 法中假設(shè)每個像素值都有一個灰度峰值對應(yīng)，但是在實際成像中，每個像素的灰度值與距 離值并不能一一對應(yīng)，灰度值出現(xiàn)平頂現(xiàn)象，另外由于噪聲及大氣等影響，灰度值可能會出 現(xiàn)多個峰值的現(xiàn)象，最大灰度值與多個切片成像時刻對應(yīng)，因此無法采用質(zhì)心法推算出距 離值。按照質(zhì)心法原理分析，采用質(zhì)心法三維重構(gòu)時需要至少3幅切片圖像，其三維重構(gòu)精 度隨著圖像數(shù)量的減少不斷降低。
[0004] 下述的文獻涉及到了基于距離選通三維成像的激光主動成像技術(shù)應(yīng)用：
[0005] (1)基于距離選通激光成像的實驗研究（2010年哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士論文）。
[0006] 文中主要介紹了距離選通門控切片激光成像實驗和增益調(diào)制激光成像實驗，并對 實驗數(shù)據(jù)分別采用質(zhì)心法和二值化法進行處理合成3D像；分析了距離選通門控切片激光 成像和增益調(diào)制激光成像的成像距離精度，門控切片成像在700m處的距離精度可以達到 lm;增益調(diào)制激光成像在60m的距離精度好于lm。通過實驗對兩種成像方式進行了分析， 距離選通門控切片成像適用于遠距離成像，增益調(diào)制激光成像方式適用于近距離成像。
[0007] (2)雙通道動態(tài)三維成像激光雷達的系統(tǒng)研究（2011年浙江大學(xué)碩士論文）
[0008] 由于受限于成像激光雷達的測量原理，單通道成像系統(tǒng)測量時要求成像系統(tǒng)相對 于場景保持靜止，文中提出了雙通道動態(tài)成像激光雷達的整體方案設(shè)計。經(jīng)過像素級配準 后的雙通道成像系統(tǒng)克服了單通道只能靜止拍攝的缺點，可以兩個通道同時對目標場景拍 攝，獲取在恒定增益和線性增益調(diào)制下的灰度圖像，進而計算得到距離圖，獲得目標的三維 圖像。
[0009] (3)距離選通激光成像系統(tǒng)三維重構(gòu)方法研究（2013哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士論文）。
[0010] 文中設(shè)計了距離選通成像系統(tǒng)三維重構(gòu)的實驗方案，門控切片技術(shù)選擇高MCP門 寬進行成像，在同一切片中包含了目標的所有信息，目標在不同切片中處于不同的成像回 波強度分布，然后利用質(zhì)心算法完成了目標的距離信息還原，完成了對近距離石膏人像和 遠距離建筑物的距離選通成像實驗。
[0011] 以上文獻涉及距離選通激光主動三維成像，文獻1是采用常規(guī)的質(zhì)心法和二值化 法，文獻2采用2套成像系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，文獻3改進了門控切片技術(shù)，依然采用 質(zhì)心法進行三維重構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種用于運動目標三維 成像的激光探測系統(tǒng)及成像方法，降低運動目標激光三維成像難度，提高三維成像精度。
[0013] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案：
[0014] 一種用于運動目標三維成像的激光探測系統(tǒng)包括：激光發(fā)射模塊、激光接收模塊、 ICCD成像陣列、激光測距模塊、同步控制模塊；
[0015] 激光發(fā)射模塊發(fā)射激光信號，經(jīng)大氣傳輸和目標反射后到達激光接收模塊；
[0016] 激光接收模塊將接收到的激光信號在ICCD成像陣列上進行成像，形成目標切片 圖像；
[0017] 激光測距模塊測量目標距離，并將該距離信息傳送至同步控制模塊，用以同步激 光發(fā)射模塊和ICCD成像；
[0018] 同步控制模塊根據(jù)用戶端發(fā)送的命令，產(chǎn)生特定時序的控制信號，發(fā)送至激光發(fā) 射模塊和ICCD成像陣列，實現(xiàn)激光發(fā)射模塊和ICCD成像陣列的同步，同時同步控制模塊用 于實現(xiàn)對ICCD成像陣列增益電壓的調(diào)節(jié)。
[0019] 激光發(fā)射模塊采用高功率脈沖半導(dǎo)體激光器并束光源。
[0020] 激光接收模塊采用折反式夜視鏡頭。
[0021] 同步控制模塊發(fā)送的控制信號包括發(fā)射激光的頻率、脈沖寬度、距離波門寬度， ICXD增益、1C⑶初始延時。
[0022] -種基于激光探測系統(tǒng)的運動目標三維成像方法，包括步驟如下：
[0023] (1)根據(jù)激光探測系統(tǒng)獲得目標切片圖像；
[0024] (2)從目標切片圖像中選取基準圖像；
[0025] (3)將基準圖像和待配準圖像進行互信息配準；
[0026] (4)判斷是否配準成功，若成功則輸出待配準圖像相對于基準圖像的偏移量和旋 轉(zhuǎn)量，根據(jù)偏移量和旋轉(zhuǎn)量矯正待配準圖像，與基準圖像實現(xiàn)空間一致，否則繼續(xù)采用粒子 群搜索算法對偏移量和旋轉(zhuǎn)量優(yōu)化，變換待配準圖像，并進入步驟（3);
[0027] (5)求取目標所在區(qū)域每個像素點的時間延遲％;
[0028] 理想灰度曲線x(n)與實測灰度曲線y(n)的互相關(guān)rxy(m)表示如下：
[0029]
[0030] 則互相關(guān)值最大時對應(yīng)于像素點（X，y)的時間延遲tw:
[0031]
[0032] 其中，h表示實測灰度曲線中首個非零點對應(yīng)延遲時間；k表示互相關(guān)最大值對應(yīng) 的橫坐標值，kAt/2表示對應(yīng)于取得最大值的時間間隔；
[0033] (6)計算對應(yīng)距離信息：
[0034]
[0035] 其中，t。表示激光脈沖發(fā)射時刻；
[0036] (7)根據(jù)每個像素對應(yīng)的距離信息直接換算出目標三維圖像。
[0037] 基準圖像選取方式如下：計算歸一化亮度、信噪比、平均梯度和邊緣強度之和，選 取最大值對應(yīng)的目標切片圖，作為基準圖像：
[0038] (la)進行亮度評價，計算目標所在區(qū)域圖像的灰度均值m:
[0039]
[0040] 其中，g(X，y)表示原始圖像，M、N分別對應(yīng)行數(shù)和列數(shù)；
[0041] (lb)計算信噪比：
[0042] (lbl)對原始圖像進行4X4區(qū)域分割處理；
[0043] (lb2)分別計算每個區(qū)域的標準差LSD，并求其平均值LSD^
[0044] (lb3)信噪比SNR=m/LSDm;
[0045] (lc)計算對比度C:
[0046]
[0047] 其中，1^表示原始圖像中目標區(qū)域圖像閾值在T內(nèi)的灰度均值情況；yB是表示 目標區(qū)域圖像附近的背景圖像的平均灰度情況；
[0048] (Id)計算平均梯度和邊緣強度：
[0049] 平均梯度：
[0050]
[0051] 邊緣強度：
[0052]
[0053] 其中，g(x，y)表示目標所在區(qū)域圖像；M，N表示原始圖像的行數(shù)及列數(shù)；ga(x，y)2 和gb(x，y)2是g(x，y)經(jīng)'sobel'算子對圖像進行邊緣檢測處理后所獲得的檢測圖像。
[0054] 本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是：
[0055] (1)根據(jù)激光圖像特點，提出了基于像質(zhì)評價的激光圖像互信息配準算法，選擇成 像質(zhì)量好的切片圖像作為基準圖像，使算法配準過程中的配準誤差降低，增加了配準成功 率。
[0056] (2)采用互相關(guān)算法進行激光三維成像，實現(xiàn)了保證精度情況下最少采用2幅切 片圖像合成一幅三維圖像的目標，避免了二值化算法精度不高和質(zhì)心算法擬合一幅三維圖 像所需二維圖像過多的缺點，大大降低了對運動目標的三維成像難度，進而可以對高速運 動目標實現(xiàn)三維成像。
【附圖說明】
[0057] 圖1為本發(fā)明方法流程圖；
[0058] 圖2為本發(fā)明切片成像示意圖；
[0059] 圖3a為本發(fā)明互相關(guān)算法理想灰度級曲線；圖3b為本發(fā)明互相關(guān)算法實測曲線； 圖3c為本發(fā)明互相關(guān)算法互相關(guān)曲線；
[0060] 圖4為本發(fā)明獲得的一組切片圖像；
[0061] 圖5為本發(fā)明配準后切片圖像；
[0062] 圖6為本發(fā)明不同數(shù)量切片圖像的互相關(guān)法重構(gòu)效果；
[0063] 圖7本發(fā)明2幅圖像不同步進重構(gòu)效果比較。
【具體實施方式】
[0064] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0065] 本發(fā)明有三個創(chuàng)新點，一個是距離選通激光主動成像系統(tǒng)；二是基于像質(zhì)評價的 圖像配準算法；三是運動目標互相關(guān)三維成像算法。首先采用成像系統(tǒng)獲得目標圖像，而后 采用像質(zhì)評價挑選出質(zhì)量較好的圖像進行配準，最后采用互相關(guān)算法對運動目標進行三維 成像。
[0066] 本發(fā)明一種用于運動目標三維成像的激光探測系統(tǒng)包括：激光發(fā)射模塊、激光接 收模塊、ICCD成像陣列、激光測距模塊、同步控制模塊；
[0067] 激光發(fā)射模塊發(fā)射激光信號，經(jīng)大氣傳輸和目標反射后到達激光接收模塊；
[0068] 激光接收模塊將接收到的激光信號在ICCD成像陣列上進行成像，形成目標切片 圖像；
[0069] 激光測距模塊測量目標距離，并將該距離信息傳送至同步控制模塊，用以同步激 光發(fā)射模塊和ICCD成像；
[0070]同步控制模塊根據(jù)用戶端發(fā)送的命令，產(chǎn)生特定時序的控制信號，發(fā)送至激光發(fā) 射模塊和ICCD成像陣列，實現(xiàn)激光發(fā)射模塊和ICCD成像陣列的同步，同時同步控制模塊用 于實現(xiàn)對ICCD成像陣列增益電壓的調(diào)節(jié)。
[0071] 激光發(fā)射模塊采用高功率脈沖半導(dǎo)體激光器光源。
[0072] 激光接收模塊采用折反式夜視鏡頭。
[0073] 同步控制模塊發(fā)送的控制信號包括發(fā)射激光的頻率、脈沖寬度、距離波門寬度， ICXD增益、1C⑶初始延時。
[0074] 如圖1所示，一種基于激光探測系統(tǒng)的運動目標三維成像方法，包括步驟如下：
[0075] (1)根據(jù)激光探測系統(tǒng)獲得目標切片圖像，如圖2所示；
[0076] (2)從目標切片圖像中選取基準圖像；