激光距離選通三維成像及其三維重構

魏洪朋,侯云海,馬 瑩

(長春工業大學 電氣與電子工程學院,吉林 長春 130012)

激光距離選通三維成像及其三維重構

魏洪朋,侯云海,馬 瑩

(長春工業大學 電氣與電子工程學院,吉林 長春 130012)

距離選通成像技術基于它能夠克服激光后向散射、提高激光距離選通成像系統的信噪比及較高的分辨率等優點,多應用于現代軍事國防,比如目標探測、水下偵察及激光雷達等方面.介紹了激光距離選通三維成像技術的原理、系統結構及三維重構的方法對比.

距離選通;三維重構;二值法;質心法

激光距離選通三維成像技術是一種近二十幾年才開始起步的新型主動成像技術,利用紅外脈沖激光器發射出的激光照射在被測的目標物體上,選通增強型CCD(ICCD)接收并處理反射回來的光而進行成像.在亮度昏暗、空氣質量較差的惡劣環境下,激光距離選通技術能夠有效地克服后向散射,并且能夠提高系統的信噪比,已經成為現在研究的熱潮.與傳統的被動成像相比,該技術成像更加清晰,有較高的對比度和更強的適應性.

1 距離選通成像三維重構的方法

1.1 二值法

二值法合成三維圖像就是將距離選通延時步進得到的二維切片圖像轉換成灰度圖像,在灰度圖像中,每一個像素的值都在0~255之間,這256個值代表著不同的亮度等級.在這256個數值中選擇恰當的值作為閾值N,這樣灰度圖像的像素就會被分成2組,可以表示為:

式(1)中:g(x,y)為被閾值歸分之后的灰度值,這個值只能為255或0;f(x,y)為灰度圖像中像素的灰度值;N為選擇的閾值.

這種方法使得圖像變得簡單,數據量的分析減少,黑色和白色能夠明顯突出目標物體的輪廓.

我們所得到的一系列二維切片圖像,每一幅都對應一個延時時間,再對每一幅圖像進行二值化處理,這樣就可以由時間和二值圖像計算出相應的圖像距離,公式如下:

式(2)中:ri為系統作用距離;c為真空中光的傳播速度;ti為延時時間;n為大氣折射率.

由式(2)可以計算出每一幅二維切片圖像的距離值.二值法合成三維圖像的過程是將一系列二值化處理后得到的二維切片矩陣與其對應的距離值相乘,然后將得到的矩陣再相加,就得到了能夠反映目標物體三維信息的圖像矩陣,公式如下:

式(3)中:B為目標物體三維像矩陣;Ai為二值化處理后二維切片圖像矩陣;ri為第i個二維切片圖像對應的距離.

1.2 質心法

質心法是由延時步進根據回波時間的不同得到一系列質心不同的圖像,再經過算法處理,實現二維切片強度圖像的三維重構.質心法的公式如下:

式(4)(5)中:I(x,y)為所有二維切片圖像在(x,y)處的強度總和;Ii(x,y)為第i幅二維切片圖像在(x,y)處的強度;〈t〉為強度質心對應的時間延時.

根據式(4)(5)可知,通過計算就可以得到目標物體在某一角度下的距離矩陣,而前面提到質心法是由時間延遲從小到大的一系列二維切片圖像處理得來,這些圖片的延時時間如下:

式(6)中:ti為第i幅二維切片圖像所對應的延時時間;t0為初始的延時時間;Δt為相鄰的2幅二維切片圖像延時時間間隔.

將式(6)帶入式(5)中可以得到下式:

由此可以看出式(7)對i的強度都進行了加權平均,這是因為每一幅二維切片圖像都有一定的景深距離范圍Δr,而第i幅圖像的距離是ri±Δr/2,而只有ri處的回波才對第i幅圖像的貢獻最大,而隨著距離的增加貢獻減小.

2 距離選通成像實驗和三維圖像重構

2.1 激光距離選通三維成像實驗

哈爾濱工業大學進行了延時步進成像實驗,將700 m處一棟結構分明的樓房作為實驗對象.實驗時,DG535數字信號延時發生器、ANRON PG 1000C信號發生器以及MCP微通道板的自身延時分別為75 ns、175 ns和50 ns.成像時,DG535數字信號發生器開始延時是4 500 ns,MCP的脈寬為50 ns,所以每隔50 ns成一幅圖像,截至4 600 ns,成了3幅二維切片圖像,相應的目標深度應為4 566~4 666 ns所對應的距離,即目標在684.90~700 m.

2.2 二值法三維圖像合成

二值法合成三維圖像的過程是將一系列二值化處理后得到的二維切片矩陣與其對應的距離值相乘,然后將得到的矩陣再相加,就得到了能夠反映目標物體三維信息的圖像矩陣.首先對圖片進行二值化處理,如圖1所示.

圖1 二值化處理后的圖像

以上3幅二值圖片對應的延時時間分別為4 566 ns、4 616 ns和4 666 ns,根據公式計算,對應的距離分別是684.9 m、692.4 m和699.9 m,再由二值法得到目標的三維像,如圖2所示.

2.3 質心法三維圖像合成

二值法不能夠完全反映目標的距離信息,所以采用質心法來進行二維切片圖像的三維合成.質心法要求相鄰切片圖像之間的時間間隔遠小于其景深,MCP門寬為50 ns,則相鄰切片時間間隔為5 ns,合成的三維圖像如圖3所示,不同顏色代表著不同的距離值.該三維圖像的距離值在690~700 m之間,中間部分偏遠一些,兩側部分偏近一些,與實際目標的結構層次相同.目標物體大致有4種顏色,說明每1 m的距離可以由一個顏色代表,這就說明由質心法合成的三維圖像的精度可以達到1 m,進一步說明質心法可以提高三維圖像合成的精度.

圖2 二值法合成的目標三維像

圖3 質心法合成的目標三維像

3 結束語

本文介紹了激光距離選通三維成像技術的基本原理、距離選通成像技術的系統構成以及2種三維圖像合成的方法,即二值法和質心法,并且通過實驗對目標進行2種方法的三維圖像合成,得出了質心法的精度優于二值法.

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〔編輯:劉曉芳〕

TN249;TN958.98

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.22.105

2095-6835(2017)22-0105-02