基于激光成像雷達的主被動光學圖像融合技術研究

鐘春曉

（華東交通大學理工學院，江西 南昌 330100）

基于激光成像雷達的主被動光學圖像融合技術研究

鐘春曉

（華東交通大學理工學院，江西 南昌 330100）

文章首先對激光成像雷達及光學成像進行了簡單概述，繼而對激光成像雷達原理及特點展開詳細分析，最后分基本流程簡介、激光雷達數據降噪、可見光圖像降噪、基于激光成像雷達的圖像配準4步對基于激光成像雷達的主被動光學圖像融合展開了詳細論述。

激光成像雷達；主被動光學；圖像融合

隨著我國整體工業水平的不斷提升，在圖像質量上的要求也越來越高，通過對光學圖像和激光圖像兩者不同圖像的融合，在賦予圖像三維立體信息的同時，也給予了其更為豐富的光譜信息，融合之后所獲得的圖像，可幫助圖像的使用者更為深入和準確地了解圖像中所顯示物體的信息。基于此，文章以基于激光成像雷達的主被動光學圖像融合技術實現為主要內容，分3部分展開了細致的分析探討，旨在提供一些該方面的理論參考。

1 激光成像雷達及主被動光學成像概述

1.1 激光成像雷達簡介

激光成像雷達屬于主動式成像系統的一種，可以就目標物的距離、角度、位置以及時間等信息進行獲取，是一種可以實時獲取極高分辨率的三維空間信息的技術方法。激光成像雷達具有抗隱身、抗干擾能力強以及測量位置精準等優勢，但同時也存在著光譜信息單一，不能對物體的紋理以及平面幾何形狀等信息進行獲取的缺點。20世紀80年代，隨著改革開放的大潮激光雷達成像在我國逐漸興起研發，目前我國諸多高校內已設置了相關的專業進行教學[1]。

1.2 光學成像技術概述

對于一般光學成像而言，都屬于被動式成像的模式，具有分辨率高、可獲取詳細物體紋理信息等優勢，尤其是針對可見光圖像，其不僅僅就圖像的邊緣進行清晰的顯示，同時在圖像的細部比較上也十分明顯。但是所獲得圖像不能就物體表面的空間位置進行展示。

從以上對激光成像雷達和主被動光學成像技術的簡介可知，兩者在優劣勢上處于一個彼此互補的情況下，因此如果在圖像的制作過程中可充分將兩者進行融合使用，則可在保障制作圖像具備表面空間信息同時，又在其紋理和平面幾何形狀上有一個很好的展示。

2 激光成像雷達原理及特點

2.1 激光成像雷達原理

激光成像雷達屬于主動式傳感器技術的一類，和一般的微博雷達相比其波長更短，因此具有更高的成像分辨率；和一般的光學成像技術比較，其可以額外提供物體的距離數據，是一種可獲取物體三維信息的成像技術。激光成像雷達探測體制在其組成上主要包括發射/接受光學系統、激光發射/接收系統以及圖像處理單元3個部分。成像原理為在激光成像雷達控制系統的控制下，由激光雷達對探測區域進行地毯式的逐點探測，然后將獲取的信息上傳至圖像處理單元完成最后的整幀圖像的處理。激光成像雷達所發出的每一個激光發射脈沖，只單獨對應一個測量目標，在對探測區域進行反復多次測量后，根據空間和時間順序進行逐一的拼接，即獲得最后的完整圖像。

2.2 激光成像雷達特點

激光成像雷達所獲取的物體信息包括目標的角度、位置、強度以及時間等。在實際的應用中，則是需要基于設備的不同狀態，就某一特定波長的目標強度信息和距離信息進行獲取，具有4個方面的特點。

2.2.1 數據量龐大

從激光成像雷達的設備計算時間上觀察，每一秒便需要對10 000個點進行測量，通過簡單計算，在連續工作一個小時后所產生的數量將達到3.6×107個，數據量龐大。

2.2.2 獲取數據點不連續、分散

激光成像雷達是對目標物進行抽樣探測，在抽樣上難以保障其連續性，所獲取的數據信息也是離散的。

2.2.3 存在數據縫隙

在激光成像雷達獲取物體信息的過程中，因為物體特性以及遮擋等因素的影響，會導致最后所獲取的信息存在部分區域沒有回波，存在一些數據上的縫隙。

2.2.4 光譜信息單一

不能對物體的紋理以及平面幾何形狀等信息進行獲取，因此有必要和其他光學傳感數據聯合使用以獲取更為完善的物體信息[2]。

3 激光成像雷達主被動光學圖像融合

3.1 基本流程簡介

首先由激光雷達和一般的可見光相機對同一物體進行數據的采集，經過降噪處理后進行圖像之間的配準，然后基于兩者的像素進行融合。此過程包括用戶對特征信息的獲取與分類以及最后的決策，得到最終的融合圖像。激光雷達所獲取的圖像信息和一般可見光相機所獲取的圖像信息在成像機理、時相以及電磁波段上都存在很大的差異，因此，在進行圖像配準之前必須對其進行降噪處理，繼而完成進一步的圖像配標融合作業。

3.2 激光雷達數據降噪

對激光雷達數據進行降噪處理是激光雷達主被動光學圖像融合實現的基礎。具體的處理手段為使用濾波的方式去除噪聲，通過內插獲取等值線以及格網數據的追蹤。此外，為了實現對圖像中單一有用建筑物的提取，還需要對激光點云圖像進行閾值的分割處理。最后由激光點云網格化完成圖像配標前預處理工作[3]。

3.3 可見光圖像降噪

在一般可見光圖像中，均存在著很多的不同種類的噪聲污染，包括椒鹽噪聲、高斯噪聲等等。對可見光圖像的降噪預處理工作主要是完成圖像的降噪以及亮度的調節。在處理上仍然采用濾波的形式，在降噪過程中，需要保持圖像細節的完整，同時還需要有效去除噪聲[4]。一般的中值濾波器和線性濾波器降噪的效果并不好，自適應中值濾波則是一種可充分使用的一種降噪技術。其在使用中可對中值濾波進行適應性的調節，因此在降噪的同時可以保留下最大的圖像細節，對于密度更高的椒鹽噪聲也可以實現平滑處理。自適應中值濾波在降噪處理上，首先對噪聲圖像濾波窗口中的最小灰度像素以及最大灰度像素進行去除，然后求出其中間值，再通過計算獲得像素灰度值和中間值之間的差值，并和閾值進行比對，基于比對結果判定是否使用差值將該像素的灰度值進行取締[5]。

3.4 基于激光成像雷達的圖像配準

完成激光成像雷達圖像和可見光圖像的降噪預處理后，則進行正式的圖像配準，這也是基于激光成像雷達的主被動光學圖像融合的最關鍵環節。通過不同設備所獲取的光學圖像和距離圖像，因為在拍攝的過程中，成像角度以及設備視場不同，所獲取的物體成像位置和比例也會不同。因此，對圖像的特征進行配標是圖像融合質量的關鍵。

所謂圖像配準是指通過對同一物體的兩幅圖像所描述的同一位置進行匹配，在兩幅圖片間建立起一個對應關系，就相應的幾何變換進行確定的操作。從圖像配準的實質上觀察，是在空間上將兩幅圖進行配準，包括絕對配標和相對配標兩種。其中絕對配標是指配標的對象和為多幅圖像，將這些圖像均置于一個地理坐標系下進行對其幾何要素進行校正，然后再重新采用，獲取相同分辨率的圖像。相對匹配其參考對象單一某波段的圖像，因此在坐標系上可以自由選擇[6]。目前應用較為廣泛的為相對配標中的空間配準方式，具體配準融合流程分為4步：（1）選擇兩幅圖像中的明顯特征，例如邊界、控制點以及線狀物交叉點等；（2）特征匹配，在一定配準計算后，對兩幅圖的控制點進行明確，控制點可選擇明顯的地物特征；（3）尋找空間變化，基于已設定的控制點建立兩幅圖像之間的映射關系；（4）基于已建立好映射關系，對非參考圖像進行重新采用，獲得和參考相應配準的圖像，完成兩幅圖像的融合。

空間域配準方式主要有3種：（1）基于控制點完成配準，點特征具有較強的適用性，在使用中首先選擇出匹配的點，然后獲取相關信息并進行函數匹配完成配準；（2）基于矩完成配準，該方法較為復雜，要求每一幅圖像均在經過標準化處理后進行配準，即同一個被歸一化處理后的矩所對應的參照位置完成配準；（3）基于邊緣完成配準，這種方式下控制點以圖像邊緣為主，通過對圖像邊緣像素密度的比較，將幾何變換參數直接導出，并就其中某一幅圖像實施相應變換，最終完成配準[7]。

4 結語

綜上所述，激光成像雷達成像圖片作為一種主動成像技術，所成像具有物體距離數據等信息，而一般光學圖像作為一種被動成像技術，在物體的表面幾何信息以及紋理信息的獲取上具有十分明顯的優勢。文章在對兩者進行介紹的基礎上，提出了特征獲取、特征匹配、建立映射關系以及完成圖像融合4步基于激光成像雷達的主被動光學圖像融合途徑，希望給我國相關領域內的企業和研究人員一定參考，提升圖像制作水平。

[1]黃濤，胡以華，趙鋼，等.基于激光成像雷達距離圖像的目標提取與分類技術[J].紅外與毫米波學報，2011（2）：179-183.

[2]嚴潔，阮友田，薛珮瑤，等.主被動光學圖像融合技術研究[J].中國光學，2015（3）：378-385.

[3]王平，高穎慧，李飚，等.激光成像雷達空間目標探測與識別技術[J].現代防御技術，2012（1）：31-36.

[4]陳鳳，朱潔，顧冬晴，等.基于激光成像雷達的空間非合作目標相對導航技術[J].紅外與激光工程，2016（10）：99-106.

[5]陳肖，周東.APD陣列激光成像雷達處理電路的研究進展[J].激光與紅外，2015（9）：1018-1022.

[6]嚴潔，阮友田，薛珮瑤.主被動光學圖像融合技術研究[J].中國光學，2015（3）：378-385.

[7]阮飛.基于光學傳感器數據融合的小目標識別方法研究[J].電子測試，2016（8）：38-40，78.

Study on the initiative and passive optical image fusion based on laser imaging radar

Zhong Chunxiao
（Institute of Technology, East China Jiao Tong University, Nanchang 330100, China）

In this paper, the laser imaging radar and optical imaging are briefly summarized firstly, and then the principles and characteristics of laser imaging radar are analyzed in detail. Finally, the basic flow profile, the laser radar data noise reduction, visible light image noise reduction, image registration based on laser imaging radar four steps on the initiative and passive optical image fusion based on laser imaging radar discussed in detail.

laser imaging radar; initiative and passive optics; image fusion

鐘春曉（1982— ），男，江西泰和人，講師，碩士；研究方向：電氣工程，光學。