魏洪朋,侯云海,馬 瑩

(長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,吉林 長春 130012)

激光距離選通三維成像及其三維重構(gòu)

魏洪朋,侯云海,馬 瑩

(長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,吉林 長春 130012)

距離選通成像技術(shù)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(tǒng)的信噪比及較高的分辨率等優(yōu)點(diǎn),多應(yīng)用于現(xiàn)代軍事國防,比如目標(biāo)探測、水下偵察及激光雷達(dá)等方面.介紹了激光距離選通三維成像技術(shù)的原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及三維重構(gòu)的方法對比.

距離選通;三維重構(gòu);二值法;質(zhì)心法

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

1 距離選通成像三維重構(gòu)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(shí)步進(jìn)得到的二維切片圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像,在灰度圖像中,每一個(gè)像素的值都在0~255之間,這256個(gè)值代表著不同的亮度等級.在這256個(gè)數(shù)值中選擇恰當(dāng)?shù)闹底鳛殚撝礜,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(gè)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(shù)據(jù)量的分析減少,黑色和白色能夠明顯突出目標(biāo)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(yīng)一個(gè)延時(shí)時(shí)間,再對每一幅圖像進(jìn)行二值化處理,這樣就可以由時(shí)間和二值圖像計(jì)算出相應(yīng)的圖像距離,公式如下:

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

由式(2)可以計(jì)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(yīng)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(biāo)物體三維信息的圖像矩陣,公式如下:

式(3)中:B為目標(biāo)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(gè)二維切片圖像對應(yīng)的距離.

1.2 質(zhì)心法

質(zhì)心法是由延時(shí)步進(jìn)根據(jù)回波時(shí)間的不同得到一系列質(zhì)心不同的圖像,再經(jīng)過算法處理,實(shí)現(xiàn)二維切片強(qiáng)度圖像的三維重構(gòu).質(zhì)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(qiáng)度總和;Ii(x,y)為第i幅二維切片圖像在(x,y)處的強(qiáng)度;〈t〉為強(qiáng)度質(zhì)心對應(yīng)的時(shí)間延時(shí).

根據(jù)式(4)(5)可知,通過計(jì)算就可以得到目標(biāo)物體在某一角度下的距離矩陣,而前面提到質(zhì)心法是由時(shí)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(shí)時(shí)間如下:

式(6)中:ti為第i幅二維切片圖像所對應(yīng)的延時(shí)時(shí)間;t0為初始的延時(shí)時(shí)間;Δt為相鄰的2幅二維切片圖像延時(shí)時(shí)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(qiáng)度都進(jìn)行了加權(quán)平均,這是因?yàn)槊恳环S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(xiàn)最大,而隨著距離的增加貢獻(xiàn)減小.

2 距離選通成像實(shí)驗(yàn)和三維圖像重構(gòu)

2.1 激光距離選通三維成像實(shí)驗(yàn)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)進(jìn)行了延時(shí)步進(jìn)成像實(shí)驗(yàn),將700 m處一棟結(jié)構(gòu)分明的樓房作為實(shí)驗(yàn)對象.實(shí)驗(yàn)時(shí),DG535數(shù)字信號延時(shí)發(fā)生器、ANRON PG 1000C信號發(fā)生器以及MCP微通道板的自身延時(shí)分別為75 ns、175 ns和50 ns.成像時(shí),DG535數(shù)字信號發(fā)生器開始延時(shí)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(yīng)的目標(biāo)深度應(yīng)為4 566~4 666 ns所對應(yīng)的距離,即目標(biāo)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(yīng)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(biāo)物體三維信息的圖像矩陣.首先對圖片進(jìn)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(yīng)的延時(shí)時(shí)間分別為4 566 ns、4 616 ns和4 666 ns,根據(jù)公式計(jì)算,對應(yīng)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(biāo)的三維像,如圖2所示.

2.3 質(zhì)心法三維圖像合成

二值法不能夠完全反映目標(biāo)的距離信息,所以采用質(zhì)心法來進(jìn)行二維切片圖像的三維合成.質(zhì)心法要求相鄰切片圖像之間的時(shí)間間隔遠(yuǎn)小于其景深,MCP門寬為50 ns,則相鄰切片時(shí)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(yuǎn)一些,兩側(cè)部分偏近一些,與實(shí)際目標(biāo)的結(jié)構(gòu)層次相同.目標(biāo)物體大致有4種顏色,說明每1 m的距離可以由一個(gè)顏色代表,這就說明由質(zhì)心法合成的三維圖像的精度可以達(dá)到1 m,進(jìn)一步說明質(zhì)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(biāo)三維像

圖3 質(zhì)心法合成的目標(biāo)三維像

3 結(jié)束語

本文介紹了激光距離選通三維成像技術(shù)的基本原理、距離選通成像技術(shù)的系統(tǒng)構(gòu)成以及2種三維圖像合成的方法,即二值法和質(zhì)心法,并且通過實(shí)驗(yàn)對目標(biāo)進(jìn)行2種方法的三維圖像合成,得出了質(zhì)心法的精度優(yōu)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