激光距离选通三维成像及其三维重构

魏洪朋,侯云海,马 莹

(长春工业大学 电气与电子工程学院,吉林 长春 130012)

激光距离选通三维成像及其三维重构

魏洪朋,侯云海,马 莹

(长春工业大学 电气与电子工程学院,吉林 长春 130012)

距离选通成像技术基于它能够克服激光后向散射、提高激光距离选通成像系统的信噪比及较高的分辨率等优点,多应用于现代军事国防,比如目标探测、水下侦察及激光雷达等方面.介绍了激光距离选通三维成像技术的原理、系统结构及三维重构的方法对比.

距离选通;三维重构;二值法;质心法

激光距离选通三维成像技术是一种近二十几年才开始起步的新型主动成像技术,利用红外脉冲激光器发射出的激光照射在被测的目标物体上,选通增强型CCD(ICCD)接收并处理反射回来的光而进行成像.在亮度昏暗、空气质量较差的恶劣环境下,激光距离选通技术能够有效地克服后向散射,并且能够提高系统的信噪比,已经成为现在研究的热潮.与传统的被动成像相比,该技术成像更加清晰,有较高的对比度和更强的适应性.

1 距离选通成像三维重构的方法

1.1 二值法

二值法合成三维图像就是将距离选通延时步进得到的二维切片图像转换成灰度图像,在灰度图像中,每一个像素的值都在0~255之间,这256个值代表着不同的亮度等级.在这256个数值中选择恰当的值作为阈值N,这样灰度图像的像素就会被分成2组,可以表示为:

式(1)中:g(x,y)为被阈值归分之后的灰度值,这个值只能为255或0;f(x,y)为灰度图像中像素的灰度值;N为选择的阈值.

这种方法使得图像变得简单,数据量的分析减少,黑色和白色能够明显突出目标物体的轮廓.

我们所得到的一系列二维切片图像,每一幅都对应一个延时时间,再对每一幅图像进行二值化处理,这样就可以由时间和二值图像计算出相应的图像距离,公式如下:

式(2)中:ri为系统作用距离;c为真空中光的传播速度;ti为延时时间;n为大气折射率.

由式(2)可以计算出每一幅二维切片图像的距离值.二值法合成三维图像的过程是将一系列二值化处理后得到的二维切片矩阵与其对应的距离值相乘,然后将得到的矩阵再相加,就得到了能够反映目标物体三维信息的图像矩阵,公式如下:

式(3)中:B为目标物体三维像矩阵;Ai为二值化处理后二维切片图像矩阵;ri为第i个二维切片图像对应的距离.

1.2 质心法

质心法是由延时步进根据回波时间的不同得到一系列质心不同的图像,再经过算法处理,实现二维切片强度图像的三维重构.质心法的公式如下:

式(4)(5)中:I(x,y)为所有二维切片图像在(x,y)处的强度总和;Ii(x,y)为第i幅二维切片图像在(x,y)处的强度;〈t〉为强度质心对应的时间延时.

根据式(4)(5)可知,通过计算就可以得到目标物体在某一角度下的距离矩阵,而前面提到质心法是由时间延迟从小到大的一系列二维切片图像处理得来,这些图片的延时时间如下:

式(6)中:ti为第i幅二维切片图像所对应的延时时间;t0为初始的延时时间;Δt为相邻的2幅二维切片图像延时时间间隔.

将式(6)带入式(5)中可以得到下式:

由此可以看出式(7)对i的强度都进行了加权平均,这是因为每一幅二维切片图像都有一定的景深距离范围Δr,而第i幅图像的距离是ri±Δr/2,而只有ri处的回波才对第i幅图像的贡献最大,而随着距离的增加贡献减小.

2 距离选通成像实验和三维图像重构

2.1 激光距离选通三维成像实验

哈尔滨工业大学进行了延时步进成像实验,将700 m处一栋结构分明的楼房作为实验对象.实验时,DG535数字信号延时发生器、ANRON PG 1000C信号发生器以及MCP微通道板的自身延时分别为75 ns、175 ns和50 ns.成像时,DG535数字信号发生器开始延时是4 500 ns,MCP的脉宽为50 ns,所以每隔50 ns成一幅图像,截至4 600 ns,成了3幅二维切片图像,相应的目标深度应为4 566~4 666 ns所对应的距离,即目标在684.90~700 m.

2.2 二值法三维图像合成

二值法合成三维图像的过程是将一系列二值化处理后得到的二维切片矩阵与其对应的距离值相乘,然后将得到的矩阵再相加,就得到了能够反映目标物体三维信息的图像矩阵.首先对图片进行二值化处理,如图1所示.

图1 二值化处理后的图像

以上3幅二值图片对应的延时时间分别为4 566 ns、4 616 ns和4 666 ns,根据公式计算,对应的距离分别是684.9 m、692.4 m和699.9 m,再由二值法得到目标的三维像,如图2所示.

2.3 质心法三维图像合成

二值法不能够完全反映目标的距离信息,所以采用质心法来进行二维切片图像的三维合成.质心法要求相邻切片图像之间的时间间隔远小于其景深,MCP门宽为50 ns,则相邻切片时间间隔为5 ns,合成的三维图像如图3所示,不同颜色代表着不同的距离值.该三维图像的距离值在690~700 m之间,中间部分偏远一些,两侧部分偏近一些,与实际目标的结构层次相同.目标物体大致有4种颜色,说明每1 m的距离可以由一个颜色代表,这就说明由质心法合成的三维图像的精度可以达到1 m,进一步说明质心法可以提高三维图像合成的精度.

图2 二值法合成的目标三维像

图3 质心法合成的目标三维像

3 结束语

本文介绍了激光距离选通三维成像技术的基本原理、距离选通成像技术的系统构成以及2种三维图像合成的方法,即二值法和质心法,并且通过实验对目标进行2种方法的三维图像合成,得出了质心法的精度优于二值法.

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〔编辑:刘晓芳〕

TN249;TN958.98

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.22.105

2095-6835(2017)22-0105-02