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红外与激光工程 2020年第8期49卷 52-58页

作者：龚道然李思宁姜鹏刘迪孙剑峰哈尔滨工业大学光电子技术研究所可调谐激光技术国家级重点实验室黑龙江哈尔滨150001 复杂系统控制与智能协同技术重点实验室北京100074

针对目前激光雷达三维距离像分辨率低的问题,使用成本低且有效的图像处理方法获得高分辨三维距离像。首先,利用多传感器系统的特点,将低分辨率Gm-APD激光雷达与高分辨率ICCD激光雷达相结合,获得配准后的低分辨距离像和高分辨强度像,然后... 详细信息

针对目前激光雷达三维距离像分辨率低的问题,使用成本低且有效的图像处理方法获得高分辨三维距离像。首先,利用多传感器系统的特点,将低分辨率Gm-APD激光雷达与高分辨率ICCD激光雷达相结合,获得配准后的低分辨距离像和高分辨强度像,然后,提出了一种改进的图像引导算法实现低分辨图像超分辨重构。该方法使用马尔科夫随机场模型,定义了全局能量函数,该函数将距离保真项和正则化项相结合,通过求解优化模型获得高分辨三维距离像。通过对仿真图像和激光雷达距离像的超分辨重构处理,以主观视觉效果和图像质量客观评价指标来验证此方法。实验结果表明,该方法提高了距离像的分辨率,且很好地保护了图像的边缘结构,在无参考图像质量评价指标上较双三次插值、引导滤波和TGV取得更优值。

关键词：超分辨重构激光雷达三维距离像 ICCD

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基于三维距离像局部特征的地面目标识别技术

基于三维距离像局部特征的地面目标识别技术

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作者：武元昊西安工业大学

学位级别：硕士

三维成像激光雷达,因具有定位信息精确、数据维数多、抗干扰能力强等优势,广泛应用于精确制导、对地遥感、导航和反恐安检等军事和民用领域。基于局部特征的地面刚性目标识别,虽有效解决了遮挡下的目标识别问题,但由于三维成像激光雷达... 详细信息

三维成像激光雷达,因具有定位信息精确、数据维数多、抗干扰能力强等优势,广泛应用于精确制导、对地遥感、导航和反恐安检等军事和民用领域。基于局部特征的地面刚性目标识别,虽有效解决了遮挡下的目标识别问题,但由于三维成像激光雷达在获取地面场景信息时,容易受噪声干扰、数据分辨率变化等影响,导致地面目标识别精度下降。因此,本文针对基于局部特征的地面目标识别技术展开研究,主要内容如下:（1）深入探究了模型库建立、特征点提取、特征描述、特征匹配及假设生成与验证等三维地面目标识别中的关键技术,分析了各步骤中常用方法对识别性能的影响。使用激光雷达采集实际数据并制作地面目标数据库,弥补了模型库中地面刚性目标的不足;对现有典型局部特征描述子的构建方法进行了深入分析,明晰了局部参考框架、几何信息编码和空间划分方式等构建方法对描述子性能的影响,为后续构建局部特征描述子、提高识别精度提供了理论支撑。（2）为提高局部特征描述子在噪声干扰、遮挡及数据分辨率变化等情况下对目标特征的描述能力,本文在局部参考框架中充分编码局部表面空间和几何信息,结合特征点之间的信息,构建了一种基于偏差角统计（Deviation angle statistics of keypoints from local points,adjacent keypoints,DASKL）的局部特征描述子。通过预先计算多尺度局部参考轴,在匹配阶段根据尺度策略选取合适的局部参考轴,提高了对噪声和不同数据分辨率的鲁棒性;在细分空间中完全编码局部参考轴与法线偏差角,提高对局部表面的描述性;计算特征点与三个最近特征点局部参考框架之间的偏差角,增强了描述子对相似局部表面的区分能力。在B3R、UWAOR公共数据库及地面目标数据库中进行特征匹配实验,与FPFH、SHOT与ROPS描述子进行对比,结果表明,本文所提局部特征描述子具备更好的描述性和时效性,对噪声干扰、遮挡及点云分辨率变化的鲁棒性更强。（3）为提高在噪声干扰、遮挡及数据分辨率变化等情况下的地面目标识别精度,本文在识别算法中对地面场景采用布料模拟滤波进行地面分割,结合本文描述子,设计了后续特征匹配及假设生成与验证的方法。在三个数据库中,与基于FPFH、SHOT与ROPS三种描述子实现的识别算法进行对比测试,实验结果表明,本文的方法对于噪声干扰、遮挡及数据分辨率变化问题具有更好的识别效果。（4）为实现在真实场景中对地面目标识别技术的应用,本文设计并开发了地面目标识别软件原型系统,系统集成了本文识别方法的相关算法,并设计了能更改算法重要参数的交互界面,以及可视化算法结果的界面。在系统中,采集实际地面场景与低分辨目标数据,用本文基于偏差角统计的描述子的识别算法实时进行目标识别,并在同等条件下,与基于FPFH、SHOT、ROPS描述子实现的识别算法进行对比,实验结果表明了本文方法在实际应用场景中的准确性,及对低分辨目标的通用性。本文针对地面场景三维距离像在噪声干扰、数据分辨率变化导致识别精度下降的问题,提出了一种基于偏差角统计的局部特征描述子的地面目标识别方法,并基于此方法开发了地面目标识别软件原型系统。通过相关实验,验证了所提方法的鲁棒性及适用性,推动了地面目标识别系统的实际工程化应用。

关键词：三维距离像局部特征描述地面目标识别特征匹配

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盖革APD激光雷达高空间分辨率三维重构方法研究

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现代电子技术 2024年第15期47卷 8-13页

作者：金长江董光焰李忠旺冯谦孙剑峰宋欠欠中国电子科技集团公司第二十七研究所河南郑州450047 西安电子科技大学光电工程学院陕西西安710071 嵩山实验室河南郑州450047 哈尔滨工业大学激光空间信息全国重点实验室黑龙江哈尔滨150001

盖革模式阵列APD激光雷达由于像元数的限制导致重构的三维距离像分辨率低,严重限制了对场景信息的感知识别能力。为此,提出一种基于改进图像引导的盖革模式阵列APD激光雷达超分辨三维图像重构算法。主要研究基于配准后的盖革APD低分辨... 详细信息

盖革模式阵列APD激光雷达由于像元数的限制导致重构的三维距离像分辨率低,严重限制了对场景信息的感知识别能力。为此,提出一种基于改进图像引导的盖革模式阵列APD激光雷达超分辨三维图像重构算法。主要研究基于配准后的盖革APD低分辨距离图像、增强电荷耦合器件(ICCD)相机高分辨强度图像和马尔科夫随机场模型,建立具有距离保真项和正则化项约束的全局能量函数,最终对优化模型的最优化求解实现高分辨强度图像对低分辨距离图像的超分辨引导重构。实验结果表明,相较于现有算法,文中算法在提升重构三维图像分辨率的同时,也使图像的边缘更加锐利。该研究对于盖革模式阵列APD激光雷达的目标探测、识别和跟踪具有重要意义。

关键词：盖革APD激光雷达三维距离像 ICCD成像引导成像超分辨重构马尔科夫随机场模型

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异分辨率激光复合成像超分辨三维重构算法研究

异分辨率激光复合成像超分辨三维重构算法研究

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作者：龚道然哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

Gm-APD激光雷达因其探测灵敏度高、距离分辨率高、方便集成等特点成为现今一大热门研究领域,但通常其距离像的空间分辨率低,ICCD激光雷达强度像的空间分辨率高。为了提高Gm-APD距离像的空间分辨率,本课题通过搭建Gm-APD激光雷达和ICCD... 详细信息

Gm-APD激光雷达因其探测灵敏度高、距离分辨率高、方便集成等特点成为现今一大热门研究领域,但通常其距离像的空间分辨率低,ICCD激光雷达强度像的空间分辨率高。为了提高Gm-APD距离像的空间分辨率,本课题通过搭建Gm-APD激光雷达和ICCD激光雷达双波长复合成像系统采集低分辨距离像和高分辨强度像,研究了区域相似度引导超分辨三维重构算法,该算法利用ICCD强度像的高空间分辨率优势引导低空间分辨率的Gm-APD距离像重构生成高空间分辨率的Gm-APD距离像。针对该算法的区域相似度引导项的标准差不可控和重构像边缘模糊两大不足,本文在此基础上提出了改进的图像引导超分辨三维重构算法。首先,调研了图像超分辨三维重构算法的研究现状,通过对国内外研究现状的分析,将区域相似度引导的图像引导算法作为本文的主要研究方向。因此,本文研究了区域相似度引导的图像引导算法原理,通过详细地公式推导获得了该算法最优化目标方程的解析解,同时研究了无参考图像质量评价指标和有参考图像质量评价指标以评估超分辨重构图像质量。进一步使用双三次插值、标准图像引导算法、引导滤波、TGV和区域相似度引导的图像引导算法对仿真数据和真实雷达数据进行超分辨重构处理,利用主观视觉效果和图像质量评价指标评估各算法的性能,分析了区域相似度引导的图像引导算法的优势和两个不足之处,优势在于通过对仿真数据的重构结果进行研究,发现区域相似度引导的图像引导算法重构像最清晰、边缘最锐利,且纹理复制现象少,获得了最佳的主观视觉效果和最优的指标表现,不足之处在于区域相似度引导项的标准差不可控导致重构质量不稳定,且重构像边缘模糊。其次,针对重构像边缘模糊的问题,本文提出了高斯核函数标准差自适应化、基于局部内容感知的范数模型构建、基于分区域插值的高分辨距离引导图像和超像素分割边缘惩罚引导项四项算法改进;针对区域相似度引导项的标准差不可控的问题,本文提出了可控高斯核函数的区域相似度引导项。本文使用迭代加权最小二乘法求解改进后算法的最优解,通过详细地公式推导获得了最优化方程的迭代解析解。进一步使用仿真数据,通过主观视觉效果和有参考图像质量客观评价指标对每项改进后的算法进行性能验证,并利用双三次插值、引导滤波、TGV、标准图像引导算法、区域相似度引导的图像引导算法和综合所有改进的图像引导算法对仿真数据进行超分辨重构处理,结果表明本文提出的改进算法重构像较其他算法清晰度更高、边缘更锐利、纹理复制现象更少,且指标表现最优,本文算法较其他算法,RMSE最高提升72%,SSIM最高提升7%。最后,搭建了双波长激光雷达复合成像系统,通过对成像系统采集图像进行预处理获得了低分辨Gm-APD距离像和高分辨ICCD强度像。进一步使用雷达图像,通过主观视觉效果和无参考图像质量客观评价指标对每项改进后的算法进行性能验证,并利用双三次插值、引导滤波、TGV、标准图像引导算法、区域相似度引导的图像引导算法和综合所有改进的图像引导算法对雷达图像进行超分辨重构处理,结果表明本文提出的改进算法重构像较其他算法边缘更锐利,指标表现更优,本文算法较其他算法,Brenner梯度最高提升151%,能量梯度最高提升357%,Laplacian梯度最高提升31%,提升幅度明显。

关键词：激光雷达 ICCD 三维距离像超分辨重构

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