激光三維成像技術(shù)及其主要應(yīng)用

王昊鵬，劉澤乾

（中國人民解放軍空軍航空大學(xué) 吉林 長(zhǎng)春 130022）

運(yùn)用三維激光成像技術(shù)可以將主動(dòng)成像提高到一個(gè)新的層面上，除了強(qiáng)度和角度的標(biāo)準(zhǔn)，還包括成像的范圍。利用三維幾何形狀可以解決對(duì)成像區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)和人物的識(shí)別和鑒定，并能將目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行對(duì)比。它同時(shí)也增強(qiáng)了“看”的能力，用于探測(cè)諸如植被、偽裝網(wǎng)、窗簾和百葉簾等遮蔽物之下的隱藏對(duì)象，還可以被用于監(jiān)視、偵察和識(shí)別。三維激光成像系統(tǒng)的高分辨率和準(zhǔn)確度使得它能對(duì)三維圖像做出精確的測(cè)量，例如生成一個(gè)人或一個(gè)完整的犯罪現(xiàn)場(chǎng)的三維模型。

文中提出用于激光主動(dòng)成像系統(tǒng)的技術(shù)，并舉例說明如何將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際工作當(dāng)中。第2節(jié)主要介紹了一些可用于三維成像的激光成像技術(shù)。第3節(jié)舉例說明三維成像系統(tǒng)的一些應(yīng)用，第4節(jié)提出了一些關(guān)于使用激光成像系統(tǒng)、信號(hào)處理、圖像識(shí)別、視覺和建模仿真等方面正在進(jìn)行的工作。

1 激光三維成像技術(shù)

激光三維成像技術(shù)的基本原理是利用照射激光脈沖從探測(cè)場(chǎng)景中收集反射輻射線。激光的主動(dòng)照射在白天或晚上的光照環(huán)境條件下完全獨(dú)立，因此圖像對(duì)比度在這方面具有較好的魯棒性。

照射激光能夠在一些傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)上采樣，或照射一些有間隙的遮蔽物所隱藏的對(duì)象，并由檢測(cè)傳感器接收隱蔽目標(biāo)表面的反射激光，如圖1所示，它可以應(yīng)用于對(duì)可疑的物體和地區(qū)進(jìn)行觀察，例如被植被、偽裝網(wǎng)、窗簾、百葉簾或有陰影的窗戶遮住的區(qū)域。與可見光和近紅外光不同，激光能夠穿透建筑和車輛的窗戶，可用于偵察和檢測(cè)建筑物或汽車中是否有人。其他方面的應(yīng)用包括地形測(cè)繪，如可以將樹木、道路和建筑分類。三維信息與二維圖像結(jié)合可以更好地識(shí)別目標(biāo)，但是實(shí)現(xiàn)過程也更復(fù)雜。

圖1 照射激光信號(hào)采樣原理Fig.1 Laser irradiation principle of sampling signal

圖1中，照射激光脈沖首先照射樹的樹冠，導(dǎo)致第一束回波信號(hào)產(chǎn)生。部分激光脈沖穿透樹冠，最后在莖干上反射，產(chǎn)生回波。

在過去的幾年里，新型傳感器的能力得到了快速的發(fā)展。激光三維成像掃描系統(tǒng)通常采用機(jī)械掃描器，因此數(shù)據(jù)收集相當(dāng)費(fèi)時(shí)，而且無法捕捉移動(dòng)的物體。閃光燈激光雷達(dá)作為新一代探測(cè)系統(tǒng)，其測(cè)距儀包括時(shí)間分辨接收器和ROIC（Read-Out Integrated Circuit），可以對(duì)每個(gè)像素完整采樣。這使捕獲一幅完整的三維圖像僅需傳輸一束脈沖激光。

1.1 GV技術(shù)

GV（gated viewing）技術(shù)也稱為“burst illumination”，激光波長(zhǎng)傳感器可以是一臺(tái)簡(jiǎn)單相機(jī)，但快門開合時(shí)間要與短波照射激光的脈沖同步。對(duì)應(yīng)于所需要范圍內(nèi)的往返傳輸時(shí)間，可以設(shè)置一個(gè)可調(diào)控延遲來控制照相機(jī)快門的開合。相機(jī)成像需要考慮激光脈沖長(zhǎng)度和快門打開的時(shí)間。通過預(yù)先設(shè)定的程序可以改變延遲時(shí)間，致使成像片段呈現(xiàn)不同區(qū)域的景象。由于生成每個(gè)區(qū)域的圖像都需要最大照明亮度，電源的效率將對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。該技術(shù)具有成本低和魯棒性高等優(yōu)點(diǎn)，用相對(duì)簡(jiǎn)單的部件就可以實(shí)現(xiàn)。主動(dòng)照射的使用使GV系統(tǒng)具有夜間工作的能力。與被動(dòng)成像技術(shù)相比，GV技術(shù)主要在以下方面具有優(yōu)勢(shì)：

1）對(duì)大氣、煙霧和地形等干擾因素的抑制；

2）應(yīng)用于遠(yuǎn)距離光學(xué)探測(cè)（例如光傳感器或望遠(yuǎn)鏡）的潛力；

3）輪廓檢測(cè)；

4）曝光時(shí)間短，主動(dòng)照明可以抑制背景光電噪聲；

5）與光電無源系統(tǒng)相比，在晴朗天氣下的可靠性和安全性更高，具有透過煙霧和陰霾“看”到目標(biāo)的能力。

此外，有證據(jù)表明，相當(dāng)微小的GV就可以生成高分辨率的三維圖像，既三維物體的圖像信息量可以由微小的GV圖像構(gòu)建。

1.2 激光掃描儀

用單一元件的激光成像探測(cè)器進(jìn)行掃描是直接、迅速地獲得探測(cè)場(chǎng)景的三維景象信息的方法。每一束脈沖激光照射被探測(cè)物體的一小部分，儲(chǔ)存發(fā)射脈沖和接收回波的時(shí)間間隔。一些探測(cè)器給出全波形的時(shí)間分辨脈沖響應(yīng)，其他探測(cè)器只給出超過一定限度的時(shí)間脈沖回波。有些系統(tǒng)除了儲(chǔ)存第一個(gè)和最后一個(gè)回波之外，還能存儲(chǔ)更多的回波，不同回波描繪不同的目標(biāo)區(qū)域。掃描系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)之一是角分辨率高，主要缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)采集時(shí)間長(zhǎng)，難以捕捉移動(dòng)的物體。激光成像掃描系統(tǒng)可以由地面激光發(fā)射器實(shí)現(xiàn)，或由機(jī)載設(shè)備實(shí)現(xiàn)。建立在地面上的系統(tǒng)可用于三維造型和小型物體的識(shí)別，而機(jī)載系統(tǒng)主要用于地形測(cè)繪。

1.3 閃光燈激光三維成像系統(tǒng)

FPA（focal plane array）探測(cè)器已經(jīng)發(fā)展到能讓每個(gè)像素都具有擇時(shí)能力，這使非掃描激光三維成像成為可能。配有128×128像素和ROIC的FPA今天仍在使用[1]。這樣一個(gè)系統(tǒng)中，幀速率可以增加到視頻速率（50 Hz或60 Hz），能夠捕獲移動(dòng)的目標(biāo)。該傳感器比普通照相機(jī)體積小，其激光源可由數(shù)據(jù)采集平臺(tái)提供。

2 部分應(yīng)用實(shí)例

2.1 “透視”植被和偽裝

激光三維成像系統(tǒng)擁有記錄回波信號(hào)的能力，可以揭露被部分隱藏的目標(biāo)對(duì)象。激光三維成像掃描系統(tǒng)收集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，一束照射脈沖激光可以穿透到幾十米的植被之下，對(duì)森林里的目標(biāo)進(jìn)行成像[2]。

將多視角的成像場(chǎng)景組合在一起可增強(qiáng)“透視”植被的能力。如圖2所示，從8個(gè)不同的視角記錄一處相當(dāng)密集的植被群，植被群下放置了一輛沃爾沃V40。通過組合旋轉(zhuǎn)點(diǎn)云可以揭露隱藏在樹后的汽車，如圖3所示。

在圖2中，中間是將從8個(gè)不同的觀察點(diǎn)得到的樹縫圖像拼接在一起生成的激光三維成像圖像，周圍是激光掃描儀在不同位置的一系列成像效果。紅色的矩形區(qū)域顯示隱藏車輛的位置。圖3結(jié)合從8個(gè)觀察點(diǎn)得到的圖像信息，提取出了隱藏在濃密植被下的沃爾沃V40的圖像。

FOI[3]的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明激光三維成像系統(tǒng)能穿透?jìng)窝b網(wǎng)，提供隱藏物體的圖像。FOI進(jìn)行了對(duì)隱藏起來的目標(biāo)部分成像的研究。熱源圖像由于受傳播波長(zhǎng)的限制，不能透過百葉簾成像。激光成像照射光在1.5 μm波長(zhǎng)下傳播，能夠透過百葉簾，可用于對(duì)建筑物內(nèi)部的目標(biāo)成像。

2.2 城市建模

城市環(huán)境和特殊景觀元素的高仿真建模得益于激光成像的三維數(shù)據(jù)。激光三維成像系統(tǒng)定位在成像區(qū)域的中心位置，通過掃描獲取成像數(shù)據(jù)。

2.2.1 識(shí)別和分類

現(xiàn)有的技術(shù)已經(jīng)可以處理機(jī)載激光掃描數(shù)據(jù)，目前的研究目標(biāo)是開發(fā)自動(dòng)提取支持三維虛擬環(huán)境建模的地理信息的方法。該方法以坐標(biāo)網(wǎng)格數(shù)據(jù)為工作基礎(chǔ)。首先將不規(guī)則的激光點(diǎn)重新按照固定網(wǎng)格（0.25×0.25 m2）分布。數(shù)據(jù)需要兩個(gè)網(wǎng)格存儲(chǔ)：一個(gè)網(wǎng)格把海拔最高值儲(chǔ)存在每個(gè)單元格中（DSMmax），如圖 4（a）所示，另一個(gè)網(wǎng)格存儲(chǔ)最低值（DSMmin）。

圖2 不同視角的三維激光成像場(chǎng)景及效果Fig.2 Different perspective of the 3 d laser imaging scenes and effect

圖3 植被下層隱藏目標(biāo)的圖像Fig.3 The hidden goal of vegetation image

該方法確定的第一類數(shù)據(jù)是地表信息，運(yùn)用DSMmin和主動(dòng)輪廓[4]估計(jì)地表（DTM）。該方法的理論基礎(chǔ)是主動(dòng)形狀模型[5]。主動(dòng)輪廓可以看作是被從下層推向上層的存儲(chǔ)激光點(diǎn)的網(wǎng)格。

確定地表信息后，將地表的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)一步分類。當(dāng)激光脈沖“印記”的不同部分出現(xiàn)在不同高度時(shí)，將產(chǎn)生多重回歸信息，建筑物都是使用多重回歸信息進(jìn)行分類的。例如在建筑物邊緣和植被區(qū)域，激光印記往往是分開的，一部分由目標(biāo)物體的頂部反射，另一部分由地面反射，如圖4（b）所示。利用這一多重回歸信息，可以將大部分的植被去掉或與建筑分離。定義超過地表2 m以上的像素集群為有效信息，每組有效信息根據(jù)曲率的不同可分為建筑或非建筑、最大限度的斜坡和使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成的圖形。隨后，又窄又高的物體被歸類為燈柱一類的物體，剩下的超過地表以上2 m的像素被歸類為植被。被分為地面信息的像素，利用脈沖強(qiáng)度的不同可進(jìn)一步分類為“道路”（大街、小巷及其他地區(qū)）或“非道路”，如圖 4（c）所示。

圖4 三維虛擬環(huán)境建模Fig.4 3-d virtual environment modeling

用被歸類為建筑的數(shù)據(jù)組來構(gòu)建建筑物的三維模型。首先用表面法線聚類法提取出屋頂平面。然后在每個(gè)屋頂平面周圍圖像數(shù)據(jù)發(fā)生變化的部分插入拓?fù)潼c(diǎn)。這些屋頂平面之間的部分被定義為十字路口和建筑的邊緣，它們可以分離出不同的建筑物。為了獲得建筑模型，還需要提取線性的墻壁，使用二維霍夫變換沿著屋頂邊緣估算直線段信息，在十字路口處估算線段位置，并插入新的數(shù)據(jù)點(diǎn)。通過這些信息即可建立城市的三維模型。

最后，提取單一的樹木并劃分為植被區(qū)域。用獲取的數(shù)據(jù)估算提取的每棵樹的位置、樹高、樹冠直徑和面積。根據(jù)不同層面的空間擴(kuò)展信息即可構(gòu)造三維虛擬環(huán)境模型，如圖5所示。

圖5 三維虛擬環(huán)境模型，顯示了地面建筑和樹木的模型Fig.5 3-d virtual environment model，show the ground buildings and trees on the model

2.2.2 可視化和監(jiān)視

有效的城市區(qū)域三維模型，不僅能使目標(biāo)對(duì)象的和建筑本身可見，還能使傳感器的仿真數(shù)據(jù)可視化。這能極大地提高在監(jiān)視、危機(jī)管理、城市戰(zhàn)斗等情況下對(duì)環(huán)境態(tài)勢(shì)的感知效果。

分析從監(jiān)控?cái)z像頭獲取的數(shù)據(jù)，最常見的方法是利用顯示器。問題是，雖然用這種方法很容易發(fā)現(xiàn)有不同尋常的事件發(fā)生，但仍然難以觀察到正在發(fā)生什么。一旦發(fā)生某種形式的城市危機(jī)，例如暴亂、游行或戰(zhàn)斗，人群和車輛會(huì)不斷進(jìn)出攝像機(jī)鏡頭的視野范圍。操作員需要把這些細(xì)微的事件圖像變成更大的畫面，其工作過程非常復(fù)雜。

解決辦法是模擬相關(guān)區(qū)域的三維模型，并在模型上實(shí)施視頻記錄。在合成的虛擬世界中，相機(jī)由錄像放映機(jī)代替，以突出相機(jī)在現(xiàn)實(shí)世界中拍到的場(chǎng)景。該方法有如下優(yōu)勢(shì)：

1）能給出相關(guān)區(qū)域的整體場(chǎng)景，顯示不同的攝像機(jī)在相同時(shí)間、相同地點(diǎn)記錄的景象；

2）使記錄的不同信息在時(shí)間和空間上的關(guān)聯(lián)過程更加明顯；

3）其他傳感器的數(shù)據(jù)，如對(duì)入侵者實(shí)施跟蹤的檢測(cè)數(shù)據(jù)，易于集成在同一視圖中。例如，如果一個(gè)罪犯在所有相機(jī)的檢測(cè)視野之外，他的圖像信息仍然可以在三維環(huán)境下被合成，并直接關(guān)聯(lián)到視覺模型和視頻數(shù)據(jù)中。此外，假設(shè)一個(gè)槍手被聲納網(wǎng)絡(luò)傳感器定位[6]，不僅槍手能立即被標(biāo)記為在三維模型中，而且他的整個(gè)視野范圍，即當(dāng)前危險(xiǎn)區(qū)域，都可以在三維模型中被標(biāo)注。

2.3 識(shí)別人類活動(dòng)和目標(biāo)對(duì)象

高水平的計(jì)算機(jī)圖像處理可以分為2類：圖像增強(qiáng)和自動(dòng)分析。兩種方法的目的都是明確圖像的內(nèi)容，以便支持進(jìn)一步的操作。全面增強(qiáng)圖像強(qiáng)度或范圍數(shù)據(jù)的技術(shù)已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，但對(duì)于部分區(qū)域的圖像內(nèi)容，仍需要由操作員進(jìn)行處理。在某些情況下，這一解決方案能達(dá)到令人滿意的效果。但在其他情況下，比如當(dāng)在短時(shí)間內(nèi)對(duì)大尺寸圖片或大量三維數(shù)據(jù)集進(jìn)行解析時(shí)，需要在處理過程中自動(dòng)支持部分操作，例如當(dāng)目標(biāo)物體出現(xiàn)時(shí)，選擇其動(dòng)態(tài)部分的圖像幀或范圍幀。此外，數(shù)據(jù)的后期處理要能夠支持操作員對(duì)被遮擋部分的物體進(jìn)行成像，例如位于偽裝網(wǎng)下、植被區(qū)域下、建筑的百葉簾和車輛的玻璃窗后的人或目標(biāo)物體。

文獻(xiàn)[7]給出了GV的圖像增強(qiáng)效果。GV圖像所受到的噪聲和干擾主要來源于目標(biāo)反射、大氣擾動(dòng)（湍流，散斑噪聲）、攝像機(jī)和激光性能。此外，基于此方法還可以建立動(dòng)態(tài)平臺(tái)。當(dāng)圖像在湍流中，或照相機(jī)在運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過追蹤銳化的線條和邊緣的轉(zhuǎn)換和旋轉(zhuǎn)過程，就有可能利用時(shí)間平滑濾波緩解隨機(jī)照明差異的影響。用這種圖像增強(qiáng)方法可增強(qiáng)對(duì)千米級(jí)距離的人類活動(dòng)的探測(cè)，例如當(dāng)目標(biāo)人物在汽車中時(shí)，操作員可以探測(cè)到他的存在。

在車輛的反射鏡和前燈等反光材料上，激光照射會(huì)引起強(qiáng)烈的光學(xué)反射，這可以用來檢測(cè)隱藏在偽裝網(wǎng)和植被區(qū)域后的車輛。

一些短射程GV系統(tǒng)能夠解決人臉的視覺識(shí)別問題，而動(dòng)態(tài)模型的識(shí)別還可以運(yùn)用生物措施[7]。所謂生物措施是指探測(cè)人體的主要部分：頭、頸、軀干、上臂、前臂、手、臀部、小腿、腳等。通過追蹤身體部份，明確其相互關(guān)系，可以提取出每個(gè)個(gè)體的具體模型。

在軍事應(yīng)用中，激光成像技術(shù)已經(jīng)在半自動(dòng)或自動(dòng)檢測(cè)與識(shí)別軍事目標(biāo)方面使用了幾十年[8]，三維激光雷達(dá)等設(shè)備也已經(jīng)被廣泛使用。由于GV圖像序列可以轉(zhuǎn)換為三維數(shù)據(jù)量[9]，一些軍事用途上的算法也可用這種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié) 論

文中介紹了激光三維成像系統(tǒng)的技術(shù)和潛在用途。運(yùn)用主動(dòng)傳感器可以準(zhǔn)確地對(duì)車輛和人類等目標(biāo)物體進(jìn)行遠(yuǎn)距離三維成像。完整的三維掃描可以精確地模擬城市景觀、犯罪現(xiàn)場(chǎng)或個(gè)體對(duì)象等場(chǎng)景。此外，由于激光三維成像系統(tǒng)可以穿透植被、百葉簾、偽裝網(wǎng)等遮蔽物，使得激光三維成像技術(shù)可以應(yīng)用于觀察隱藏對(duì)象的活動(dòng)，例如透過一棟建筑物的窗戶對(duì)室內(nèi)景象進(jìn)行成像。

[1]Stettner R，Bailey H，Richmond R D.Eye safe laser radar focal plane array for threedimensional imaging[R].Proc.SPIE Vol.5412，Laser Radar Technology and Applications IX，2009.

[2]Steinvall O，Larsson H，Gustafsson F，et al.Characterizing targets and backgrounds for 3-D laser radars[R].To be presented at SPIE Security and Defence 2004，Military Remote Sensing， London，2009.

[3]Andersson P.Automatic target recognition from laser radar data-Applications to gated viewing and airborne 3-D laser radar[R].Tech report FOI-R--0829--SE，Swedish Defence Research Agency FOI， Sweden，2008.

[4]Elmqvist M.Ground surface estimation from airborne laser scanner data using active shape models[J].Photogrammetric Computer Vision-ISPRS Commission III Symposium，2007，XXXIV（A）：114-118.

[5]Kass M，Witkin A，Terzopoulos D.Snakes:active contour models[J].In Int.J.of Computer Vision，2003（1）:321-331.

[6]Maas H G.The potential of height texture measures for the segmentation of airborne laser scanner data [J].Fourth InternationalAirborne Remote Sensing Conference and Exhibition/21st Canadian Symposium on Remote Sensing，2004（6）：21-24.

[7]Klasén L.Image sequence analysis of complex objects.Law enforcement and defence applications [D].Sweden：PhD dissertation no.762， Link?ping University，2007.

[8]Gr?nwall C，Chevalier T，Persson A，et al.An overview of methods for recognition of natural and man-made objects using laser radar data[R].Proc.SPIE Vol.5412，Laser Radar Technology and Applications IX，April 2009.

[9]Andersson P，Klasén L，Elmqvist M，et al.Long range gated viewing and applications to automatic target recognition[J].Proceedings SSAB’03 Symposium on Image Analysis，KTH，Stockholm，March 6-7，2008.