虛擬二維激光雷達(dá)成像積分算法

卜　燕，沈　俊，張　華，李志雄，史思總

(西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽　621000)

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虛擬二維激光雷達(dá)成像積分算法

卜燕，沈俊，張華，李志雄，史思總

(西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽621000)

虛擬二維激光雷達(dá)是激光雷達(dá)擴(kuò)展應(yīng)用的組成部分，可以結(jié)合3D場(chǎng)景點(diǎn)云特征進(jìn)行二維激光雷達(dá)掃描障礙物模擬；提出根據(jù)光線傳導(dǎo)特征建立積分方程得到了在多障礙物場(chǎng)景下的激光雷達(dá)圖生成的解析解，利用AutoCAD與Visual C#聯(lián)合編程的方法進(jìn)行了虛擬激光雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)；最后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)二維激光雷達(dá)比對(duì)，虛擬激光雷達(dá)能從3D場(chǎng)景中準(zhǔn)確提取物體的位置和距離信息。

激光雷達(dá)；虛擬；圖像積分；場(chǎng)景掃描

0　引言

虛擬現(xiàn)實(shí)是人類在探索世界中創(chuàng)造的一種用于認(rèn)識(shí)對(duì)象、模擬對(duì)象的有效方法。虛擬激光雷達(dá)是一類以計(jì)算機(jī)模型模擬激光傳播、測(cè)距、成像原理形成激光圖像的技術(shù)，對(duì)于激光雷達(dá)的開發(fā)和拓寬應(yīng)用有著指導(dǎo)性的意義，國(guó)外早已經(jīng)開始虛擬激光雷達(dá)的研究，研究?jī)?nèi)容涉及高速運(yùn)動(dòng)對(duì)象[1]、多工作原理[2-4]、復(fù)雜大氣[5-7,8]、多物體場(chǎng)景[5,9-10]等，不乏有國(guó)際大公司參與。國(guó)內(nèi)目前對(duì)于虛擬激光雷達(dá)相關(guān)的研究以針對(duì)某一種特殊對(duì)象或場(chǎng)景，通過真實(shí)激光采集數(shù)據(jù)獲取目標(biāo)3D[11-12]或者2D[13]重構(gòu)，或利用單物體的3D模型生成虛擬激光雷達(dá)圖驗(yàn)證某一激光成像原理[13-16]，研究多數(shù)集中于一維和三維，且建立虛擬激光雷達(dá)仍以實(shí)際激光雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。

目前虛擬雷達(dá)成像領(lǐng)域較多的研究是以仿真真實(shí)激光雷達(dá)成像的過程，這些研究深入認(rèn)識(shí)了激光雷達(dá)成像過程。但與真實(shí)激光雷達(dá)不同，虛擬激光雷達(dá)在3D模型建立之時(shí)，物體或者場(chǎng)景的尺寸和位置已知，因而可以采用真實(shí)激光雷達(dá)最基本的脈沖法和相位法以外的方法，如圖像微分法[1]、反射成像法[5]，同時(shí)虛擬激光雷達(dá)不同于真實(shí)激光雷達(dá)受大氣、分辨率、距離、隨機(jī)噪聲等影響，可獲得邊緣清晰、距離自定義的圖像。

本文以多物體3D場(chǎng)景為原始數(shù)據(jù)，類似于[1]中美國(guó)波音公司開發(fā)的Ladar仿真系統(tǒng)的圖像微分法，建立積分模型，給出模型的解析解，獲得場(chǎng)景任意點(diǎn)為中心的虛擬二維激光雷達(dá)圖像。以AutoCAD和Visual C#聯(lián)合編程為平臺(tái)，對(duì)算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，與日本Hokuyo公司的二維專業(yè)激光雷達(dá)UTM-30LX所獲得的真實(shí)環(huán)境激光圖像做比對(duì)，驗(yàn)證本算法的有效性。

1　虛擬激光雷達(dá)成像模型

1.1激光場(chǎng)景的物理模型

3D場(chǎng)景包含多個(gè)3D模型的尺寸、位置的信息，而激光圖是以空間給定一點(diǎn)為中心，掃描周圍物體，每一掃描角度獲取最遠(yuǎn)視距距離，建立的圖像，可見，3D場(chǎng)景包含的信息量生成激光圖是充分的。3D場(chǎng)景模型的建立可以依靠實(shí)際測(cè)量、激光掃描、視覺定位等方式并結(jié)合計(jì)算機(jī)建模形成，如圖1所示。

圖1　3D模型場(chǎng)景的建立

激光雷達(dá)對(duì)近場(chǎng)物體掃描時(shí)，大氣衰減、散射等因素影響非常小，可以認(rèn)為光線傳導(dǎo)不衰減、不發(fā)生彎曲。從激光傳導(dǎo)的物理原理進(jìn)行分析，注重考慮光傳導(dǎo)強(qiáng)度變化與距離關(guān)系，奠定激光雷達(dá)成像技術(shù)的基礎(chǔ)。但這種描述在近場(chǎng)障礙物遮蔽式模擬的計(jì)算機(jī)仿真中不夠簡(jiǎn)潔。

為此，在激光場(chǎng)景的計(jì)算機(jī)模型建立時(shí)，進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化：1)激光沿直線傳導(dǎo)，不衰減，不彎曲；2)3D模型表面光滑、平整；3)忽略環(huán)境背景光線對(duì)激光及激光反射光的夾雜。

1.2成像積分算法

激光雷達(dá)以給定點(diǎn)P為中心每一角度步長(zhǎng)發(fā)射一次測(cè)距激光脈沖，激光脈沖遇到障礙物返回，返回的激光脈沖攜帶對(duì)應(yīng)角度下障礙物所在距離信息，逐步的建立激光雷達(dá)圖。步驟如下。

1.2.1建立世界坐標(biāo)系

“我們認(rèn)真梳理患者就診的流程，分析排隊(duì)的原因，覺得可以從診間這個(gè)環(huán)節(jié)尋找突破。比如，如果診間能夠有一個(gè)收費(fèi)窗口，就可以減少大量排隊(duì)的時(shí)間和麻煩。醫(yī)院有很多診室，當(dāng)然不可能給每個(gè)診室安排一個(gè)財(cái)務(wù)人員和一套收費(fèi)專用設(shè)備。當(dāng)時(shí)，醫(yī)院管理層就提出來，醫(yī)生看病能不能同時(shí)收費(fèi)，實(shí)現(xiàn)診間結(jié)算，讓患者不用多次付費(fèi)排隊(duì)?！焙贾菔械谝蝗嗣襻t(yī)院黨委書記黃進(jìn)宇指出。

規(guī)定0點(diǎn)，X軸，Y軸，Z軸位置，根據(jù)3D模型生成截平面視圖，截平面的方程α*x+β*y+γ*z+η=0 為已知平面，考慮到實(shí)際激光雷達(dá)常常以水平面掃描方式采集數(shù)據(jù)，可以設(shè)定截平面為Z=0 。

1.2.2建立激光直角坐標(biāo)系

圖2　激光坐標(biāo)與世界坐標(biāo)的關(guān)系圖

平移關(guān)系：

旋轉(zhuǎn)關(guān)系：

平移和旋轉(zhuǎn)結(jié)合的關(guān)系：

1.2.3建立激光極坐標(biāo)系

任一點(diǎn)在局部直角坐標(biāo)系與局部直角坐標(biāo)系下的位置關(guān)系：

1.2.4激光掃描的積分運(yùn)算

圖3　多障礙物場(chǎng)景的激光雷達(dá)成像原理圖

1.2.5掃描角度與障礙物距離關(guān)系解析解

或者

2　算法實(shí)現(xiàn)

激光仿真圖的生成屬于圖像處理，AutoCAD在圖形建模方面強(qiáng)大的功能，Visual C#是通用而高效的編程語言，本算法采用Visual C#調(diào)用CAD二次開發(fā)的方式，建立3D模型，獲得掃描的截平面，由二維的截平面圖獲得仿真激光雷達(dá)成像如圖4所示。

圖4　虛擬激光雷達(dá)程序流程圖

3　實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

真實(shí)激光掃描儀UTM-30LX掃描范圍0～270°、角分辨率0.25°、掃描半徑最大60.0 m，考慮到實(shí)驗(yàn)室的大小以及障礙物放置的遠(yuǎn)近，取其1.20 m以內(nèi)的數(shù)據(jù)。虛擬激光雷達(dá)參數(shù)設(shè)定為掃描范圍0～360°、角分辨率0.25°、掃描半徑最大1.20 m。

3.1設(shè)置實(shí)驗(yàn)環(huán)境

在激光雷達(dá)的半徑[0，1.0]m的范圍內(nèi)，在不同位置，不同方向，擺放物體形成多障礙物環(huán)境(如圖5(a)所示)，給定激光坐標(biāo)系原點(diǎn)在世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)為(0.47，0.90)，偏向角-35.5°，依據(jù)物體擺放的位置和尺寸用AutoCAD建立對(duì)應(yīng)的3D模型場(chǎng)景(如圖5(b)所示)。

圖5　真實(shí)場(chǎng)景與模型場(chǎng)景的比較圖

3.2真實(shí)與虛擬激光雷達(dá)圖像的獲取

開啟真實(shí)激光雷達(dá)UTM-30LX，獲取真實(shí)激光雷達(dá)圖像(如圖6(a)所示)；運(yùn)行本算法在C#與Auto CAD聯(lián)合編譯的程序，獲取虛擬激光雷達(dá)圖像(如圖6(b)所示)。

(a)真實(shí)激光雷達(dá)成像圖　　　(b)虛擬激光雷達(dá)成像圖圖6　真實(shí)與虛擬激光雷達(dá)成像的對(duì)比圖

3.3結(jié)果分析

1)仿真雷達(dá)圖像與真實(shí)激光圖像高度吻合。二者均取掃描半徑1 200 mm內(nèi)的數(shù)據(jù)作為對(duì)比，差值的范圍-16～+16 mm，最大差異點(diǎn)出現(xiàn)在弧度值2.45的位置。虛擬激光雷達(dá)圖像邊沿是光滑的，而真實(shí)激光雷達(dá)圖像邊沿是粗糙的，這也體現(xiàn)計(jì)算機(jī)仿真時(shí)對(duì)物體表面進(jìn)行光滑、平整的簡(jiǎn)化處理。

2)仿真激光雷達(dá)由于可以自定義掃描的角度范圍、角度分辨率、長(zhǎng)度分辨率，可以獲得更大的使用自由，在本次的實(shí)驗(yàn)中，真實(shí)激光雷達(dá)ULX-30的掃描角度范圍是0～270°，而仿真激光雷達(dá)可以設(shè)置成0～360°，真實(shí)激光雷達(dá)分辨率是0.25°，而仿真激光雷達(dá)的分辨率可以自定義設(shè)置，從而獲得更細(xì)微的細(xì)節(jié)。

3)運(yùn)行時(shí)間的差異。如圖7所示，真實(shí)激光雷達(dá)單次掃描時(shí)間為25 ms，而仿真激光雷達(dá)的運(yùn)行時(shí)間取決于掃描范圍、掃描分辨率、計(jì)算機(jī)配置。仿真時(shí)掃描角度分辨率范圍宜設(shè)定為0.01～0.1°，長(zhǎng)度范圍宜設(shè)定為0.1～1.0 mm，在配置為I5 雙核2.2G，內(nèi)存4G，獨(dú)立顯卡1 G的筆記本電腦上運(yùn)行，單次掃描時(shí)間為10.5 ms。

(a)邊緣吻合　　　　　　(b)差值分布圖7　真實(shí)與虛擬激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)對(duì)比圖

4　結(jié)論

3D模型或場(chǎng)景含有距離、位置等豐富的信息，可以根據(jù)視覺圖像生成激光圖，利用虛擬激光雷達(dá)技術(shù)獲取的圖像攜帶有精簡(jiǎn)的場(chǎng)景信息，二維激光雷達(dá)以平面掃描方式對(duì)測(cè)物進(jìn)行掃描，在獲取環(huán)境信息時(shí)比立體掃描方式的三維激光雷達(dá)數(shù)據(jù)量精簡(jiǎn)、時(shí)間響應(yīng)短、算法簡(jiǎn)單，有著獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。當(dāng)3D場(chǎng)景物體表面簡(jiǎn)化處理后，虛擬激光雷達(dá)生成圖像也帶有邊緣光滑的特點(diǎn)。當(dāng)3D場(chǎng)景與真實(shí)場(chǎng)景一致時(shí)，比對(duì)仿真激光雷達(dá)與真實(shí)激光雷達(dá)圖后，將可以實(shí)現(xiàn)精確定位，并分析真實(shí)激光器的誤差，將仿真實(shí)用化。

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A Integral Algorithm of Imaging Virtual 2D Lidar

Bu Yan ,Shen Jun,Zhang Hua,Li Zhixiong,Shi Sizong

(College of Information Engineering, Southwest University of Science and Technology,Mianyang621000，China)

Virtual two-dimensional (2D) lidar is part of the expansion of the lidar applications. 2D laser radar simulation process of detecting obstacles is based on point cloud features of 3D scene. The analytical solutions are obtained by integral equations based on light conduction characteristics of lidar map generated in a multi-barrier scene，then virtual two-dimensional (2D) lidar is achieved with the joint program of Visual C # and AutoCAD . Experimental results show that the virtual lidar can extract the location and distance information of objects from the 3D scene accurately comparing with real 2D lidar.

lidar; virtual; image integral; scene scanning

1671-4598(2016)04-0152-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.045

TP391

A

2015-10-08；

2015-11-20。

西南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金(15ycx119)；四川省科技創(chuàng)新苗子工程(2015024)。

卜燕(1990-)，女，四川內(nèi)江人，碩士研究生，主要從事激光傳感器方向的研究。