基于激光成像雷達(dá)的主被動(dòng)光學(xué)圖像融合技術(shù)研究

鐘春曉

（華東交通大學(xué)理工學(xué)院，江西 南昌 330100）

基于激光成像雷達(dá)的主被動(dòng)光學(xué)圖像融合技術(shù)研究

鐘春曉

（華東交通大學(xué)理工學(xué)院，江西 南昌 330100）

文章首先對(duì)激光成像雷達(dá)及光學(xué)成像進(jìn)行了簡(jiǎn)單概述，繼而對(duì)激光成像雷達(dá)原理及特點(diǎn)展開(kāi)詳細(xì)分析，最后分基本流程簡(jiǎn)介、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)降噪、可見(jiàn)光圖像降噪、基于激光成像雷達(dá)的圖像配準(zhǔn)4步對(duì)基于激光成像雷達(dá)的主被動(dòng)光學(xué)圖像融合展開(kāi)了詳細(xì)論述。

激光成像雷達(dá)；主被動(dòng)光學(xué)；圖像融合

隨著我國(guó)整體工業(yè)水平的不斷提升，在圖像質(zhì)量上的要求也越來(lái)越高，通過(guò)對(duì)光學(xué)圖像和激光圖像兩者不同圖像的融合，在賦予圖像三維立體信息的同時(shí)，也給予了其更為豐富的光譜信息，融合之后所獲得的圖像，可幫助圖像的使用者更為深入和準(zhǔn)確地了解圖像中所顯示物體的信息。基于此，文章以基于激光成像雷達(dá)的主被動(dòng)光學(xué)圖像融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)為主要內(nèi)容，分3部分展開(kāi)了細(xì)致的分析探討，旨在提供一些該方面的理論參考。

1 激光成像雷達(dá)及主被動(dòng)光學(xué)成像概述

1.1 激光成像雷達(dá)簡(jiǎn)介

激光成像雷達(dá)屬于主動(dòng)式成像系統(tǒng)的一種，可以就目標(biāo)物的距離、角度、位置以及時(shí)間等信息進(jìn)行獲取，是一種可以實(shí)時(shí)獲取極高分辨率的三維空間信息的技術(shù)方法。激光成像雷達(dá)具有抗隱身、抗干擾能力強(qiáng)以及測(cè)量位置精準(zhǔn)等優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也存在著光譜信息單一，不能對(duì)物體的紋理以及平面幾何形狀等信息進(jìn)行獲取的缺點(diǎn)。20世紀(jì)80年代，隨著改革開(kāi)放的大潮激光雷達(dá)成像在我國(guó)逐漸興起研發(fā)，目前我國(guó)諸多高校內(nèi)已設(shè)置了相關(guān)的專業(yè)進(jìn)行教學(xué)[1]。

1.2 光學(xué)成像技術(shù)概述

對(duì)于一般光學(xué)成像而言，都屬于被動(dòng)式成像的模式，具有分辨率高、可獲取詳細(xì)物體紋理信息等優(yōu)勢(shì)，尤其是針對(duì)可見(jiàn)光圖像，其不僅僅就圖像的邊緣進(jìn)行清晰的顯示，同時(shí)在圖像的細(xì)部比較上也十分明顯。但是所獲得圖像不能就物體表面的空間位置進(jìn)行展示。

從以上對(duì)激光成像雷達(dá)和主被動(dòng)光學(xué)成像技術(shù)的簡(jiǎn)介可知，兩者在優(yōu)劣勢(shì)上處于一個(gè)彼此互補(bǔ)的情況下，因此如果在圖像的制作過(guò)程中可充分將兩者進(jìn)行融合使用，則可在保障制作圖像具備表面空間信息同時(shí)，又在其紋理和平面幾何形狀上有一個(gè)很好的展示。

2 激光成像雷達(dá)原理及特點(diǎn)

2.1 激光成像雷達(dá)原理

激光成像雷達(dá)屬于主動(dòng)式傳感器技術(shù)的一類，和一般的微博雷達(dá)相比其波長(zhǎng)更短，因此具有更高的成像分辨率；和一般的光學(xué)成像技術(shù)比較，其可以額外提供物體的距離數(shù)據(jù)，是一種可獲取物體三維信息的成像技術(shù)。激光成像雷達(dá)探測(cè)體制在其組成上主要包括發(fā)射/接受光學(xué)系統(tǒng)、激光發(fā)射/接收系統(tǒng)以及圖像處理單元3個(gè)部分。成像原理為在激光成像雷達(dá)控制系統(tǒng)的控制下，由激光雷達(dá)對(duì)探測(cè)區(qū)域進(jìn)行地毯式的逐點(diǎn)探測(cè)，然后將獲取的信息上傳至圖像處理單元完成最后的整幀圖像的處理。激光成像雷達(dá)所發(fā)出的每一個(gè)激光發(fā)射脈沖，只單獨(dú)對(duì)應(yīng)一個(gè)測(cè)量目標(biāo)，在對(duì)探測(cè)區(qū)域進(jìn)行反復(fù)多次測(cè)量后，根據(jù)空間和時(shí)間順序進(jìn)行逐一的拼接，即獲得最后的完整圖像。

2.2 激光成像雷達(dá)特點(diǎn)

激光成像雷達(dá)所獲取的物體信息包括目標(biāo)的角度、位置、強(qiáng)度以及時(shí)間等。在實(shí)際的應(yīng)用中，則是需要基于設(shè)備的不同狀態(tài)，就某一特定波長(zhǎng)的目標(biāo)強(qiáng)度信息和距離信息進(jìn)行獲取，具有4個(gè)方面的特點(diǎn)。

2.2.1 數(shù)據(jù)量龐大

從激光成像雷達(dá)的設(shè)備計(jì)算時(shí)間上觀察，每一秒便需要對(duì)10 000個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算，在連續(xù)工作一個(gè)小時(shí)后所產(chǎn)生的數(shù)量將達(dá)到3.6×107個(gè)，數(shù)據(jù)量龐大。

2.2.2 獲取數(shù)據(jù)點(diǎn)不連續(xù)、分散

激光成像雷達(dá)是對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行抽樣探測(cè)，在抽樣上難以保障其連續(xù)性，所獲取的數(shù)據(jù)信息也是離散的。

2.2.3 存在數(shù)據(jù)縫隙

在激光成像雷達(dá)獲取物體信息的過(guò)程中，因?yàn)槲矬w特性以及遮擋等因素的影響，會(huì)導(dǎo)致最后所獲取的信息存在部分區(qū)域沒(méi)有回波，存在一些數(shù)據(jù)上的縫隙。

2.2.4 光譜信息單一

不能對(duì)物體的紋理以及平面幾何形狀等信息進(jìn)行獲取，因此有必要和其他光學(xué)傳感數(shù)據(jù)聯(lián)合使用以獲取更為完善的物體信息[2]。

3 激光成像雷達(dá)主被動(dòng)光學(xué)圖像融合

3.1 基本流程簡(jiǎn)介

首先由激光雷達(dá)和一般的可見(jiàn)光相機(jī)對(duì)同一物體進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，經(jīng)過(guò)降噪處理后進(jìn)行圖像之間的配準(zhǔn)，然后基于兩者的像素進(jìn)行融合。此過(guò)程包括用戶對(duì)特征信息的獲取與分類以及最后的決策，得到最終的融合圖像。激光雷達(dá)所獲取的圖像信息和一般可見(jiàn)光相機(jī)所獲取的圖像信息在成像機(jī)理、時(shí)相以及電磁波段上都存在很大的差異，因此，在進(jìn)行圖像配準(zhǔn)之前必須對(duì)其進(jìn)行降噪處理，繼而完成進(jìn)一步的圖像配標(biāo)融合作業(yè)。

3.2 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)降噪

對(duì)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理是激光雷達(dá)主被動(dòng)光學(xué)圖像融合實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。具體的處理手段為使用濾波的方式去除噪聲，通過(guò)內(nèi)插獲取等值線以及格網(wǎng)數(shù)據(jù)的追蹤。此外，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像中單一有用建筑物的提取，還需要對(duì)激光點(diǎn)云圖像進(jìn)行閾值的分割處理。最后由激光點(diǎn)云網(wǎng)格化完成圖像配標(biāo)前預(yù)處理工作[3]。

3.3 可見(jiàn)光圖像降噪

在一般可見(jiàn)光圖像中，均存在著很多的不同種類的噪聲污染，包括椒鹽噪聲、高斯噪聲等等。對(duì)可見(jiàn)光圖像的降噪預(yù)處理工作主要是完成圖像的降噪以及亮度的調(diào)節(jié)。在處理上仍然采用濾波的形式，在降噪過(guò)程中，需要保持圖像細(xì)節(jié)的完整，同時(shí)還需要有效去除噪聲[4]。一般的中值濾波器和線性濾波器降噪的效果并不好，自適應(yīng)中值濾波則是一種可充分使用的一種降噪技術(shù)。其在使用中可對(duì)中值濾波進(jìn)行適應(yīng)性的調(diào)節(jié)，因此在降噪的同時(shí)可以保留下最大的圖像細(xì)節(jié)，對(duì)于密度更高的椒鹽噪聲也可以實(shí)現(xiàn)平滑處理。自適應(yīng)中值濾波在降噪處理上，首先對(duì)噪聲圖像濾波窗口中的最小灰度像素以及最大灰度像素進(jìn)行去除，然后求出其中間值，再通過(guò)計(jì)算獲得像素灰度值和中間值之間的差值，并和閾值進(jìn)行比對(duì)，基于比對(duì)結(jié)果判定是否使用差值將該像素的灰度值進(jìn)行取締[5]。

3.4 基于激光成像雷達(dá)的圖像配準(zhǔn)

完成激光成像雷達(dá)圖像和可見(jiàn)光圖像的降噪預(yù)處理后，則進(jìn)行正式的圖像配準(zhǔn)，這也是基于激光成像雷達(dá)的主被動(dòng)光學(xué)圖像融合的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過(guò)不同設(shè)備所獲取的光學(xué)圖像和距離圖像，因?yàn)樵谂臄z的過(guò)程中，成像角度以及設(shè)備視場(chǎng)不同，所獲取的物體成像位置和比例也會(huì)不同。因此，對(duì)圖像的特征進(jìn)行配標(biāo)是圖像融合質(zhì)量的關(guān)鍵。

所謂圖像配準(zhǔn)是指通過(guò)對(duì)同一物體的兩幅圖像所描述的同一位置進(jìn)行匹配，在兩幅圖片間建立起一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系，就相應(yīng)的幾何變換進(jìn)行確定的操作。從圖像配準(zhǔn)的實(shí)質(zhì)上觀察，是在空間上將兩幅圖進(jìn)行配準(zhǔn)，包括絕對(duì)配標(biāo)和相對(duì)配標(biāo)兩種。其中絕對(duì)配標(biāo)是指配標(biāo)的對(duì)象和為多幅圖像，將這些圖像均置于一個(gè)地理坐標(biāo)系下進(jìn)行對(duì)其幾何要素進(jìn)行校正，然后再重新采用，獲取相同分辨率的圖像。相對(duì)匹配其參考對(duì)象單一某波段的圖像，因此在坐標(biāo)系上可以自由選擇[6]。目前應(yīng)用較為廣泛的為相對(duì)配標(biāo)中的空間配準(zhǔn)方式，具體配準(zhǔn)融合流程分為4步：（1）選擇兩幅圖像中的明顯特征，例如邊界、控制點(diǎn)以及線狀物交叉點(diǎn)等；（2）特征匹配，在一定配準(zhǔn)計(jì)算后，對(duì)兩幅圖的控制點(diǎn)進(jìn)行明確，控制點(diǎn)可選擇明顯的地物特征；（3）尋找空間變化，基于已設(shè)定的控制點(diǎn)建立兩幅圖像之間的映射關(guān)系；（4）基于已建立好映射關(guān)系，對(duì)非參考圖像進(jìn)行重新采用，獲得和參考相應(yīng)配準(zhǔn)的圖像，完成兩幅圖像的融合。

空間域配準(zhǔn)方式主要有3種：（1）基于控制點(diǎn)完成配準(zhǔn)，點(diǎn)特征具有較強(qiáng)的適用性，在使用中首先選擇出匹配的點(diǎn)，然后獲取相關(guān)信息并進(jìn)行函數(shù)匹配完成配準(zhǔn)；（2）基于矩完成配準(zhǔn)，該方法較為復(fù)雜，要求每一幅圖像均在經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理后進(jìn)行配準(zhǔn)，即同一個(gè)被歸一化處理后的矩所對(duì)應(yīng)的參照位置完成配準(zhǔn)；（3）基于邊緣完成配準(zhǔn)，這種方式下控制點(diǎn)以圖像邊緣為主，通過(guò)對(duì)圖像邊緣像素密度的比較，將幾何變換參數(shù)直接導(dǎo)出，并就其中某一幅圖像實(shí)施相應(yīng)變換，最終完成配準(zhǔn)[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，激光成像雷達(dá)成像圖片作為一種主動(dòng)成像技術(shù)，所成像具有物體距離數(shù)據(jù)等信息，而一般光學(xué)圖像作為一種被動(dòng)成像技術(shù)，在物體的表面幾何信息以及紋理信息的獲取上具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。文章在對(duì)兩者進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，提出了特征獲取、特征匹配、建立映射關(guān)系以及完成圖像融合4步基于激光成像雷達(dá)的主被動(dòng)光學(xué)圖像融合途徑，希望給我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的企業(yè)和研究人員一定參考，提升圖像制作水平。

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[6]嚴(yán)潔，阮友田，薛珮瑤.主被動(dòng)光學(xué)圖像融合技術(shù)研究[J].中國(guó)光學(xué)，2015（3）：378-385.

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Study on the initiative and passive optical image fusion based on laser imaging radar

Zhong Chunxiao
（Institute of Technology, East China Jiao Tong University, Nanchang 330100, China）

In this paper, the laser imaging radar and optical imaging are briefly summarized firstly, and then the principles and characteristics of laser imaging radar are analyzed in detail. Finally, the basic flow profile, the laser radar data noise reduction, visible light image noise reduction, image registration based on laser imaging radar four steps on the initiative and passive optical image fusion based on laser imaging radar discussed in detail.

laser imaging radar; initiative and passive optics; image fusion

鐘春曉（1982— ），男，江西泰和人，講師，碩士；研究方向：電氣工程，光學(xué)。