一種基于空間差分整形的距離選通超分辨率三維成像方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于空間差分整形的距離選通超分辨率三維成像方法，該方法包括以下步驟：獲取用于三維重建的第一切片圖像；構(gòu)建與第一切片圖像空間交疊的第一空間能量包絡(luò)整形器；使用第一空間能量包絡(luò)整形器對(duì)于第一切片圖像進(jìn)行空間差分整形處理，得到第一新切片圖像；根據(jù)以上步驟，利用選通延時(shí)步進(jìn)處理得到空間交疊的兩幅新切片圖像，基于新切片圖像進(jìn)行距離選通超分辨率三維重建。本發(fā)明中新切片圖像的等效壓窄激光脈寬為原激光脈寬的一半，從而實(shí)現(xiàn)壓窄激光脈寬提高距離分辨率的目的。本發(fā)明可打破脈沖激光器最小脈寬的限制，實(shí)現(xiàn)更高距離分辨率的三維成像，進(jìn)而拓展距離選通超分辨率三維成像的應(yīng)用。
【專利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光三維成像領(lǐng)域，尤其是一種基于空間差分整形的距離選通超分辨 率三維成像方法，能夠提高距離選通超分辨率三維成像的距離分辨率。 一種基于空間差分整形的距離選通超分辨率三維成像方法

【背景技術(shù)】
[0002] 距離選通超分辨率三維成像技術(shù)是一種新型的非掃描三維成像技術(shù)，可在水下以 及霧雨雪等后向散射嚴(yán)重的環(huán)境中有效工作，在遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測(cè)識(shí)別、三維場(chǎng)景感知、避障 導(dǎo)航等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，尤其是水下三維成像領(lǐng)域。
[0003] 目前距離選通超分辨率三維成像技術(shù)主要包括兩種：基于梯形距離能量包絡(luò)的超 分辨率三維成像（Opt. Lett.，2007, Vol. 32(21)，3146-3148)和基于三角形距離能量包絡(luò) 的超分辨率三維成像（中國(guó)發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)枮?01210430995. 6)。本發(fā)明中，前者簡(jiǎn)稱為 梯形超分辨率三維成像，后者簡(jiǎn)稱為三角形超分辨率三維成像。兩者都是通過(guò)距離選通回 波展寬效應(yīng)構(gòu)造具有特定形狀（梯形或三角形）空間能量包絡(luò)特征的切片圖像，進(jìn)而獲取 兩幅空間交疊的切片圖像，通過(guò)建立空間交疊的切片圖像間像素灰度比與距離能量比間的 映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)三維重構(gòu)，如圖1所示。
[0004] 雖然距離選通超分辨率三維成像解決了傳統(tǒng)距離選通步進(jìn)延時(shí)掃描三維成像高 距離分辨率依賴高性能器件的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了利用低性能器件獲得與傳統(tǒng)技術(shù)高性能器件相 媲美的距離分辨率，但是，距離選通超分辨率三維成像的距離分辨率依賴于激光脈沖的時(shí) 域特性。理論上，激光脈寬越窄，超分辨率三維成像的距離分辨率越高，但是，實(shí)際應(yīng)用中激 光脈寬并不能被無(wú)限壓窄，每個(gè)脈沖激光器都存在一個(gè)最小脈寬，激光脈寬達(dá)到最小脈寬 后將不可再壓窄，因此，限制了距離分辨率的進(jìn)一步提高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，本發(fā)明的主要目的在于提出一種基于空間差 分整形的距離選通超分辨率三維成像方法，以達(dá)到突破激光最小脈寬限制，提高三維成像 的距離分辨率的目的。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種基于空間差分整形的距離選通超分辨率三維成 像方法，該方法包括以下步驟：
[0007] 步驟1，獲取用于三維重建的第一切片圖像；
[0008] 步驟2,構(gòu)建與所述第一切片圖像空間交疊的第一空間能量包絡(luò)整形器；
[0009] 步驟3,使用所述第一空間能量包絡(luò)整形器對(duì)于所述第一切片圖像進(jìn)行空間差分 整形處理，得到第一新切片圖像；
[0010] 步驟4,根據(jù)所述步驟1-3,利用選通延時(shí)步進(jìn)處理得到空間交疊的兩幅新切片圖 像，基于所述新切片圖像進(jìn)行距離選通超分辨率三維重建。
[0011] 其中，所述步驟1具體為通過(guò)設(shè)置切片圖像的時(shí)域參數(shù)來(lái)獲取切片圖像。
[0012] 其中，所述切片圖像具有梯形或三角形空間能量包絡(luò)特征，所述新切片圖像具有 相應(yīng)的梯形或三角形空間能量包絡(luò)特征。
[0013] 其中，所述步驟2中，根據(jù)所述切片圖像時(shí)域參數(shù)設(shè)置空間能量包絡(luò)整形器的時(shí) 域參數(shù)。
[0014] 其中，所述空間能量包絡(luò)整形器包括頭信號(hào)整形器和尾信號(hào)整形器。
[0015] 其中，所述頭信號(hào)整形器和尾信號(hào)整形器對(duì)應(yīng)的選通延時(shí)分別為：
[0016] τ head = τ -tg,
[0017] T tail = T +tg，
[0018] 其中，τ head表示頭信號(hào)整形器的選通延時(shí)，τ tail表示尾信號(hào)整形器的選通延時(shí)， τ表示所述切片圖像的選通延時(shí)，tg表示選通脈沖的選通門(mén)寬。
[0019] 其中，所述新切片圖像表示為：
[0020] Inew = I-S，
[0021] 其中，IMW表示新切片圖像，I表示原始切片圖像，S表示空間能量包絡(luò)整形器。
[0022] 其中，所述第一新切片圖像的等效激光脈寬為所述第一切片圖像對(duì)應(yīng)激光脈寬 的一半。
[0023] 其中，所述步驟4進(jìn)一步包括以下步驟：
[0024] 步驟41，獲取與所述第一切片圖像空間相鄰的第二切片圖像；
[0025] 步驟42,構(gòu)建與所述第二切片圖像空間交疊的第二空間能量包絡(luò)整形器；
[0026] 步驟43,使用所述第二空間能量包絡(luò)整形器對(duì)于所述第二切片圖像進(jìn)行空間差分 整形處理，得到第二新切片圖像；
[0027] 步驟44,利用所述第一新切片圖像和第二新切片圖像進(jìn)行距離選通超分辨率三維 重建。
[0028] 其中，所述第二切片圖像的激光脈寬和選通門(mén)寬的設(shè)置與所述第一切片圖像相 同，其選通延時(shí)步進(jìn)步長(zhǎng)為所述第一切片圖像的激光脈寬的一半。
[0029] 上述方案中利用新切片圖像進(jìn)行距離選通超分辨率三維重建是指利用空間差分 整形后生成的新切片圖像進(jìn)行梯形或三角形距離選通超分辨率三維重建，新切片圖像滿足 距離選通超分辨率三維成像反演算法所要求的空間交疊關(guān)系，即滿足相鄰新切片圖像間的 選通延時(shí)步進(jìn)步長(zhǎng)大小為t夕2,與整形前相鄰切片圖像間的選通延時(shí)步進(jìn)步長(zhǎng)大小一致。
[0030] 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0031] 1、利用本發(fā)明，由于經(jīng)空間差分整形后生成的新切片圖像具有等效于激光脈寬壓 窄為原激光脈寬一半時(shí)的空間能量包絡(luò)，所以，在利用新切片圖像進(jìn)行距離選通超分辨率 三維重建時(shí)理論上距離分辨率可提高1倍，從而一定程度上打破了脈沖激光器最小脈寬對(duì) 距離分辨率提高的限制，可用于對(duì)高距離分辨率需求的三維成像應(yīng)用中。
[0032] 2、利用本發(fā)明，由于新切片圖像的空間能量包絡(luò)等效于激光脈寬壓窄為原激光脈 寬一半時(shí)所具有的空間特征，所以，本發(fā)明降低了對(duì)脈沖激光器脈寬時(shí)域特性的要求，從而 利用脈寬較寬的脈沖激光器也可實(shí)現(xiàn)窄脈沖激光器所能實(shí)現(xiàn)的距離分辨率。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0033] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的距離選通超分辨率三維成像示意圖，其中：圖1(a)為距離選 通超分辨率三維成像的工作原理示意圖，圖1(b)為梯形超分辨率三維成像反演算法示意 圖，圖1(c)為三角形超分辨率三維成像反演算法示意圖。
[0034] 圖2是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的距離選通超分辨率三維成像方法流程示意圖。
[0035] 圖3是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的空間能量包絡(luò)整形器的工作時(shí)序示意圖，其中： 圖3(a)為當(dāng)選通成像器件工作頻率足夠大時(shí)空間能量包絡(luò)整形器的工作時(shí)序示意圖，圖 3(b)為當(dāng)選通成像器件工作頻率不足夠大時(shí)空間能量包絡(luò)整形器的工作時(shí)序示意圖。
[0036] 圖4是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的利用空間能量包絡(luò)整形器對(duì)切片圖像進(jìn)行的空間 能量包絡(luò)整形的示意圖：圖4(a)示出了具有梯形空間能量包絡(luò)的切片圖像經(jīng)過(guò)空間差分 整形處理后生成的新切片圖像所具有的梯形空間能量包絡(luò)，圖4(b)示出了具有三角形空 間能量包絡(luò)的切片圖像經(jīng)過(guò)空間差分整形處理后生成的新切片圖像所具有的三角形空間 能量包絡(luò)。
[0037] 圖5是將本發(fā)明方法用于梯形超分辨率三維成像的結(jié)果示意圖：圖5 (a)為選通延 時(shí)510ns切片圖像空間差分整形結(jié)果示意圖，圖5(b)為選通延時(shí)540ns切片圖像空間差分 整形結(jié)果示意圖，圖5(c)為新切片圖像間的空間交疊關(guān)系示意圖。
[0038] 圖6是將本發(fā)明方法用于三角形超分辨率三維成像的結(jié)果示意圖：圖6 (a)為選通 延時(shí)480ns切片圖像空間差分整形結(jié)果示意圖，圖6(b)為選通延時(shí)510ns切片圖像空間差 分整形結(jié)果示意圖，圖6(c)為新切片圖像間的空間交疊關(guān)系示意圖。
[0039] 圖中主要附圖標(biāo)記說(shuō)明：
[0040] 1-激光脈沖，2-選通脈沖，3-切片圖像，4-頭信號(hào)整形器，5-尾信號(hào)整形器，6-新 切片圖像。

【具體實(shí)施方式】
[0041] 在此公開(kāi)本發(fā)明結(jié)構(gòu)實(shí)施例和方法的描述。可以了解的是并不意圖將本發(fā)明限制 在特定公開(kāi)的實(shí)施例中，而是本發(fā)明可以通過(guò)使用其它特征，元件方法和實(shí)施例來(lái)加以實(shí) 施。不同實(shí)施例中的相似元件通常會(huì)標(biāo)示相似的號(hào)碼。
[0042] 本發(fā)明提出的一種基于空間差分整形的距離選通超分辨率三維成像方法是指通 過(guò)建立兩幅空間交疊且具有梯形或三角形空間能量包絡(luò)特征的二維切片圖像間像素灰度 比與距離能量比間的映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景重建的技術(shù)，能夠提高距離選通超分辨率三維 成像的距離分辨率，所述基于空間差分整形的距離選通超分辨率三維成像方法利用空間能 量包絡(luò)整形器對(duì)用于三維重建的切片圖像進(jìn)行空間差分整形處理，獲取新切片圖像，進(jìn)而 利用該新切片圖像進(jìn)行距離選通超分辨率三維重建，從而實(shí)現(xiàn)壓窄激光脈寬提高距離分辨 率的目的。
[0043] 如圖2所示，本發(fā)明所提出的一種基于空間差分整形的距離選通超分辨率三維成 像方法包括以下步驟：
[0044] 步驟1，獲取用于三維重建的第一切片圖像；
[0045] 其中，所述切片圖像具有梯形或三角形空間能量包絡(luò)特征；所述切片圖像通過(guò)控 制脈沖激光器發(fā)射的激光脈沖1與選通成像器件選通門(mén)開(kāi)啟形成的選通脈沖2間的延時(shí)實(shí) 現(xiàn)距離選通成像來(lái)獲得。所述步驟1具體為通過(guò)設(shè)置切片圖像的時(shí)域參數(shù)，包括選通延時(shí)、 激光脈寬和選通門(mén)寬等來(lái)獲取切片圖像。
[0046] 其中，具有梯形空間能量包絡(luò)特征的切片圖像對(duì)應(yīng)的激光脈寬和選通門(mén)寬滿足：
[0047]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于空間差分整形的距離選通超分辨率三維成像方法，其特征在于，該方法包 括以下步驟： 步驟1，獲取用于三維重建的第一切片圖像； 步驟2,構(gòu)建與所述第一切片圖像空間交疊的第一空間能量包絡(luò)整形器； 步驟3,使用所述第一空間能量包絡(luò)整形器對(duì)于所述第一切片圖像進(jìn)行空間差分整形 處理，得到第一新切片圖像； 步驟4,根據(jù)所述步驟1-3,利用選通延時(shí)步進(jìn)處理得到空間交疊的兩幅新切片圖像， 基于所述新切片圖像進(jìn)行距離選通超分辨率三維重建。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟1具體為通過(guò)設(shè)置切片圖像的時(shí) 域參數(shù)來(lái)獲取切片圖像。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述切片圖像具有梯形或三角形空間能 量包絡(luò)特征，所述新切片圖像具有相應(yīng)的梯形或三角形空間能量包絡(luò)特征。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟2中，根據(jù)所述切片圖像時(shí)域參 數(shù)設(shè)置空間能量包絡(luò)整形器的時(shí)域參數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述空間能量包絡(luò)整形器包括頭信號(hào)整 形器和尾信號(hào)整形器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述頭信號(hào)整形器和尾信號(hào)整形器對(duì)應(yīng) 的選通延時(shí)分別為： T head - T _tg， T tail = τ +tg， 其中，Thead表不頭信號(hào)整形器的選通延時(shí)，Ttaii表不尾信號(hào)整形器的選通延時(shí)， τ表 示所述切片圖像的選通延時(shí)，tg表示選通脈沖的選通門(mén)寬。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述新切片圖像表示為： new I Sj 其中，IMW表示新切片圖像，I表示原始切片圖像，S表示空間能量包絡(luò)整形器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一新切片圖像的等效激光脈寬為 所述第一切片圖像對(duì)應(yīng)激光脈寬的一半。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟4進(jìn)一步包括以下步驟： 步驟41，獲取與所述第一切片圖像空間相鄰的第二切片圖像； 步驟42,構(gòu)建與所述第二切片圖像空間交疊的第二空間能量包絡(luò)整形器； 步驟43,使用所述第二空間能量包絡(luò)整形器對(duì)于所述第二切片圖像進(jìn)行空間差分整形 處理，得到第二新切片圖像； 步驟44,利用所述第一新切片圖像和第二新切片圖像進(jìn)行距離選通超分辨率三維重 建。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述第二切片圖像的激光脈寬和選通門(mén) 寬的設(shè)置與所述第一切片圖像相同，其選通延時(shí)步進(jìn)步長(zhǎng)為所述第一切片圖像的激光脈寬 的一半。
【文檔編號(hào)】G01C11/00GK104101330SQ201410283638
【公開(kāi)日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年6月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月23日
【發(fā)明者】王新偉, 周燕, 李友福 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所