激光距離選通三維成像技術(shù)研究進展綜述

導(dǎo)讀

隨著人工智能時代的到來，同時獲得反映目標(biāo)輻射特性和紋理特征的高分辨率強度圖像以及反映目標(biāo)和所處場景的三維空間信息的稠密點云數(shù)據(jù)/三維圖像的激光相機雷達技術(shù)已成為激光雷達的發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)的攝像機與激光雷達復(fù)合的技術(shù)方案存在異源數(shù)據(jù)融合問題，尤其是在霧雨雪天氣條件下以及水下等傳輸鏈路中存在嚴(yán)重散射的情況時難以有效工作。激光距離選通三維成像技術(shù)利用單一門控成像器件可同時獲得高質(zhì)量二維強度圖像和高分辨率三維圖像，其二維圖像中的像素和三維圖像中的體素一一對應(yīng)，并繼承了激光距離選通成像透散射成像的技術(shù)優(yōu)勢，具有實現(xiàn)高性能激光相機雷達的技術(shù)潛力。不同于傳統(tǒng)掃描激光雷達，距離選通三維成像技術(shù)主要采用基于CMOS的門控面陣圖像傳感器作為成像器件，像素規(guī)?？沙^百萬，其空間分辨率超過機械掃描激光雷達，也優(yōu)于目前基于雪崩光電二極管陣列的閃光激光成像雷達，在遠(yuǎn)距離安防監(jiān)控、復(fù)雜環(huán)境生態(tài)監(jiān)測、惡劣天氣及水下避障導(dǎo)航等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

研究背景

1965年是激光距離選通成像的技術(shù)元年。不同于傳統(tǒng)成像技術(shù)對視場內(nèi)目標(biāo)和背景“無選擇性”成像，激光距離選通成像技術(shù)僅對感興趣距離區(qū)間內(nèi)目標(biāo)“選擇性”成像，從而可過濾感興趣區(qū)與成像系統(tǒng)間的介質(zhì)散射噪聲以及感興趣區(qū)外的背景噪聲，提高作用距離和成像質(zhì)量。該技術(shù)透散射介質(zhì)遠(yuǎn)距離成像的特點使得研究者們快速意識到其在夜間和水下遠(yuǎn)距離成像方面的應(yīng)用潛力。然而，受制于高性能脈沖激光器和選通成像器件發(fā)展的制約，激光距離選通成像技術(shù)在隨后的二十年發(fā)展緩慢。直到20世紀(jì)90年代，隨著硬件技術(shù)的不斷成熟，該技術(shù)被重新喚醒，在夜視和水下成像等應(yīng)用領(lǐng)域得到迅速發(fā)展，并形成了系列的產(chǎn)品和裝備。

激光距離選通成像可以獲得與感興趣成像區(qū)選通延時對應(yīng)的距離信息，但感興趣區(qū)內(nèi)的精細(xì)距離信息仍是丟失的，所以，本質(zhì)上仍是二維成像。我們?nèi)祟惿钤谌S空間中，但是，傳統(tǒng)二維成像技術(shù)在成像過程中將三維空間投影為二維圖像，丟失了距離信息，從而導(dǎo)致空間信息降維，無法實現(xiàn)目標(biāo)定位和尺寸測量等三維空間感知應(yīng)用。隨著人工智能時代的到來，二維成像已無法滿足機器“看清世界、感知三維空間”的技術(shù)需求，因此，人們開始發(fā)展各種各樣的三維成像和激光雷達技術(shù)。激光距離選通成像技術(shù)廣義上是基于光的時間飛行法實現(xiàn)的，可對空間切片成像，因此，類似醫(yī)學(xué)斷層成像，可通過獲取場景的空間切片圖像實現(xiàn)三維重建?；谶@一思路，國內(nèi)外發(fā)展了多種激光距離選通三維成像技術(shù)，并開展了安防監(jiān)控、生態(tài)監(jiān)測和避障導(dǎo)航等應(yīng)用研究。

主要內(nèi)容

典型的激光距離選通成像系統(tǒng)由脈沖激光器、選通成像器件和時序控制器(TCU)組成。時序控制器提供工作時序，控制激光脈沖和選通脈沖間的延時、脈沖寬度和工作頻率等。系統(tǒng)工作原理如圖1所示，脈沖激光器向目標(biāo)發(fā)射激光脈沖，經(jīng)介質(zhì)傳輸，遇到目標(biāo)時被目標(biāo)反射或散射，形成回波信號。當(dāng)回波信號傳至選通成像器件時，選通門開啟，圖像傳感器接收回波信號，輸出選通圖像。圖1給出了本文作者及其團隊研制的激光選通成像系統(tǒng)在霧天和水下獲得的船舶和USAF1951目標(biāo)靶的選通圖像。相比之下，傳統(tǒng)光學(xué)圖像中的目標(biāo)淹沒在霧和水體的散射噪聲中，無法有效探測和識別。激光距離選通成像通過控制延時對感興趣距離下的空間進行切片成像，過濾了介質(zhì)散射噪聲和背景噪聲，實現(xiàn)了在霧雨雪等條件下的透散射成像，提高了作用距離和成像質(zhì)量。

圖1激光距離選通成像工作原理及成像效果

由于不同特征的激光脈沖和選通脈沖卷積后的距離能量包絡(luò)特征不同，反映了不同距離處目標(biāo)回波信號的能量特征，因此，存在“時間—空間”的映射關(guān)系，這為激光距離選通成像實現(xiàn)三維場景重建提供了可能性。經(jīng)過十多年的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者已提出了步進延時掃描、增益調(diào)制和距離能量相關(guān)等激光距離選通三維成像技術(shù)。其中，距離能量相關(guān)三維成像技術(shù)包括梯形、三角形以及深度學(xué)習(xí)等三維重建算法，整體的成熟度較高，技術(shù)就緒水平達到5-7級。其原因主要是：距離能量相關(guān)三維成像充分利用了選通圖像中目標(biāo)距離和圖像強度的關(guān)聯(lián)信息，能夠通過較少的信號采集次數(shù)，實現(xiàn)超距離分辨率的三維成像，在成像實時性上具有優(yōu)勢。

本文作者提出了三角形距離能量相關(guān)三維成像，可基于兩幅具有三角形距離能量包絡(luò)的選通圖像，通過建立它們能量灰度比與距離的關(guān)系重建丟失的距離信息，并利用能量域分辨率提升時間域分辨率，進而實現(xiàn)快速高距離分辨率三維成像。本文作者及其團隊已研制出系列激光選通三維成像系統(tǒng)，并開展了面向復(fù)雜環(huán)境生態(tài)監(jiān)測、安防監(jiān)控、避障導(dǎo)航等應(yīng)用研究，代表性系統(tǒng)及應(yīng)用如下：

01

海洋生物激光原位三維觀測儀“鳳眼”可用于mm級到cm級海洋生物原位觀測，并可基于三維圖像實現(xiàn)生物尺寸測量等功能，該系統(tǒng)2018年搭載中國科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所的“鳳凰號”深海著陸器在1070m水深下獲得的水母強度圖像和三維圖像，如圖2所示。

圖2海洋生物激光原位三維觀測儀“鳳眼”應(yīng)用效果

02

冠層微細(xì)立體結(jié)構(gòu)三維觀測儀“CanoMIS”可視為一種新型的植被結(jié)構(gòu)監(jiān)測激光雷達，可同時獲得冠層高水平分辨率的強度圖像和稠密點云數(shù)據(jù)，用于植被結(jié)構(gòu)精細(xì)測量，2020年在中國科學(xué)院清原森林生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站觀測塔上CanoMIS對千金榆原位觀測結(jié)果，相比傳統(tǒng)成像技術(shù)，基于激光選通的三維成像技術(shù)可直接過濾背景，實現(xiàn)感興趣目標(biāo)測量，如3所示。

圖3冠層微細(xì)立體結(jié)構(gòu)三維觀測儀“CanoMIS”應(yīng)用效果

03

海上超視距近紅外激光三維成像系統(tǒng)可在低照度及霧雨雪天條件下獲得高對比度近紅外強度圖像以及高分辨率三維圖像，所選擇的近紅外波段與可見光波段相近，利于展現(xiàn)目標(biāo)的紋理細(xì)節(jié)信息。2024年在煙臺海域開展了大霧天氣條件下夜間海上監(jiān)控應(yīng)用研究，對“耕海1號”海洋牧場綜合體平臺觀測結(jié)果如圖4所示：夜間連續(xù)近紅外（CW NIR）圖像受霧氣影響難以看清目標(biāo)；中波紅外（MWIR）和長波紅外（LWIR）圖像可透霧成像，且輪廓清晰，但是“耕海1號”等文字紋理信息丟失；而激光選通三維成像獲得的近紅外選通圖像可以讀取“耕海1號”文字信息，并且通過三維圖像可以分辨“海星”造型甲板的三個觸角結(jié)構(gòu)。

圖4 海上超視距近紅外激光三維成像系統(tǒng)應(yīng)用效果

此外，針對汽車輔助駕駛和自動駕駛應(yīng)用，歐盟DENSE計劃基于深度學(xué)習(xí)距離能量相關(guān)三維成像技術(shù)開發(fā)了一款Gated2Depth實時稠密激光雷達。該激光雷達采用了選通相機作為圖像傳感器，采用了波長808nm的VCSEL激光器作為照明光源，與傳統(tǒng)掃描激光雷達、雙目立體視覺等技術(shù)比測結(jié)果如圖5所示：深度學(xué)習(xí)距離能量相關(guān)三維成像技術(shù)將傳統(tǒng)的激光雷達點云密度提高兩個數(shù)量級以上，并可獲得高清的紋理圖像，同時不依賴環(huán)境光、具有破霧雨雪成像能力。DENSE計劃是由戴姆勒股份公司牽頭，聚焦汽車自動駕駛應(yīng)用中霧雨雪等惡劣天氣條件下傳感器性能降低甚至失效問題，研發(fā)新型的全天候傳感器，實現(xiàn)感興趣交通信息及障礙物的高可靠探測感知。

圖5 Gated2Depth高分辨率閃光激光雷達

結(jié)論

順應(yīng)人工智能時代對傳感器集成化、多功能化、智能化、小型化的發(fā)展趨勢，從激光雷達Light Detection and Ranging（LiDAR）到激光相機雷達Light Ranging and Imaging（LiRAI）將是激光雷達的發(fā)展方向。激光相機雷達的技術(shù)特點是：借助主動光照明，不依賴環(huán)境照度，利用單一傳感器同時獲得反映目標(biāo)輻射特性和紋理特征的高分辨率強度圖像，以及反應(yīng)目標(biāo)和所處場景的三維空間信息的稠密點云數(shù)據(jù)/三維圖像，并具備一定的抗介質(zhì)散射遠(yuǎn)距離工作能力。

從20世紀(jì)60年代提出激光距離選通成像技術(shù)以來，隨著激光器、光電成像器件的發(fā)展和成熟，激光距離選通三維成像技術(shù)受到廣泛關(guān)注。該三維成像技術(shù)繼承了激光距離選通透散射成像的技術(shù)優(yōu)勢，使其在霧、雨、雪、煙、塵以及水體等散射介質(zhì)條件下仍可有效工作，因此，在遠(yuǎn)距離安防監(jiān)控、復(fù)雜環(huán)境生態(tài)監(jiān)測、惡劣天氣及水下避障導(dǎo)航等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。從技術(shù)發(fā)展趨勢來看，激光距離選通三維成像為從激光雷達到激光相機雷達，再到彩色激光相機雷達提供了一條技術(shù)途徑。未來在計算成像和人工智能技術(shù)的加持下，激光距離選通三維成像將實現(xiàn)應(yīng)用導(dǎo)向的系統(tǒng)設(shè)計，從成像原理上實現(xiàn)更快速、更高精度、更遠(yuǎn)探測距離、更多成像功能、更高感知維度、更強的復(fù)雜場景適應(yīng)能力等，從而滿足多樣化的場景任務(wù)需求。

撰稿人：王新偉，孫亮，張岳

論文題目：激光距離選通三維成像技術(shù)研究進展

作者：王新偉1,2,3，孫亮1，張岳1，宋博1，夏晨昊1，周燕1,2,3

審核編輯：劉清