基于雷達掃描檢測車道線的四種方法

基于視覺系統(tǒng)的車道線檢測有諸多缺陷。

首先，視覺系統(tǒng)對背景光線很敏感，諸如陽光強烈的林蔭道，車道線被光線分割成碎片，致使無法提取出車道線。

其次，視覺系統(tǒng)需要車道線的標識完整，有些年久失修的道路，車道線標記不明顯，不完整，有些剛開通幾年的道路也是如此。

第三，視覺系統(tǒng)需要車道線的格式統(tǒng)一，這對按照模型庫識別車道線的系統(tǒng)尤其重要，有些車道線格式很奇特，比如藍顏色的車道線，很窄的車道線，模型庫必須走遍全國將這些奇特的車道線一一收錄，才能保證順利檢測。

再次，視覺系統(tǒng)無法對應(yīng)低照度環(huán)境，尤其是沒有路燈的黑夜。一般LKW要求時速在72公里以上才啟動，原因之一是速度比較高時人不會輕易換道，另一個原因就是比較低的車速意味著視覺系統(tǒng)的取樣點不足，擬合的車道線準確度較低。而激光雷達的有效距離一般是視覺系統(tǒng)的4-5倍，有效的采樣點比較多，車速較低時檢測準確度遠高于視覺系統(tǒng)。

最后，如果車道線表面被水覆蓋，視覺系統(tǒng)會完全無效。視覺系統(tǒng)最大的優(yōu)點就是成本低。因此自2008年后，學(xué)術(shù)界已經(jīng)很少研究基于視覺系統(tǒng)的車道線檢測，轉(zhuǎn)而利用激光雷達檢測車道線，激光雷達可以解決上述所有問題，包括車道線被水覆蓋，激光雷達最大可穿越70米的水深。

激光雷達唯一的缺點就是成本太高。

基于雷達掃描點密度的車道線檢測

早期激光雷達檢測車道線是基于雷達掃描點密度的車道線檢測方法，該方法通過獲取雷達掃描點的坐標并轉(zhuǎn)換成柵格圖，用原始數(shù)據(jù)映射柵格圖，可以是直接坐標柵格圖也可以是極坐標柵格圖。

按照后期處理需要進行選擇，極坐標柵格圖被直接用于車道線識別，即有多個點映射的柵格就被認為是車道線點，該識別方法對特征提取的要求很高，且受距離影響嚴重，因為極坐標柵格距離越近柵格精度越高，車道線識別的精度越高，距離越遠柵格精度越低導(dǎo)致識別車道線的精度就越低然后利用柵格圖中點的密度提取車道線。

對于點密度的求取可以采用直方圖統(tǒng)計的方式，通過直方圖統(tǒng)計點密度快捷直觀，容易理解。由于基于掃描點密度的檢測方法沒有很復(fù)雜的中間過程，所以實時性高，在快速檢測中受到大家的青睞。

但是該方法只獲取了掃描點的位置信息，對于雷達反饋的其他信息都沒有進一步分析，容易把一些與車道線掃描點密度類似的道路信息混進車道線檢測結(jié)果中；或者在車道線與其他障礙物靠近或重合時，無法區(qū)分出障礙物和車道線，他們只能被當作一個整體保留或剔除。

所以此方法的抗干擾能力差，容易出現(xiàn)誤檢。這種方法目前已經(jīng)不常使用。

激光雷達檢測車道線的四種方法

目前激光雷達檢測車道線主要有四種方法：

基于激光雷達回波寬度；

基于激光雷達反射強度信息形成的灰度圖，或者根據(jù)強度信息與高程信息配合，過濾出無效信息；

激光雷達SLAM與高精度地圖配合，不僅檢測車道線還進行自車定位；

利用激光雷達能夠獲取路沿高度信息或物理反射信息不同的特性，先檢測出路沿，因為道路寬度是已知，根據(jù)距離再推算出車道線位置。對于某些路沿與路面高度相差低于3厘米的道路，這種方法無法使用。
后三種方法需要多線激光雷達，最少也是16線激光雷達。前者可以使用4線或單線激光雷達，考慮到奧迪A8已經(jīng)開始使用4線激光雷達，4線激光雷達已經(jīng)進入實用階段。

當然，這四種方法也可以混合使用。

車道線檢測兩步走

車道線檢測基本分兩部走：提取幾何或物理特征，利用離散數(shù)據(jù)擬合成車道線。無論是視覺還是激光雷達，通常都是用最小二乘法擬合車道線。

離散數(shù)據(jù)擬合車道線

Ibeo是最適合第一種方法的激光雷達。Ibeo的激光雷達特有三次回波技術(shù)。每點激光返回三個回波，返回信息能夠更加可靠地還原被測物體，同時能夠精確分析相關(guān)物體數(shù)據(jù)，并能識別雨、霧、雪等不相關(guān)物體的數(shù)據(jù)。

如圖所示，其中W表示回波脈沖寬度，d表示掃描目標的距離。反射率作為物體的固有屬性，受物體材質(zhì)、顏色等的影響，能夠很好地反映物體特征，不同顏色。

密度的物體的反射率都有一定的差異，物體反射率決定Ibeo回波脈沖寬度特性，路面和車道線有著明顯的差異，所以可以利用回波脈沖寬度的差異對目標進行區(qū)分。

上圖為典型的車道線標識

回波寬度

很明顯，路面的回波寬度在2米左右，車道線的回波寬度在4米左右。

根據(jù)Ibeo的特性知道其垂直方向上的掃描角度為3.2度，共分四層掃描，即每層0.8度，在Ibeo水平安裝的情況下，并考慮到實際情況一一Ibeo的高度受車體的限制，其下面兩層(一、二層)主要返回道路表面的信息，而上面兩層(三、四層)主要返回有一定高度的道路信息。

根據(jù)激光雷達的特性知道激光束掃描到物體會立即產(chǎn)生回波，一二兩層的掃描距離遠小于三四兩層。

通過理論分析和實驗驗證可知一二兩層返回的信息主要包括路面、車道線、少量障礙物和邊界數(shù)據(jù)；三四兩層主要返回道路邊界、障礙物和少量路表信息，所以在特征種子點提取階段需要重點分析一二兩層的雷達數(shù)據(jù)，這部分數(shù)據(jù)中對于車道線檢測最大的干擾在于路面，提取車道線種子點特征的重點就是分離車道線特征與路面特征。

最小二乘法擬合車道線

通過最小類內(nèi)方差算法找到路面與車道線的分割閾值，利用誤差分析原理剔除車道線集合范圍內(nèi)的粗大誤差，即剔除干擾信息，提取出車道線特征種子點。然后再擬合成車道線。

最小類內(nèi)方差是一種自適應(yīng)閾值的求取方法，也是一種模糊聚類方法。其基本思想是使用一個閾值將整體數(shù)據(jù)分成兩個類，因為方差是數(shù)值分布是否均勻的度量，兩個類的內(nèi)部的方差和越小則每一類內(nèi)部的差別就越小，那么兩個類之間的差別就越大。

如果存在一個閾值使得類內(nèi)方差和最小則說明這個閾值就是劃分兩類的最佳閡值，使用最佳閾值劃分意味著劃分兩類出現(xiàn)偏差的概率最小。

通過回波脈沖寬度利用最小類內(nèi)方差算法建模分割車道線特征與路面特征，剔除車道線特征提取的最大干擾。對回波脈沖寬度進行統(tǒng)計分析，并劃分脈沖寬度級別，因為直接使用脈沖寬度值其分布不利于統(tǒng)計，采用對脈沖寬度平均區(qū)域劃分即脈沖寬度級，統(tǒng)計各級內(nèi)的點數(shù)，從而得到回波脈沖寬度分布直方圖。再利用諸如模糊聚類分析方法剔除干擾值。

最小二乘法近似求解不斷優(yōu)化靠近真實值的數(shù)學(xué)方法，它可以利用己知數(shù)據(jù)簡便地求得未知數(shù)據(jù)，并不斷優(yōu)化保證求得的數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)問的誤差的平方和最小。

利用最小二乘法擬合曲線，就是不斷優(yōu)化求取某條曲線使其最能體現(xiàn)已有數(shù)據(jù)點的變化趨勢，具體過程是利用已知的數(shù)據(jù)點優(yōu)化求取最優(yōu)的未知數(shù)據(jù)合成一條最佳的曲線，并保證已有數(shù)據(jù)點到曲線的距離的平方和最小。

也就是說，曲線擬合不要求近似曲線過所有數(shù)據(jù)點，只需要己知的數(shù)據(jù)點都距離在這條曲線的不遠處，即這條曲線能反映數(shù)據(jù)點的整體分布，又不至于出現(xiàn)較大的局部波動，已知數(shù)據(jù)與曲線的偏差的平方和達到最小就能有效控制波動。

簡而言之，最小二乘法擬合就是利用最小化誤差的平方和求取數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。

基于激光雷達反射強度信息

根據(jù)反射強度值做的車道線檢測，在車載激光雷達獲取的道路周圍環(huán)境點云數(shù)中，可以輕松區(qū)分出道路與車道線。

具體到車載激光雷達獲取的道路周圍環(huán)境三維點云數(shù)據(jù)中，可以看作一個局部均值變點模型，每一激光層采集的可行駛區(qū)域內(nèi)回波強度值就是一組輸出序列，其回波強度值變化的點就是所要求的車道標線點集。

現(xiàn)在只須在每一激光層采集的可行駛區(qū)域內(nèi)回波強度值輸出序列中檢測是否有變化點，若存在則標記并提取這些變點?；谲囕d雷達獲取的智能車感興趣區(qū)域內(nèi)海量點云數(shù)據(jù)中的T坐標值有一定高程特點進行濾波，確定可行駛區(qū)域進而剔除與車道標線回波強度值相近的障礙物。

上圖為簡單濾波后粗提取的車道線回波強度值投影圖（全局圖）

由于車載激光雷達獲取的道路周圍環(huán)境點云數(shù)據(jù)是分層存儲的，不同激光層獲取的道路周圍環(huán)境點云數(shù)據(jù)相鄰兩點間距與到雷達坐標系原點的距離有關(guān)。

距離越遠間距越大，考慮到安裝在正常行駛上的激光雷達獲取的車道標線曲率變較小，所以利用文獻提出的基于車道標線方向的EM最大期望聚類算法對粗提取車道標線點云數(shù)據(jù)進行聚類。

通過在聚類過程中估計車道標線方向來對粗提取的車道標線點云數(shù)據(jù)集進行分類去噪。然后再利用最小二乘法進行車道線擬合。