CN113534191A

CN113534191A - 单光子激光雷达的3d图像扫描和修复方法、装置和设备

Info

Publication number: CN113534191A
Application number: CN202110841499.9A
Authority: CN
Inventors: 马晓燠; 谭晓宁; 杨奇龙; 曹代; 刘会龙; 李成平; 罗元江; 胡瑞; 周万丽; 贾天豪; 游双慧; 刘少平
Original assignee: Chongqing Lianxin Photoelectric Technology Research Institute Co ltd
Current assignee: Chongqing Lianxin Photoelectric Technology Research Institute Co ltd
Priority date: 2021-07-26
Filing date: 2021-07-26
Publication date: 2021-10-22
Anticipated expiration: 2041-07-26
Also published as: CN113534191B

Abstract

本发明提供一种单光子激光雷达的3d图像扫描和修复方法、装置和设备，本方案通过设置单光子激光雷达镜面每次旋转角度所对应的旋转距离小于任意两个相邻初始化像素点的间距，控制单光子激光雷达对目标位置进行多次旋转扫描，叠加初始图像和各旋转扫描图像，经过处理后得到目标扫描图像，并对目标扫描图像进行位置修复和光强修复，最终得到目标3d图像。本方案实现了在不改变单光子雷达的扫描范围的情况下，对已有的扫描范围中增加扫描密集度，从而提高单光子雷达的成像清晰度；且不需要对单光子雷达设备投入过高资金进行升级的同时还能提高像素的扫描及相应的修复方法，极大的节约了成本，有助于单光子设备的使用与推广。

Description

单光子激光雷达的3d图像扫描和修复方法、装置和设备

技术领域

本发明涉及单光子激光雷达扫描技术领域，尤其涉及一种单光子激光雷达的3d图像扫描和修复方法、装置和设备。

背景技术

单光子激光雷达能够准确地在低微照度的情况下测量目标的位置、大小、形状等属性，并能够通过数据分析来建模出目标的3d模型，但是这类设备为了降低对照度的需求而牺牲了像素，导致了单光子成像设备往往成像模糊。这一缺陷极大影响了单光子成像设备的使用与推广。

一般来说，单光子雷达由两部分组成，一是激光发射装置，二是单光子接收阵列。无论是激光发射装置还是单光子接收阵列，随着它们发射和接收的光子的数量增加，必然要扩大发射和接收阵列。扩大发射和接收阵列的难点在于需要同时对抗随之增加的内部不稳定性。增大的接收阵列会加大散热的困难从而影响单光子雷达的接收效率。另外，单光子雷达设备提高空间分辨率需要增大接收阵列，但是大阵列单光子探测器获取成本过高。因此通过扩大发射和接收阵列来增加像素需要花大量时间和资金对设备材料进行改进和升级。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种单光子激光雷达的3d图像扫描和修复方法、装置和设备。

一种单光子激光雷达的3d图像扫描和修复方法，所述方法包括：通过单光子激光雷达对目标位置进行扫描，得到目标位置的初始图像以及各初始像素点的初始位置和初始光强；设置所述单光子激光雷达镜面每次旋转角度所对应的旋转距离小于任意两个相邻初始化像素点的间距；按照预设的旋转方向，控制所述单光子激光雷达对目标位置进行多次旋转扫描，得到多个旋转扫描图像；将多个所述旋转扫描图像和所述初始图像进行叠加，并进行处理，得到目标扫描图像；基于扫描的旋转方向和角度、光子飞行时间,将所述目标扫描图像进行位置修复，得到初始3d图像；设置3d网格，将所述初始3d图像放入所述3d网格中，并基于初始光强，确定所述初始3d图像的目标光强，得到目标3d图像。

在其中一个实施例中，所述预设的旋转方向至少包括向左、向右、向上和向下四种方向中的任意三种。

在其中一个实施例中，所述将多个所述旋转扫描图像和所述初始图像进行叠加，并进行处理，得到目标扫描图像，具体为：将多个所述旋转扫描图像和所述初始图像进行叠加，得到待处理图像；将所述待处理图像中超出所述初始图像的部分去除，得到目标扫描图像。

在其中一个实施例中，所述基于扫描的旋转方向和角度、光子飞行时间,将所述目标扫描图像进行位置修复，得到初始3d图像，具体为：根据目标扫描图像建立数字矩阵，并设置初始角度为0，矩阵至少设有扫描的旋转方向和角度、光子飞行时间三个维度；基于所述数字矩阵计算所述目标扫描图像上每个像素点对应的目标方向和目标距离；基于所述目标方向和所述目标距离，将每个像素点与其距离最近的两个像素点连成一个面，得到初始3d图像。

在其中一个实施例中，所述设置3d网格，将所述初始3d图像放入所述3d网格中，并基于初始光强，确定所述初始3d图像的目标光强，得到目标3d图像，具体为：设置一个3d网格，将所述初始3d图像放入所述3d网格中，并判断每个像素点对应的网格位置；根据所述初始像素点的初始位置和初始光强，以及所述每个像素点对应的网格位置，确定所述初始3d图像的目标光强，得到目标3d图像。

一种单光子激光雷达的3d图像扫描和修复装置，包括初始扫描模块、间距设置模块、旋转扫描模块、图像处理模块、位置修复模块和光强修复模块，其中：所述初始扫描模块用于，通过单光子激光雷达对目标位置进行扫描，得到目标位置的初始图像以及各初始像素点的初始位置和初始光强；所述间距设置模块用于，设置所述单光子激光雷达镜面每次旋转角度所对应的旋转距离小于任意两个相邻初始化像素点的间距；所述旋转扫描模块用于，按照预设的旋转方向，控制所述单光子激光雷达对目标位置进行多次旋转扫描，得到多个旋转扫描图像；所述图像处理模块用于，将多个所述旋转扫描图像和所述初始图像进行叠加，并进行处理，得到目标扫描图像；所述位置修复模块用于，基于扫描的旋转方向和角度、光子飞行时间，将所述目标扫描图像进行位置修复，得到初始3d图像；所述光强修复模块用于，设置3d网格，将所述初始3d图像放入所述3d网格中，并基于初始光强，确定所述初始3d图像的目标光强，得到目标3d图像。

在其中一个实施例中，所述图像处理模块包括图像叠加单元和超出去除单元，其中：所述图像叠加单元用于，将多个所述旋转扫描图像和所述初始图像进行叠加，得到待处理图像；所述超出去除单元用于，将所述待处理图像中超出所述初始图像的部分去除，得到目标扫描图像。

在其中一个实施例中，所述位置修复模块包括矩阵建立单元、位置计算单元和像素点连面单元，其中：所述矩阵建立单元用于，根据目标扫描图像建立数字矩阵，并设置初始角度为0，矩阵至少设有扫描的旋转方向和角度、光子飞行时间三个维度；所述位置计算单元用于，基于所述数字矩阵计算所述目标扫描图像上每个像素点对应的目标方向和目标距离；所述像素点连面单元还用于，基于所述目标方向和所述目标距离，将每个像素点与其距离最近的两个像素点连成一个面，得到初始3d图像。

在其中一个实施例中，所述光强修复模块包括网格建立单元和光强确定单元，其中：所述网格建立单元用于，设置一个3d网格，将所述初始3d图像放入所述3d网格中，并判断每个像素点对应的网格位置；所述光强确定单元用于，根据所述初始像素点的初始位置和初始光强，以及所述每个像素点对应的网格位置，确定所述初始3d图像的目标光强，得到目标3d图像。

一种设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述各个实施例中所述的一种单光子激光雷达的3d图像扫描和修复方法的步骤。

本发明有益效果：上述单光子激光雷达的3d图像扫描和修复方法、装置和设备，通过设置单光子激光雷达镜面每次旋转角度所对应的旋转距离小于任意两个相邻初始化像素点的间距，从而在预设的旋转方向，控制单光子激光雷达对目标位置进行多次旋转扫描，得到多个旋转扫描图像，并叠加初始图像，经过处理后得到目标扫描图像，并基于扫描的旋转方向和角度、光子飞行时间，对目标扫描图像进行位置修复，得到初始3d图像，再通过设置3d网格，进行光强修复，最终得到目标3d图像。实现了在不改变单光子雷达的扫描范围的情况下，对已有的扫描范围中增加扫描密集度，从而提高单光子雷达的成像清晰度；且不需要对单光子雷达设备投入过高资金进行升级的同时还能提高像素的扫描及相应的修复方法，极大的节约了成本，有助于单光子设备的使用与推广。

附图说明

图1为一个实施例中单光子激光雷达的3d图像扫描和修复方法的流程示意图；

图2为一个实施例中单光子激光雷达的3d图像扫描过程的演示图；

图3为一个实施例中连接三角面的示意图；

图4为一个实施例中一种单光子激光雷达的3d图像扫描和修复装置的结构框图；

图5为一个实施例中图像处理模块的结构框图；

图6为一个实施例中位置修复模块的结构框图；

图7为一个实施例中光强修复模块的结构框图；

图8是一个实施例中设备的内部结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种单光子激光雷达的3d图像扫描和修复方法，包括以下步骤：

S110通过单光子激光雷达对目标位置进行扫描，得到目标位置的初始图像以及各初始像素点的初始位置和初始光强。

具体地，先通过单光子激光雷达对目标位置进行正常扫描，可以得到目标位置的初始图像以及各初始像素点的初始位置和初始光强。

S120设置单光子激光雷达镜面每次旋转角度所对应的旋转距离小于任意两个相邻初始化像素点的间距。

具体地，控制每次旋转角度小于每个像素与对应目标位置形成的角度的间隔，这样就能在已有的像素中***额外像素从而提高成像清晰度。

S130按照预设的旋转方向，控制单光子激光雷达对目标位置进行多次旋转扫描，得到多个旋转扫描图像。

具体地，单光子激光雷达扫描能够以任意角度进行，但是为保证操作的便利以及计算的精确度，将默认为以水平和竖直方向进行均匀扫描。如有其它扫描需求，需要单独设定。

在一个实施例中，步骤S130中预设的旋转方向至少包括向左、向右、向上和向下四种方向中的任意三种。具体地，选三种方向，进行三次旋转扫描，就可完成对目标位置的初始图像的像素添加。

S140将多个旋转扫描图像和初始图像进行叠加，并进行处理，得到目标扫描图像。

在一个实施例中，步骤S140具体为：将多个旋转扫描图像和初始图像进行叠加，得到待处理图像；将待处理图像中超出初始图像的部分去除，得到目标扫描图像。

具体地，将各个旋转扫描图像和初始图像叠加在一起，得到的待处理图像存在一部分超出了目标位置的范围，需要将超出的部分去除，从而得到目标扫描图像。

在一个实施例中，如图2所示，按照上述步骤S110-S140，以一个2*2的网格进行演示，网格中的点即为像素点，即本质以3*3的像素点进行演示；(a)为第一次扫描，即得到的就是目标位置的初始图像以及各初始像素点的初始位置和初始光强。(b)是控制移动角度为像素间隔角度的一半向右移动进行第二次扫描，则将整个3*3的像素点中，水平向右的方向，每两个初始像素点之间***了一个新的像素点，得到的是3*6的像素点，而最右列的像素点为超出范围的。(c)为控制移动角度为像素间隔角度的一半向下移动进行第三次扫描，则是在(b)的基础上进行竖直向下扫描，同时最右列和最下行都是超出范围的像素点。(d)是控制移动角度为像素间隔角度的一半向左移动进行第四次扫描，形成了6*6的像素点，其中最右列、最下列是超出范围的像素点，需要进行去除，最终将原本3*3的图，通过处理后得到为5*5，分别在每两个初始像素点之间***了新的像素点。

S150基于扫描的旋转方向和角度、光子飞行时间,将目标扫描图像进行位置修复，得到初始3d图像。

在一个实施例中，步骤S150具体为：根据目标扫描图像建立数字矩阵，并设置初始角度为0，矩阵至少设有扫描的旋转方向和角度、光子飞行时间三个维度；基于数字矩阵计算目标扫描图像上每个像素点对应的目标方向和目标距离；基于目标方向和目标距离，将每个像素点与其距离最近的两个像素点连成一个面，得到初始3d图像。

具体地，通过步骤S110-S140的方式所得出的数据会保存成记录了扫描的水平、竖直角度、光子飞行时间以及初始光强形成的数字矩阵，然后使用这些数据就能计算出每个像素对应的目标方向和距离。得到目标的方向和距离后可以将每个点与离它最近的两个点连成一个面就能得到一个起伏的3d的面，如图3所示。

S160设置3d网格，将初始3d图像放入3d网格中，并基于初始光强，确定初始3d图像的目标光强，得到目标3d图像。

在一个实施例中，步骤S160具体为：设置一个3d网格，将初始3d图像放入3d网格中，并判断每个像素点对应的网格位置；根据初始像素点的初始位置和初始光强，以及每个像素点对应的网格位置，确定初始3d图像的目标光强，得到目标3d图像。

具体地，像素点包括位置和光强两个要素，步骤S150中得到只是各像素点的位置，因此还需要进行光强的确定。对于一个3d图像，也可以用类似处理二维像素时进行插值的办法使得图像更平滑。将图片放入3d网格中，判断每个点对应网格位置。为了尽可能使所有点都在单独网格内，单位网格大小应小于等于靠得最近的两个点的距离。可以认为这是一个3d的关于光强的标量场，原有数据占据的网格光强不变，其他网格的光强需要另行判断。首先，图3上的各三角面上的网格应以顶点所在网格的光强并基于相对于三角形重心的距离作为加权算出平均数作为只与这一个三角面相交的网格的光强；然后与多个面相交的网格，也就是图3中各棱上的网格，应以所相交的多个面的光强的算术平均值作为光强。

上述实施例中，通过设置单光子激光雷达镜面每次旋转角度所对应的旋转距离小于任意两个相邻初始化像素点的间距，从而在预设的旋转方向，控制单光子激光雷达对目标位置进行多次旋转扫描，得到多个旋转扫描图像，并叠加初始图像，经过处理后得到目标扫描图像，并基于扫描的旋转方向和角度、光子飞行时间，对目标扫描图像进行位置修复，得到初始3d图像，再通过设置3d网格，进行光强修复，最终得到目标3d图像。实现了在不改变单光子雷达的扫描范围的情况下，对已有的扫描范围中增加扫描密集度，从而提高单光子雷达的成像清晰度；且不需要对单光子雷达设备投入过高资金进行升级的同时还能提高像素的扫描及相应的修复方法，极大的节约了成本，有助于单光子设备的使用与推广。

在一个实施例中，如图4所示，提供了一种单光子激光雷达的3d图像扫描和修复装置200，该装置包括初始扫描模块210、间距设置模块220、旋转扫描模块230、图像处理模块240、位置修复模块250和光强修复模块260，其中：

初始扫描模块210用于，通过单光子激光雷达对目标位置进行扫描，得到目标位置的初始图像以及各初始像素点的初始位置和初始光强；

间距设置模块220用于，设置单光子激光雷达镜面每次旋转角度所对应的旋转距离小于任意两个相邻初始化像素点的间距；

旋转扫描模块230用于，按照预设的旋转方向，控制单光子激光雷达对目标位置进行多次旋转扫描，得到多个旋转扫描图像；

图像处理模块240用于，将多个旋转扫描图像和初始图像进行叠加，并进行处理，得到目标扫描图像；

位置修复模块250用于，基于扫描的旋转方向和角度、光子飞行时间,将目标扫描图像进行位置修复，得到初始3d图像；

光强修复模块260用于，设置3d网格，将初始3d图像放入3d网格中，并基于初始光强，确定初始3d图像的目标光强，得到目标3d图像。

在一个实施例中，如图5所示，图像处理模块240包括图像叠加单元241和超出去除单元242，其中：图像叠加单元241用于，将多个旋转扫描图像和初始图像进行叠加，得到待处理图像；超出去除单元242用于，将待处理图像中超出初始图像的部分去除，得到目标扫描图像。

在一个实施例中，如图6所示，位置修复模块250包括矩阵建立单元251、位置计算单元252和像素点连面单元253，其中：矩阵建立单元251用于，根据目标扫描图像建立数字矩阵，并设置初始角度为0，矩阵至少设有扫描的旋转方向和角度、光子飞行时间三个维度；位置计算单元252用于，基于数字矩阵计算目标扫描图像上每个像素点对应的目标方向和目标距离；像素点连面单元253还用于，基于目标方向和目标距离，将每个像素点与其距离最近的两个像素点连成一个面，得到初始3d图像。

在一个实施例中，如图7所示，光强修复模块260包括网格建立单元261和光强确定单元262，其中：网格建立单元261用于，设置一个3d网格，将初始3d图像放入3d网格中，并判断每个像素点对应的网格位置；光强确定单元262用于，根据初始像素点的初始位置和初始光强，以及每个像素点对应的网格位置，确定初始3d图像的目标光强，得到目标3d图像。

在一个实施例中，提供了一种设备，该设备可以是服务器，其内部结构图可以如图8所示。该设备包括通过***总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该设备的处理器用于提供计算和控制能力。该设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作***、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作***和计算机程序的运行提供环境。该设备的数据库用于存储配置模板，还可用于存储目标网页数据。该设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种单光子激光雷达的3d图像扫描和修复方法。

本领域技术人员可以理解，图8中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的设备的限定，具体的设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在计算机存储介质(ROM/RAM、磁碟、光盘)中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。所以，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种单光子激光雷达的3d图像扫描和修复方法，其特征在于，包括：

通过单光子激光雷达对目标位置进行扫描，得到目标位置的初始图像以及各初始像素点的初始位置和初始光强；

设置所述单光子激光雷达镜面每次旋转角度所对应的旋转距离小于任意两个相邻初始化像素点的间距；

按照预设的旋转方向，控制所述单光子激光雷达对目标位置进行多次旋转扫描，得到多个旋转扫描图像；

将多个所述旋转扫描图像和所述初始图像进行叠加，并进行处理，得到目标扫描图像；

基于扫描的旋转方向和角度、光子飞行时间,将所述目标扫描图像进行位置修复，得到初始3d图像；

设置3d网格，将所述初始3d图像放入所述3d网格中，并基于初始光强，确定所述初始3d图像的目标光强，得到目标3d图像。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设的旋转方向至少包括向左、向右、向上和向下四种方向中的任意三种。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将多个所述旋转扫描图像和所述初始图像进行叠加，并进行处理，得到目标扫描图像，具体为：

将多个所述旋转扫描图像和所述初始图像进行叠加，得到待处理图像；

将所述待处理图像中超出所述初始图像的部分去除，得到目标扫描图像。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于扫描的旋转方向和角度、光子飞行时间,将所述目标扫描图像进行位置修复，得到初始3d图像，具体为：

根据目标扫描图像建立数字矩阵，并设置初始角度为0，矩阵至少设有扫描的旋转方向和角度、光子飞行时间三个维度；

基于所述数字矩阵计算所述目标扫描图像上每个像素点对应的目标方向和目标距离；

基于所述目标方向和所述目标距离，将每个像素点与其距离最近的两个像素点连成一个面，得到初始3d图像。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述设置3d网格，将所述初始3d图像放入所述3d网格中，并基于初始光强，确定所述初始3d图像的目标光强，得到目标3d图像，具体为：

设置一个3d网格，将所述初始3d图像放入所述3d网格中，并判断每个像素点对应的网格位置；

根据所述初始像素点的初始位置和初始光强，以及所述每个像素点对应的网格位置，确定所述初始3d图像的目标光强，得到目标3d图像。

6.一种单光子激光雷达的3d图像扫描和修复装置，其特征在于，包括初始扫描模块、间距设置模块、旋转扫描模块、图像处理模块、位置修复模块和光强修复模块，其中：

所述初始扫描模块用于，通过单光子激光雷达对目标位置进行扫描，得到目标位置的初始图像以及各初始像素点的初始位置和初始光强；

所述间距设置模块用于，设置所述单光子激光雷达镜面每次旋转角度所对应的旋转距离小于任意两个相邻初始化像素点的间距；

所述旋转扫描模块用于，按照预设的旋转方向，控制所述单光子激光雷达对目标位置进行多次旋转扫描，得到多个旋转扫描图像；

所述图像处理模块用于，将多个所述旋转扫描图像和所述初始图像进行叠加，并进行处理，得到目标扫描图像；

所述位置修复模块用于，基于扫描的旋转方向和角度、光子飞行时间,将所述目标扫描图像进行位置修复，得到初始3d图像；

所述光强修复模块用于，设置3d网格，将所述初始3d图像放入所述3d网格中，并基于初始光强，确定所述初始3d图像的目标光强，得到目标3d图像。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述图像处理模块包括图像叠加单元和超出去除单元，其中：

所述图像叠加单元用于，将多个所述旋转扫描图像和所述初始图像进行叠加，得到待处理图像；

所述超出去除单元用于，将所述待处理图像中超出所述初始图像的部分去除，得到目标扫描图像。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述位置修复模块包括矩阵建立单元、位置计算单元和像素点连面单元，其中：

所述矩阵建立单元用于，根据目标扫描图像建立数字矩阵，并设置初始角度为0，矩阵至少设有扫描的旋转方向和角度、光子飞行时间三个维度；

所述位置计算单元用于，基于所述数字矩阵计算所述目标扫描图像上每个像素点对应的目标方向和目标距离；

所述像素点连面单元还用于，基于所述目标方向和所述目标距离，将每个像素点与其距离最近的两个像素点连成一个面，得到初始3d图像。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述光强修复模块包括网格建立单元和光强确定单元，其中：

所述网格建立单元用于，设置一个3d网格，将所述初始3d图像放入所述3d网格中，并判断每个像素点对应的网格位置；

所述光强确定单元用于，根据所述初始像素点的初始位置和初始光强，以及所述每个像素点对应的网格位置，确定所述初始3d图像的目标光强，得到目标3d图像。

10.一种设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至5中任一项所述方法的步骤。