CN104101330B - 一种基于空间差分整形的距离选通超分辨率三维成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空间差分整形的距离选通超分辨率三维成像方法，该方法包括以下步骤：获取用于三维重建的第一切片图像；构建与第一切片图像空间交叠的第一空间能量包络整形器；使用第一空间能量包络整形器对于第一切片图像进行空间差分整形处理，得到第一新切片图像；根据以上步骤，利用选通延时步进处理得到空间交叠的两幅新切片图像，基于新切片图像进行距离选通超分辨率三维重建。本发明中新切片图像的等效压窄激光脉宽为原激光脉宽的一半，从而实现压窄激光脉宽提高距离分辨率的目的。本发明可打破脉冲激光器最小脉宽的限制，实现更高距离分辨率的三维成像，进而拓展距离选通超分辨率三维成像的应用。

Description

一种基于空间差分整形的距离选通超分辨率三维成像方法

技术领域

本发明属于激光三维成像领域，尤其是一种基于空间差分整形的距离选通超分辨率三维成像方法，能够提高距离选通超分辨率三维成像的距离分辨率。

背景技术

距离选通超分辨率三维成像技术是一种新型的非扫描三维成像技术，可在水下以及雾雨雪等后向散射严重的环境中有效工作，在远距离目标探测识别、三维场景感知、避障导航等领域具有广泛应用前景，尤其是水下三维成像领域。

目前距离选通超分辨率三维成像技术主要包括两种：基于梯形距离能量包络的超分辨率三维成像(Opt.Lett.,2007,Vol.32(21),3146-3148)和基于三角形距离能量包络的超分辨率三维成像(中国发明专利，申请号为201210430995.6)。本发明中，前者简称为梯形超分辨率三维成像，后者简称为三角形超分辨率三维成像。两者都是通过距离选通回波展宽效应构造具有特定形状(梯形或三角形)空间能量包络特征的切片图像，进而获取两幅空间交叠的切片图像，通过建立空间交叠的切片图像间像素灰度比与距离能量比间的映射关系，实现三维重构，如图1所示。

虽然距离选通超分辨率三维成像解决了传统距离选通步进延时扫描三维成像高距离分辨率依赖高性能器件的问题，实现了利用低性能器件获得与传统技术高性能器件相媲美的距离分辨率，但是，距离选通超分辨率三维成像的距离分辨率依赖于激光脉冲的时域特性。理论上，激光脉宽越窄，超分辨率三维成像的距离分辨率越高，但是，实际应用中激光脉宽并不能被无限压窄，每个脉冲激光器都存在一个最小脉宽，激光脉宽达到最小脉宽后将不可再压窄，因此，限制了距离分辨率的进一步提高。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足之处，本发明的主要目的在于提出一种基于空间差分整形的距离选通超分辨率三维成像方法，以达到突破激光最小脉宽限制，提高三维成像的距离分辨率的目的。

为达到上述目的，本发明提供一种基于空间差分整形的距离选通超分辨率三维成像方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，获取用于三维重建的第一切片图像；

步骤2，构建与所述第一切片图像空间交叠的第一空间能量包络整形器；

步骤3，使用所述第一空间能量包络整形器对于所述第一切片图像进行空间差分整形处理，得到第一新切片图像；

步骤4，根据所述步骤1-3，利用选通延时步进处理得到空间交叠的两幅新切片图像，基于所述新切片图像进行距离选通超分辨率三维重建。

其中，所述步骤1具体为通过设置切片图像的时域参数来获取切片图像。

其中，所述切片图像具有梯形或三角形空间能量包络特征，所述新切片图像具有相应的梯形或三角形空间能量包络特征。

其中，所述步骤2中，根据所述切片图像时域参数设置空间能量包络整形器的时域参数。

其中，所述空间能量包络整形器包括头信号整形器和尾信号整形器。

其中，所述头信号整形器和尾信号整形器对应的选通延时分别为：

τ_head＝τ-t_g，

τ_tail＝τ+t_g，

其中，τ_head表示头信号整形器的选通延时，τ_tail表示尾信号整形器的选通延时，τ表示所述切片图像的选通延时，t_g表示选通脉冲的选通门宽。

其中，所述新切片图像表示为：

I_new＝I-S，

其中，I_new表示新切片图像，I表示原始切片图像，S表示空间能量包络整形器。

其中，所述第一新切片图像的等效激光脉宽为所述第一切片图像对应 激光脉宽的一半。

其中，所述步骤4进一步包括以下步骤：

步骤41，获取与所述第一切片图像空间相邻的第二切片图像；

步骤42，构建与所述第二切片图像空间交叠的第二空间能量包络整形器；

步骤43，使用所述第二空间能量包络整形器对于所述第二切片图像进行空间差分整形处理，得到第二新切片图像；

步骤44，利用所述第一新切片图像和第二新切片图像进行距离选通超分辨率三维重建。

其中，所述第二切片图像的激光脉宽和选通门宽的设置与所述第一切片图像相同，其选通延时步进步长为所述第一切片图像的激光脉宽的一半。

上述方案中利用新切片图像进行距离选通超分辨率三维重建是指利用空间差分整形后生成的新切片图像进行梯形或三角形距离选通超分辨率三维重建，新切片图像满足距离选通超分辨率三维成像反演算法所要求的空间交叠关系，即满足相邻新切片图像间的选通延时步进步长大小为t_L/2，与整形前相邻切片图像间的选通延时步进步长大小一致。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、利用本发明，由于经空间差分整形后生成的新切片图像具有等效于激光脉宽压窄为原激光脉宽一半时的空间能量包络，所以，在利用新切片图像进行距离选通超分辨率三维重建时理论上距离分辨率可提高1倍，从而一定程度上打破了脉冲激光器最小脉宽对距离分辨率提高的限制，可用于对高距离分辨率需求的三维成像应用中。

2、利用本发明，由于新切片图像的空间能量包络等效于激光脉宽压窄为原激光脉宽一半时所具有的空间特征，所以，本发明降低了对脉冲激光器脉宽时域特性的要求，从而利用脉宽较宽的脉冲激光器也可实现窄脉冲激光器所能实现的距离分辨率。

附图说明

图1是现有技术中的距离选通超分辨率三维成像示意图，其中：图1(a)为距离选通超分辨率三维成像的工作原理示意图，图1(b)为梯形 超分辨率三维成像反演算法示意图，图1(c)为三角形超分辨率三维成像反演算法示意图。

图2是根据本发明一实施例的距离选通超分辨率三维成像方法流程示意图。

图3是根据本发明一实施例的空间能量包络整形器的工作时序示意图，其中：图3(a)为当选通成像器件工作频率足够大时空间能量包络整形器的工作时序示意图，图3(b)为当选通成像器件工作频率不足够大时空间能量包络整形器的工作时序示意图。

图4是根据本发明一实施例的利用空间能量包络整形器对切片图像进行的空间能量包络整形的示意图：图4(a)示出了具有梯形空间能量包络的切片图像经过空间差分整形处理后生成的新切片图像所具有的梯形空间能量包络，图4(b)示出了具有三角形空间能量包络的切片图像经过空间差分整形处理后生成的新切片图像所具有的三角形空间能量包络。

图5是将本发明方法用于梯形超分辨率三维成像的结果示意图：图5(a)为选通延时510ns切片图像空间差分整形结果示意图，图5(b)为选通延时540ns切片图像空间差分整形结果示意图，图5(c)为新切片图像间的空间交叠关系示意图。

图6是将本发明方法用于三角形超分辨率三维成像的结果示意图：图6(a)为选通延时480ns切片图像空间差分整形结果示意图，图6(b)为选通延时510ns切片图像空间差分整形结果示意图，图6(c)为新切片图像间的空间交叠关系示意图。

图中主要附图标记说明：

1-激光脉冲，2-选通脉冲，3-切片图像，4-头信号整形器，5-尾信号整形器，6-新切片图像。

具体实施方式

在此公开本发明结构实施例和方法的描述。可以了解的是并不意图将本发明限制在特定公开的实施例中，而是本发明可以通过使用其它特征，元件方法和实施例来加以实施。不同实施例中的相似元件通常会标示相似的号码。

本发明提出的一种基于空间差分整形的距离选通超分辨率三维成像方法是指通过建立两幅空间交叠且具有梯形或三角形空间能量包络特征的二维切片图像间像素灰度比与距离能量比间的映射关系实现三维场景重建的技术，能够提高距离选通超分辨率三维成像的距离分辨率，所述基于空间差分整形的距离选通超分辨率三维成像方法利用空间能量包络整形器对用于三维重建的切片图像进行空间差分整形处理，获取新切片图像，进而利用该新切片图像进行距离选通超分辨率三维重建，从而实现压窄激光脉宽提高距离分辨率的目的。

如图2所示，本发明所提出的一种基于空间差分整形的距离选通超分辨率三维成像方法包括以下步骤：

步骤1，获取用于三维重建的第一切片图像；

其中，所述切片图像具有梯形或三角形空间能量包络特征；所述切片图像通过控制脉冲激光器发射的激光脉冲1与选通成像器件选通门开启形成的选通脉冲2间的延时实现距离选通成像来获得。所述步骤1具体为通过设置切片图像的时域参数，包括选通延时、激光脉宽和选通门宽等来获取切片图像。

其中，具有梯形空间能量包络特征的切片图像对应的激光脉宽和选通门宽满足：

$t_g=\frac{3}{2}{t}_L---\left(1\right)$

式中，t_g是选通脉冲的选通门宽，t_L是激光脉宽，该梯形空间能量包络包括头信号区、体信号区和尾信号区，分别对应梯形包络的上升沿、平顶区和下降沿。

具有三角形空间能量包络特征的切片图像对应的激光脉宽和选通门宽满足：

t_g＝t_L (2)

式中，t_g是选通脉冲的选通门宽，t_L是激光脉宽激光脉宽，等于选通门宽，该三角形空间能量包络包括头信号区和尾信号区，分别对应三角形包络的上升沿和下降沿。

步骤2，构建与所述第一切片图像空间交叠的第一空间能量包络整形器；所述步骤2具体为：根据所述切片图像时域参数设置空间能量包络整 形器的时域参数，包括选通延时、激光脉宽和选通门宽，其中激光脉宽和选通门宽与所述切片图像的一致，选通延时根据下文提及的公式(4)和(5)设置。

所述空间能量包络整形器是指与切片图像进行空间差分实现切片图像头信号区和尾信号区整形的二维图像，其包括头信号整形器和尾信号整形器：

S＝S_head+S_tail (3)

式中，S表示空间能量包络整形器，S_head和S_tail分别表示头信号整形器和尾信号整形器。所述头信号整形器和尾信号整形器由距离选通成像实现，其中头信号整形器和尾信号整形器对应的选通延时分别为：

τ_head＝τ-t_g (4)

τ_tail＝τ+t_g (5)

选通延时是指距离选通成像时选通脉冲2和激光脉冲1之间的延时。式(4)和(5)中，τ_head表示头信号整形器的选通延时，τ_tail表示尾信号整形器的选通延时，τ表示用于三维重建的切片图像的选通延时，t_g表示选通脉冲的选通门宽。

当选通成像器件的工作频率足够大时，所述空间能量包络整形器可由一帧图像中两次选通成像实现，其工作时序如图3(a)所示，图3(a)中，激光器发射一个激光脉冲，选通门则在给定延时τ-t_g和τ+t_g开启两次，每次开启持续时间均为t_g，实现两次选通成像。其中，选通成像器件的工作频率f满足f>1/t_g。

当选通成像器件的工作频率不够大(f≤1/t_g)时，所述空间能量包络整形器的头信号整形器和尾信号整形器分别各由一次距离选通成像实现，如图3(b)所示，头信号整形器由发射激光脉冲后τ-t_g时刻开启选通门实现选通成像获得，尾信号整形器由发射激光脉冲后τ+t_g时刻开启选通门实现选通成像获得。分别获取头信号整形器和尾信号整形器后，两者进行图像叠加即可获得空间能量包络整形器。

步骤3，使用所述第一空间能量包络整形器对于所述第一切片图像进行空间差分整形处理，得到第一新切片图像，经过空间差分整形处理后，第一新切片图像的等效压窄激光脉宽为第一切片图像激光脉宽的一半，从 而有效地实现了切片图像空间能量包络整形；

所述新切片图像表示为：

I_new＝I-S (6)

式(6)中，I_new表示新切片图像，I表示用于三维重建的未整形的原始切片图像，S表示空间能量包络整形器。

具有梯形空间能量包络的切片图像经过空间差分整形处理后生成的新切片图像仍具有梯形空间能量包络的特征，如图4(a)所示，图4(a)中，3是用于三维重建的未整形的切片图像的空间能量包络，4和5分别是头信号整形器和尾信号整形器的空间能量包络，二者共同组成了3的空间能量包络整形器，6是切片图像经空间能量包络整形器空间差分整形后新切片图像的空间能量包络。

具有梯形空间能量包络的切片图像经过空间差分整形处理后生成的新切片图像具有以下特征：

$t_{g,\mathrm{new}}=t_L=\frac{2}{3}{t}_g---\left(7\right)$

$t_{L,\mathrm{new}}=\frac{1}{2}{t}_L---\left(8\right)$

τ_new＝τ (9)

式(7)、(8)和(9)中，t_g,new、t_L,new和τ_new分别是新切片图像对应的等效选通门宽、等效激光脉宽和等效选通延时。显然，经整形后的新切片图像的等效激光脉宽为整形前切片图像对应的激光脉宽的一半，从而等效地实现了压窄激光脉宽的效果。

具有三角形空间能量包络的切片图像经过空间差分整形处理后生成的新切片图像仍具有三角形空间能量包络的特征，如图4(b)所示，图4(b)中，3是用于三维重建的未整形的切片图像的空间能量包络，4和5分别是头信号整形器和尾信号整形器的空间能量包络，二者共同组成了3的空间能量包络整形器，6是切片图像经空间能量包络整形器空间差分整形后新切片图像的空间能量包络。

具有三角形空间能量包络的切片图像经过空间差分整形处理后生成的新切片图像具有以下特征：

$t_{g,\mathrm{new}}=\frac{1}{2}{t}_L=\frac{1}{2}{t}_g---\left(10\right)$

$t_{L,\mathrm{new}}=\frac{1}{2}{t}_L---\left(11\right)$

τ_new＝τ (12)

式(10)、(11)和(12)中，t_g,new、t_L,new和τ_new分别是新切片图像对应的等效选通门宽、等效激光脉宽和等效选通延时。显然，经整形后的新切片图像的等效激光脉宽为整形前切片图像对应的激光脉宽的一半，从而等效地实现了压窄激光脉宽的效果。

由上可见，由于新切片图像保留了三角形或梯形的空间能量包络特征，因此，只需满足距离选通超分辨率三维成像反演算法所要求的空间交叠关系，便可利用新切片图像进行距离选通超分辨率三维重建。

步骤4，根据所述步骤1-3，利用选通延时步进处理得到空间交叠的两幅新切片图像，基于所述新切片图像进行距离选通超分辨率三维重建，实现三维成像，最终实现压窄激光脉宽，提高距离分辨率的目的。

所述步骤4进一步包括以下步骤：

步骤41，获取与所述第一切片图像空间相邻的第二切片图像，所述第二切片图像的激光脉宽和选通门宽的设置不变，其选通延时步进步长为所述第一切片图像的激光脉宽的一半；

其中，为了满足相邻新切片图像间的空间交叠关系，相邻新切片图像间的选通延时步进步长大小为t_L/2，整形前的切片图像的选通延时与新切片图像一致。

步骤42，与所述步骤2相似，构建与所述第二切片图像空间交叠的第二空间能量包络整形器；

步骤43，与所述步骤3相似，使用所述第二空间能量包络整形器对于所述第二切片图像进行空间差分整形处理，得到第二新切片图像，所述第二新切片图像与所述第一新切片图像空间交叠；

步骤44，利用所述第一新切片图像和第二新切片图像进行距离选通超分辨率三维重建，实现三维成像。

由于新切片图像的等效激光脉宽为整形前切片图像激光脉宽的一半，因此，在利用新切片图像进行超分辨率三维重建时，三维图像的距离分辨率在理论上提高一倍，从而实现了提高距离分辨率的目的。

对于上文描述的基于空间差分整形的距离选通超分辨率三维成像方法，本发明进行了理论仿真验证。图5是利用本发明方法对于具有梯形空间能量包络的切片图像进行整形的仿真实验结果。图5(a)中，切片图像3对应的选通延时是510ns，激光脉宽是60ns，选通门宽是90ns，头信号整形器4对应的选通延时是420ns，尾信号整形器5对应的选通延时是600ns，头、尾信号整形器的选通延时和激光脉宽与切片图像一致，分别为60ns和90ns，切片图像与空间能量包络整形器进行空间差分整形后生成新切片图像4，其等效选通延时为510ns，等效激光脉宽为30ns，等效选通门宽为60ns；图5(b)中，切片图像对应的选通延时是540ns，激光脉宽和选通门宽分别是60ns和90ns，头、尾信号整形器对应的选通延时分别为450ns和630ns，切片图像与空间能量包络整形器进行空间差分整形后生成新切片图像4，其等效选通延时为540ns，等效激光脉宽为30ns，等效选通门宽为60ns。图5(a)和图5(b)中的新切片图像满足超分辨率三维成像所要求的空间交叠关系，如图5(c)所示，等效选通延时为510ns的新切片图像的体信号和尾信号分别与等效选通延时为540ns的新切片图像的头信号和体信号空间交叠。图6是利用本发明方法对于具有三角形空间能量包络的切片图像进行整形的仿真实验结果。图6(a)中，切片图像3对应的选通延时是480ns，激光脉宽是60ns，选通门宽是60ns，头信号整形器4对应的选通延时是420ns，尾信号整形器5对应的选通延时是540ns，头、尾信号整形器的选通延时和激光脉宽与切片图像一致，均为60ns，切片图像与空间能量包络整形器进行空间差分整形后生成新切片图像4，其等效选通延时为480ns，等效激光脉宽和等效选通门宽均为30ns；图6(b)中，切片图像对应的选通延时是510ns，激光脉宽和选通门宽均为60ns，头、尾信号整形器对应的选通延时分别为450ns和570ns，切片图像与空间能量包络整形器进行空间差分整形后生成新切片图像4，其等效选通延时为510ns，等效激光脉宽和等效选通门宽均为30ns。图6(a)和图6(b)中的新切片图像满足超分辨率三维成像所要求的空间交叠关系，如图6(c)所示，等效选通延时为480ns的新切片图像的尾信号与等效选通延时为510ns的新切片图像的头信号空间交叠。从图5和图6的仿真实验结果中可发现，利用本发明的方法可实现压窄激光脉宽的效果， 进而可利用新切片进行距离选通超分辨率三维重建，实现提高距离分辨率的目的。图5和图6的仿真实验表明了本发明方法的有效性。

为了举例说明本发明的实现，描述了上述具体实施例，但本发明的其他变化和修改，对本领域技术人员是显而易见的，本发明并不限于所描述的具体实施方式。因此，在本发明所公开的内容的真正实质和基本原则范围内的任何/所有修改、变化或等效变换，都属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (9)

1.一种基于空间差分整形的距离选通超分辨率三维成像方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，获取用于三维重建的第一切片图像；

步骤2，构建与所述第一切片图像空间交叠的第一空间能量包络整形器；

步骤3，使用所述第一空间能量包络整形器对于所述第一切片图像进行空间差分整形处理，得到第一新切片图像；

步骤4，根据所述步骤1-3，利用选通延时步进处理得到空间交叠的两幅新切片图像，基于所述新切片图像进行距离选通超分辨率三维重建；其中，经空间差分整形后生成的新切片图像具有等效于激光脉宽压窄为原激光脉宽一半时的空间能量包络；

其中，所述步骤4进一步包括以下步骤：

步骤41，获取与所述第一切片图像空间相邻的第二切片图像；

步骤42，构建与所述第二切片图像空间交叠的第二空间能量包络整形器；

步骤43，使用所述第二空间能量包络整形器对于所述第二切片图像进行空间差分整形处理，得到第二新切片图像；

步骤44，利用所述第一新切片图像和第二新切片图像进行距离选通超分辨率三维重建。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1具体为通过设置切片图像的时域参数来获取切片图像。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述切片图像具有梯形或三角形空间能量包络特征，所述新切片图像具有相应的梯形或三角形空间能量包络特征。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，根据所述切片图像时域参数设置空间能量包络整形器的时域参数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空间能量包络整形器包括头信号整形器和尾信号整形器。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述头信号整形器和尾信号整形器对应的选通延时分别为：

τ_head＝τ-t_g，

τ_tail＝τ+t_g，

其中，τ_head表示头信号整形器的选通延时，τ_tail表示尾信号整形器的选通延时，τ表示所述切片图像的选通延时，t_g表示选通脉冲的选通门宽。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述新切片图像表示为：

I_new＝I-S，

其中，I_new表示新切片图像，I表示原始切片图像，S表示空间能量包络整形器。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一新切片图像的等效激光脉宽为所述第一切片图像对应激光脉宽的一半。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二切片图像的激光脉宽和选通门宽的设置与所述第一切片图像相同，其选通延时步进步长为所述第一切片图像的激光脉宽的一半。