CN108287336B - 一种面阵盖革apd激光雷达距离像强度像生成系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面阵盖革APD激光雷达距离像强度像生成系统，包括：读写控制模块，用于对连续N帧单脉冲探测值进行读写操作，输出连续N帧相同位置的单脉冲探测值；传输控制模块，用于控制连续N帧相同位置的单脉冲探测值输入稀疏的脉冲值直方图和包络直方图统计模块；脉冲值直方图和包络直方图统计模块，用于对连续N帧相同位置的单脉冲探测值进行统计，得到脉冲值直方图和包络直方图；自适应峰值判别的峰值检测模块，用于根据稀疏的脉冲值直方图和包络直方图，进行峰值判别，得到距离像和强度像；多特征融合的阈值分割模块，用于对激光的距离像和强度像进行阈值分割，得到目标距离像和目标强度像。本发明数据通过率高、资源消耗低。
Description
技术领域
本发明属于激光雷达和数字电路设计技术领域，更具体地，涉及一种面阵盖革APD激光雷达距离像强度像生成系统。
背景技术
面阵盖革模式APD激光雷达三维成像系统具有灵敏度高、作用距离远、成像速度快、易于系统小型化的特点，适用于实时性要求高的系统，是非扫描激光主动成像方案的热点发展方向之一。
对于单光子触发的激光雷达得到的激光数据，目前普遍使用多脉冲累积的方式，采用峰值判别法得到距离值，生成激光距离像与强度像。算法如果采用软件实现，需要累积多帧并逐像素的统计直方图进而生成距离像和强度像，计算量较大，对微处理器造成较大的运算负荷，难以满足系统实时性的要求。频繁的读写切换和随机访问将会降低存储器的带宽利用率，导致外部存储器访问的带宽瓶颈，进而制约片上电路计算能力的提高。激光雷达成像算法如果采用传统的直方图统计方式，将会因为密集性造成存储资源需求的急剧增加，同时因为直方图的稀疏性使存储器的大部分空间未被利用，造成存储资源的浪费。因此激光雷达距离像强度像生成算法的硬件实现，需要解决算法中直方图密集性和稀疏性带来的资源需求膨胀和资源利用率低的问题。用多脉冲累积方法生成的激光距离像与强度像增强了目标，但是仍然有大量背景噪声点的干扰。
由此可见，现有技术存在存储器的带宽利用率低、存储资源的浪费、大量背景噪声点的干扰的技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种面阵盖革APD激光雷达距离像强度像生成系统，由此解决现有技术存在存储器的带宽利用率低、存储资源的浪费、大量背景噪声点的干扰的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种面阵盖革APD激光雷达距离像强度像生成系统，包括：
读写控制模块，用于对连续N帧单脉冲探测值进行读写操作，输出连续N帧相同位置的单脉冲探测值；
传输控制模块，用于控制连续N帧相同位置的单脉冲探测值输入稀疏的脉冲值直方图和包络直方图统计模块；
脉冲值直方图和包络直方图统计模块，用于对连续N帧相同位置的单脉冲探测值进行统计，得到脉冲值直方图和包络直方图；
自适应峰值判别的峰值检测模块，用于根据稀疏的脉冲值直方图和包络直方图，进行峰值判别，得到距离像和强度像；
多特征融合的阈值分割模块，用于对激光的距离像和强度像进行阈值分割，得到目标距离像和目标强度像。
进一步地，读写控制模块包括：异步FIFO、合并FIFO和DDR存储器读写控制模块，
所述异步FIFO，用于对连续N帧单脉冲探测值进行跨时钟域的处理，得到异步FIFO处理数据；
所述合并FIFO，用于对异步FIFO处理数据进行位宽合并和图像缓存，得到合并FIFO的水位信号和位宽合并后的图像数据；
所述DDR存储器读写控制模块，用于根据合并FIFO的水位信号对位宽合并后的图像数据进行写入操作，利用层次化状态机进行带宽优化的读写操作，输出连续N帧相同位置的单脉冲探测值。
进一步地，层次化状态机包括DDR读写控制顶层状态机、DDR读写控制写入状态机和DDR读写控制读出状态机。
进一步地，读写控制模块与传输控制模块之间通过乒乓缓存模块连接，所述乒乓缓存模块，用于缓存连续N帧相同位置的单脉冲探测值。
进一步地，脉冲值直方图和包络直方图统计模块包括脉冲值直方图子模块和包络直方图子模块，
所述脉冲值直方图子模块，用于统计输入的连续N帧相同位置的单脉冲探测值的灰度直方图，得到脉冲值直方图；
所述包络直方图子模块，用于将灰度直方图中各回波时间计数值包络为E的范围内光子累计数相加，得到包络直方图。
进一步地，自适应峰值判别的峰值检测模块包括峰值判别子模块、单峰值子模块和多峰值子模块，
所述峰值判别子模块，用于根据脉冲值直方图进行峰值判别，若为单峰值，执行单峰值子模块，若为多峰值，执行多峰值子模块；
所述单峰值子模块，用于将峰值作为距离像对应位置的灰度值，峰值位置包络为E的范围内的光子累计数作为强度像的灰度值；
所述多峰值子模块，用于对包络直方图进行峰值判别操作，得到峰值位置的回波时间计数值作为距离像的灰度值，峰值位置包络为E的范围内的光子累计数作为强度像的灰度值。
进一步地，距离像为一帧距离像，所述强度像为一帧强度像。
进一步地，多特征融合的阈值分割模块包括局部距离相似度求解子模块、局部强度求和子模块和分割模块，
所述局部距离相似度求解子模块，用于将一帧距离像中当前像素和左右邻域像素之间的距离像差值之和作为局部距离相似度；
所述局部强度求和子模块，用于将一帧强度像中当前像素和左右邻域像素的强度像之和作为局部强度和；
所述分割模块，用于将局部距离相似度与局部强度和，分别经过第一阈值和第二阈值分割后相与，得到融合后的阈值分割结果，阈值分割结果为1，则保留当前像素的距离像和强度像；阈值分割结果为0，则当前像素是噪声点，将最大探测值对应的灰度值作为当前像素距离像的灰度值，0作为当前像素强度像的灰度值，进而得到目标距离像和目标强度像。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明的外部DDR存储器读写控制模块可以将读写操作分开、具有写入随机访问和读出连续访问的功能，在输入探测值速率较慢的情况下，牺牲存储器写入状态的带宽利用率换取读出状态带宽利用率的提高，从而减少了数据输入到输出的总延时，提高了数据通过率；利用脉冲直方图和包络直方图统计模块，大大减少了存储资源开销，实现了高效的脉冲直方图统计和包络直方图统计；自适应峰值判别的峰值检测模块，充分利用包络直方图的信息，实现对多峰值情况的自适应判别，仅以提高了距离像和强度像的信噪比；多特征融合的阈值分割模块，利用距离像局部邻域的相似性和强度像局部邻域强度和两个特征融合进行阈值分割，有效的抑制了背景噪声的干扰，实现增强目标的效果。本发明系统具有高数据通过率和低资源消耗的优点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的系统的使用方法流程图；
图2为本发明实施例提供的系统的整体框图；
图3为本发明实施例提供的DDR3虚拟地址空间写入示意图；
图4为本发明实施例提供的DDR3读写控制状态机；
图5为本发明实施例提供的DDR3写入控制状态机；
图6为本发明实施例提供的DDR3读出控制状态机；
图7为本发明实施例提供的传输控制状态机；
图8为本发明实施例提供的稀疏的脉冲直方图和包络直方图统计模块框图；
图9为本发明实施例提供的自适应峰值判别的峰值检测模块框图；
图10为本发明实施例提供的多特征融合的阈值分割模块框图；
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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，是本发明实施例提供的系统的使用方法流程图，连续帧的单脉冲距离像经过多脉冲累积和自适应的峰值判别，生成多脉冲的激光距离像和强度像，之后经过多特征融合的阈值分割操作，生成去噪后的激光距离像和强度像。
如图2所示，本发明提供了一种面阵盖革APD激光雷达距离像强度像生成系统，包括：
读写控制模块，用于对连续N帧单脉冲探测值进行读写操作，输出连续N帧相同位置的单脉冲探测值；
传输控制模块，用于控制连续N帧相同位置的单脉冲探测值输入稀疏的脉冲值直方图和包络直方图统计模块；
脉冲值直方图和包络直方图统计模块，用于对连续N帧相同位置的单脉冲探测值进行统计，得到脉冲值直方图和包络直方图；
自适应峰值判别的峰值检测模块，用于根据稀疏的脉冲值直方图和包络直方图，进行峰值判别，得到距离像和强度像；
多特征融合的阈值分割模块，用于对激光的距离像和强度像进行阈值分割，得到目标距离像和目标强度像。
本发明实施例优选地，读写控制模块包括：异步FIFO、合并FIFO和DDR存储器读写控制模块，
所述异步FIFO，用于对连续N帧单脉冲探测值进行跨时钟域的处理，得到异步FIFO处理数据；
所述合并FIFO，用于对异步FIFO处理数据进行位宽合并和图像缓存，得到合并FIFO的水位信号和位宽合并后的图像数据；
所述DDR存储器读写控制模块，用于根据合并FIFO的水位信号对位宽合并后的图像数据进行写入操作，利用层次化状态机进行带宽优化的读写操作，输出连续N帧相同位置的单脉冲探测值。
本发明实施例优选地，层次化状态机包括DDR读写控制顶层状态机、DDR读写控制写入状态机和DDR读写控制读出状态机。
本发明实施例优选地，读写控制模块与传输控制模块之间通过乒乓缓存模块连接，所述乒乓缓存模块，用于缓存连续N帧相同位置的单脉冲探测值。
本发明实施例优选地，脉冲值直方图和包络直方图统计模块包括脉冲值直方图子模块和包络直方图子模块，
所述脉冲值直方图子模块，用于统计输入的连续N帧相同位置的单脉冲探测值的灰度直方图，得到脉冲值直方图；
所述包络直方图子模块，用于将灰度直方图中各回波时间计数值包络为E的范围内光子累计数相加，得到包络直方图。
本发明实施例优选地，自适应峰值判别的峰值检测模块包括峰值判别子模块、单峰值子模块和多峰值子模块，
所述峰值判别子模块，用于根据脉冲值直方图进行峰值判别，若为单峰值，执行单峰值子模块，若为多峰值，执行多峰值子模块；
所述单峰值子模块，用于将峰值作为距离像对应位置的灰度值，峰值位置包络为E的范围内的光子累计数作为强度像的灰度值；
所述多峰值子模块，用于对包络直方图进行峰值判别操作，得到峰值位置的回波时间计数值作为距离像的灰度值，峰值位置包络为E的范围内的光子累计数作为强度像的灰度值。
本发明实施例优选地，距离像为一帧距离像，所述强度像为一帧强度像。
本发明实施例优选地，多特征融合的阈值分割模块包括局部距离相似度求解子模块、局部强度求和子模块和分割模块，
所述局部距离相似度求解子模块，用于将一帧距离像中当前像素和左右邻域像素之间的距离像差值之和作为局部距离相似度；
所述局部强度求和子模块，用于将一帧强度像中当前像素和左右邻域像素的强度像之和作为局部强度和；
所述分割模块，用于将局部距离相似度与局部强度和，分别经过第一阈值和第二阈值分割后相与，得到融合后的阈值分割结果，阈值分割结果为1，则保留当前像素的距离像和强度像；阈值分割结果为0，则当前像素是噪声点，将最大探测值对应的灰度值作为当前像素距离像的灰度值，0作为当前像素强度像的灰度值，进而得到目标距离像和目标强度像。
本发明实施例以累计连续帧数N＝40，包络值E＝±6，单帧的空间分辨率64*64，片外DDR存储器为DDR3存储器为例，所举例DDR3存储器的位宽是16比特，突发访问长度x＝8，因此DDR3读写访问的数据位宽为128比特。本实例可实现连续40帧及40帧以下脉冲累积的可配置性。下面结合图2的系统整体框图，对本发明具体步骤做进一步详细说明。
如图2所示，是本发明的系统整体框图，框图中模块标号为M1、M2、M3、M4和M5的五个模块是本发明的主要发明点，下面按照数据流向分别对系统这五个模块的实施细节展开介绍：
M1模块完成输入数据的高效缓存和访问，具体实施如下：
激光雷达探测器按照从上到下、从左到右的顺序逐像素的输入单脉冲探测结果到异步FIFO，实现跨时钟域的处理；之后像素流进入合并FIFO完成位宽合并和图像缓存的操作；合并FIFO的水位信号指示DDR3存储器读写控制模块开始写入操作；输入的相邻8个探测值的合并值，经如图4和图5所示的DDR3读写控制顶层状态机和写入状态机控制，按照如图3所示的DDR3虚拟地址空间写入示意图的地址安排，依次写入连续的40帧探测值到片外DDR3存储器中；在如图4和图6所示的DDR3读写控制顶层状态机和读出状态机控制下，连续地址以8个探测值为一组，依次读出40帧的8个相同位置的探测值，输出给后续乒乓缓存RAM1或RAM2做数据暂存；
对图4中DDR3读写控制状态机的信号描述如下：
ret_n是状态机复位信号；
int_done是标识DDR3存储器初始化完成的电平信号；
rd_done是读操作完成后生成的单周期信号；
wr_done是写操作完成后生成的单周期信号。
对图5中DDR3写入控制状态机的信号描述如下：
ret_n是状态机复位信号；
int_done_p是DDR3存储器初始化完成后生成的单周期信号；
FIFO_lev是合并FIFO的水位信号；
cnt1_done\cnt2_done\cnt3_done均为计数器生成的计数完成信号；
rd_done与图4状态机中rd_done为同一信号。
对图6中DDR3读出控制状态机的描述如下：
ret_n是状态机复位信号；
cnt4_done\cnt5_done均为计数器生成的计数完成信号；
S_T1与图7状态机中S_T1为同一信号；
wr_done与图4状态机中wr_done为同一信号。
M2模块完成连续帧相同位置探测值传输控制，具体实施如下：
DDR3储器读写控制模块的输出通过乒乓缓存的方式，满足系统对数据连续性的要求；传输控制模块将从乒乓缓存RAM1或RAM2中读取的连续40帧相同位置的单脉冲探测值，在如图7所示的传输控制状态机控制下依次送入稀疏的脉冲值直方图和包络直方图统计模块；
对图7中传输控制状态机的描述如下：
ret_n是状态机复位信号；
cnt8_done\cnt40_done\cntz_done均为计数器生成的计数完成信号；
S_R3与图6状态机中S_R3为同一信号。
M3模块完成高效的脉冲值直方图和包络直方图统计，具体实施如下：
如图8所示，输入的连续帧相同位置的单脉冲探测值，依次经过40级流水的标志位判断电路、脉冲值赋值电路和脉冲值包络值比较，经一定电路延时后，由脉冲值寄存器组和脉冲值包络值计数器组生成脉冲值直方图和包络直方图供后续模块处理；
M4模块完成自适应峰值判别的峰值检测任务，具体实施如下：
如图9所示，将上一步获取的脉冲直方图送入脉冲计数值对比模块、单一峰值和多峰值自适应检测模块，将包络直方图送入多峰值自适应检测模块；脉冲计数值对比模块输出多路选择器MUX1控制信号，选择将脉冲值直方图单一峰值检测结果或者多峰值检测结果输入距离像FIFO，同时多路选择器MUX1的输出作为多路选择器MUX2的控制信号，控制包络直方图相应计数值输入强度像FIFO；
M5模块完成多特征融合的阈值分割任务，具体实施如下：
如图10所示，距离像FIFO和强度像FIFO输出分别进入局部距离相似度求解模块和局部强度求和模块求解，两个模块的输出经过第一阈值1和第二阈值2的分割相与产生多路选择器MUX3和MUX4的控制信号；多路选择器MUX3和MUX4选择相应值输出给分割后距离像FIFO和分割后强度像FIFO。
本发明高效的实现了激光雷达多脉冲累积生成距离像和强度像的功能，在占用有限的存储资源和逻辑资源的情况下，具有较高的数据通过率。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种面阵盖革APD激光雷达距离像强度像生成系统，其特征在于，包括：
读写控制模块，用于对连续N帧单脉冲探测值进行读写操作，输出连续N帧相同位置的单脉冲探测值；
传输控制模块，用于控制连续N帧相同位置的单脉冲探测值输入稀疏的脉冲值直方图和包络直方图统计模块；
脉冲值直方图和包络直方图统计模块，用于对连续N帧相同位置的单脉冲探测值进行统计，得到脉冲值直方图和包络直方图；
自适应峰值判别的峰值检测模块，用于根据稀疏的脉冲值直方图和包络直方图，进行峰值判别，得到距离像和强度像；
多特征融合的阈值分割模块，用于对激光的距离像和强度像进行阈值分割，得到目标距离像和目标强度像；
所述脉冲值直方图和包络直方图统计模块包括脉冲值直方图子模块和包络直方图子模块，
所述脉冲值直方图子模块，用于统计输入的连续N帧相同位置的单脉冲探测值的灰度直方图，得到脉冲值直方图；
所述包络直方图子模块，用于将灰度直方图中各回波时间计数值包络为E的范围内光子累计数相加，得到包络直方图。
2.如权利要求1所述的一种面阵盖革APD激光雷达距离像强度像生成系统，其特征在于，所述读写控制模块包括：异步FIFO、合并FIFO和DDR存储器读写控制模块，
所述异步FIFO，用于对连续N帧单脉冲探测值进行跨时钟域的处理，得到异步FIFO处理数据；
所述合并FIFO，用于对异步FIFO处理数据进行位宽合并和图像缓存，得到合并FIFO的水位信号和位宽合并后的图像数据；
所述DDR存储器读写控制模块，用于根据合并FIFO的水位信号对位宽合并后的图像数据进行写入操作，利用层次化状态机进行带宽优化的读写操作，输出连续N帧相同位置的单脉冲探测值。
3.如权利要求2所述的一种面阵盖革APD激光雷达距离像强度像生成系统，其特征在于，所述层次化状态机包括DDR读写控制顶层状态机、DDR读写控制写入状态机和DDR读写控制读出状态机。
4.如权利要求1或2所述的一种面阵盖革APD激光雷达距离像强度像生成系统，其特征在于，所述读写控制模块与传输控制模块之间通过乒乓缓存模块连接，所述乒乓缓存模块，用于缓存连续N帧相同位置的单脉冲探测值。
5.如权利要求1或2所述的一种面阵盖革APD激光雷达距离像强度像生成系统，其特征在于，所述自适应峰值判别的峰值检测模块包括峰值判别子模块、单峰值子模块和多峰值子模块，
所述峰值判别子模块，用于根据脉冲值直方图进行峰值判别，若为单峰值，执行单峰值子模块，若为多峰值，执行多峰值子模块；
所述单峰值子模块，用于将峰值作为距离像对应位置的灰度值，峰值位置包络为E的范围内的光子累计数作为强度像的灰度值；
所述多峰值子模块，用于对包络直方图进行峰值判别操作，得到峰值位置的回波时间计数值作为距离像的灰度值，峰值位置包络为E的范围内的光子累计数作为强度像的灰度值。
6.如权利要求5所述的一种面阵盖革APD激光雷达距离像强度像生成系统，其特征在于，所述距离像为一帧距离像，所述强度像为一帧强度像。
7.如权利要求6所述的一种面阵盖革APD激光雷达距离像强度像生成系统，其特征在于，所述多特征融合的阈值分割模块包括局部距离相似度求解子模块、局部强度求和子模块和分割模块，
所述局部距离相似度求解子模块，用于将一帧距离像中当前像素和左右邻域像素之间的距离像差值之和作为局部距离相似度；
所述局部强度求和子模块，用于将一帧强度像中当前像素和左右邻域像素的强度像之和作为局部强度和；
所述分割模块，用于将局部距离相似度与局部强度和，分别经过第一阈值和第二阈值分割后相与，得到融合后的阈值分割结果，阈值分割结果为1，则保留当前像素的距离像和强度像；阈值分割结果为0，则当前像素是噪声点，将最大探测值对应的灰度值作为当前像素距离像的灰度值，0作为当前像素强度像的灰度值，进而得到目标距离像和目标强度像。
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