CN111694015B - 基于激光雷达的二维扫描方法、系统、装置及介质 - Google Patents

基于激光雷达的二维扫描方法、系统、装置及介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于激光雷达的二维扫描方法、系统、装置及介质，方法包括：获取激光雷达的当前运动状态，以配置不同运动状态下深度数据的输出帧率；接着根据所述输出帧率，确定三角波驱动信号的频率；然后根据所述确定了频率的三角波驱动信号，通过激光雷达扫描模块对待扫描视场进行非重复扫描；最后将非重复的扫描结果进行叠加，生成完整的深度图像。本发明通过不重叠的扫描路径提升深度图像视场内点云的覆盖区域，能够获取视场内更高密度的深度信息，提高了激光雷达输出结果的质量，可广泛应用于图像处理技术领域。

Description

基于激光雷达的二维扫描方法、系统、装置及介质
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，尤其是基于激光雷达的二维扫描方法、系统、装置及介质。
背景技术
自动驾驶车辆在行驶过程中需要获取周围物体的位置信息。激光雷达一般是指发射激光光束探测目标的位置、速度等特征量的系统。激光雷达可用于分析向目标发射和接收从目标反射的激光光束，获得目标的相关信息。因此，激光雷达经常应用于汽车的自动驾驶系统，建筑物测绘等需要获取物体准确位置或者速度的场景。现有的激光雷达通过机械旋转实现激光扫描获取被测物体的深度图像。若采用线扫描的方式，则一般通过摆动式和旋转式的扫描镜实现，扫描路径固定。
现有的激光雷达通过固定的扫描路径获取被测物体的深度图像。扫描时间的累积，只能用于记录物体固定部位的深度信息变化，而不能用增加物体其余区域的深度信息。每次扫描一幅完整的深度图像，其中包含深度信息的点、线数量固定的，其占视场面积的比例也维持不变。传统的扫描方式无法灵活地增加深度图像视场内的点云覆盖区域。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供基于激光雷达的二维扫描方法、系统、装置及介质，以提高激光雷达输出结果的质量。
本发明的第一方面提供了一种基于激光雷达的二维扫描方法，包括：
获取激光雷达的当前运动状态，以配置不同运动状态下深度数据的输出帧率；
根据所述输出帧率，确定三角波驱动信号的频率；
根据所述确定了频率的三角波驱动信号，通过激光雷达扫描模块对待扫描视场进行非重复扫描；
将非重复的扫描结果进行叠加，生成完整的深度图像。
在一些实施例中，所述获取激光雷达的当前运动状态，以配置不同运动状态下深度数据的输出帧率，包括：
在车载环境下使用激光雷达时，获取车辆行驶速度；
根据所述车辆行驶速度确定深度数据的输出帧率。
在一些实施例中，所述根据所述确定了频率的三角波驱动信号，通过激光雷达扫描模块对待扫描视场进行非重复扫描，包括：
根据所述三角波驱动信号，通过激光雷达扫描模块沿第一方向对待扫描视场进行第一扫描；
根据所述三角波驱动信号，通过激光雷达扫描模块沿第二方向对所述待扫描视场进行第二扫描；
其中，所述第一方向包括水平方向或垂直方向中至少一种；所述第二方向与所述第一方向互为反方向。
在一些实施例中，所述根据所述确定了频率的三角波驱动信号，通过激光雷达扫描模块对待扫描视场进行非重复扫描，还包括：
根据不同的输出帧率，通过激光雷达扫描模块对待扫描视场进行若干次路径相互不重叠的扫描。
在一些实施例中，所述将非重复的扫描结果进行叠加，生成完整的深度图像，包括：
获取非重复的扫描结果的点云数据；
将所述点云数据中各个深度点进行叠加，生成完整的深度图像。
在一些实施例中，所述方法还包括：
当所述激光雷达的运动状态为高速运动状态时，减少所述激光雷达扫描模块的扫描次数；
当所述激光雷达的运动状态为低速运动状态时，增加所述激光雷达扫描模块的扫描次数；
当所述激光雷达的运动状态为静止状态时，所述二维扫描振镜的非重复扫描次数为预设上限值。
在一些实施例中，所述激光雷扫描模块的个数为单个或者多个；
所述激光雷达扫描模块包括MEMS振镜或检流计式振镜中至少之一。
根据本发明的第二方面，提供了一种基于激光雷达的二维扫描系统，包括：
运动状态获取模块，用于获取激光雷达的当前运动状态，以配置不同运动状态下深度数据的输出帧率；
三角波驱动信号控制模块，用于根据所述输出帧率，确定三角波驱动信号的频率；
扫描模块，用于根据所述确定了频率的三角波驱动信号，通过激光雷达扫描模块对待扫描视场进行非重复扫描；
深度图像叠加模块，用于将非重复的扫描结果进行叠加，生成完整的深度图像。
根据本发明的第三方面，提供了一种装置，包括处理器以及存储器；
所述存储器用于存储程序；
所述处理器用于根据所述程序执行如第一方面所述的方法。
根据本发明的第四方面，提供了一种存储介质，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行完成如第一方面所述的方法。
本发明的实施例首先获取激光雷达的当前运动状态，以配置不同运动状态下深度数据的输出帧率；接着根据所述输出帧率，确定三角波驱动信号的频率；然后根据所述确定了频率的三角波驱动信号，通过激光雷达扫描模块对待扫描视场进行非重复扫描；最后将非重复的扫描结果进行叠加，生成完整的深度图像；本发明通过不重叠的扫描路径提升深度图像视场内点云的覆盖区域，能够获取视场内更高密度的深度信息，提高了激光雷达输出结果的质量。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的整体步骤流程图；
图2为本发明实施例中第一扫描的扫描路径示意图；
图3为本发明实施例中第二扫描的扫描路径示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。对于本发明实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
本发明实施例提供了一种基于激光雷达的二维扫描方法，包括以下步骤：
S1、获取激光雷达的当前运动状态，以配置不同运动状态下深度数据的输出帧率；
在一些实施例中，步骤S1包括S11-S12：
S11、在车载环境下使用激光雷达时，获取车辆行驶速度；
S12、根据所述车辆行驶速度确定深度数据的输出帧率。
S2、根据所述输出帧率，确定三角波驱动信号的频率；
S3、根据所述确定了频率的三角波驱动信号，通过激光雷达扫描模块对待扫描视场进行非重复扫描；
在一些实施例中，步骤S3包括S31-S33：
S31、根据所述三角波驱动信号，通过激光雷达扫描模块沿第一方向对待扫描视场进行第一扫描；
S32、根据所述三角波驱动信号，通过激光雷达扫描模块沿第二方向对所述待扫描视场进行第二扫描；
S33、根据不同的输出帧率，通过激光雷达扫描模块对待扫描视场进行若干次路径相互不重叠的扫描。
其中，所述第一方向包括水平方向或垂直方向中至少一种；所述第二方向与所述第一方向互为反方向。
S4、将非重复的扫描结果进行叠加，生成完整的深度图像。
在一些实施例中，步骤S4包括S41-S42：
S41、获取非重复的扫描结果的点云数据；
S42、将所述点云数据中各个深度点进行叠加，生成完整的深度图像。
参见图1，下面以二维扫描振镜为例，详细描述本发明的方法步骤：
首先，根据激光雷达当前的运动状态设定深度数据的输出帧率；
其中，运动状态是指根据激光雷达处于高速或低速运动的状态，自动选择相应的深度图像输出帧率，所述运动状态可以由激光雷达根据加速度传感器的读数自动确定，也可由使用者手动设定。
本实施例中，具体运动速度与帧率的数值对应关系，根据实际硬件的不同有差异。当激光雷达高速运动时输出帧率相对较高，以保证对周围环境数据的实时捕捉；低速运动时帧率可以相对较低。
如：当激光雷达在车载的环境下使用时，车辆行驶在80km/h时，帧率在20fps。车辆行驶在40km/h时，帧率在5fps。
低速运动时，通过非重复的扫描可以提升每幅画面点云覆盖的面积。
其中，激光雷达扫描模块的输出帧率是每秒输出深度图像的帧数，所述深度图像帧由非重复的扫描叠加生成。
另外，本实施例根据所述运动状态当激光雷达在高速运动时，为保证输出帧率，每帧扫描次数相对减少；而在低速运动时，通过非重复的扫描路径可以增加每帧深度图像的点云数据的覆盖率，以获取更丰富的深度信息，实现不同使用情景下的输出帧率自适应。
接着，激光雷达的扫描控制模块根据不同的输出帧率，设定三角波驱动信号的频率；
具体地，以车载环境下使用的激光雷达为例，当激光雷达在车载的环境下使用时，车辆行驶在80km/h时，帧率在20fps。此时，每幅画面2次重复扫描。激光扫描模块的X轴的转动频率Fx为40Hz，Y轴的转动频率Fy为679Hz。
车辆行驶在40km/h时，帧率在5fps。此时，每幅画面6次重复扫描。激光扫描模块的X轴的转动频率Fx为30Hz，Y轴的转动频率Fy为509Hz。
需要说明的是，本实施例中举例的车辆行驶速度与输出帧率之间的对应关系，只是一个示例性说明，本领域的技术人员在实际应用中可以根据车速对输出帧率进行对应调整，本申请并不限定车速与输出帧率之间的具体数值对应关系。
再接着，X-Y二维扫描振镜在三角波信号的驱动下，如图2所示，本实施例沿水平和垂直方向快速转动，从视场的一端到另一端完成一次扫描(此过程即为第一扫描)；
以及，如图3所示，X-Y二维扫描振镜沿相反方向再次完整扫描整个视场，扫描路径与之前的路径相错开(此过程即为第二扫描)；
本实施例采用的三角波驱动信号，每次扫描的路径中扫描线之间相互平行，调整不同的非重复扫描次数时，只需设定X轴和Y轴的转动频率。
扫描过程中各个参数的计算公式如下：
Fy＝R×P，
Fx＝Lx×Fy+Fy–1(Fy为偶数)，
Fx＝Lx×Fy+Fy(Fy为奇数)，
其中，P为深度图像的输出帧率，R为每幅图像非重复扫描次数，Lx为输出深度图像的线数，Fx，Fy为X、Y轴的转动频率且为正整数。其中，P、R、Lx为输入量，Fx，Fy为输出量，可按上述计算公式设定X轴和Y轴的转动频率。
然后，根据不同的输出帧率，完成若干次路径相互不重叠的扫描。每次扫描后将结果上传至上位机。
在一些实施例中，激光雷达扫描模块可以是单个也可以是多个。当采用多个扫描模块时，可以同时进行非重复路径的扫描，增加扫描的次数。激光雷达扫描模块的扫描方式包括MEMS(微机电系统)振镜和检流计式振镜。
最后，上位机将每次扫描的结果进行叠加，并将叠加的结果作为一幅完整的深度图像输出；激光雷达扫描方式最终生成深度图像也可以由激光雷达内部的数据处理模块叠加给出。
激光雷达扫描模块所用的测距技术为飞行时间技术ToF(Time of Flight)；激光雷达扫描模块的工作介质包括固体、气体和半导体。
在一些实施例中，当需要的输出帧率最高时，激光雷达扫描的结果可不进行叠加。即在完成一次完整覆盖视场的扫描之后输出深度图像。此时，输出的图像也是完整的。
激光雷达扫描方式最终生成的深度图像中，每幅画面的非重复扫描次数存在上限。当所述激光雷达处于相对静止的状态中使用时，例如，对建筑物进行建模，每帧输出画面叠加的次数可达到这一上限。
本发明通过激光雷达扫描方式最终生成的深度图像中包含的扫描路线能满足非重复的特点且能均匀、完整覆盖所扫描的视场，也即叠加的扫描次数多少不会影响输出图像视场的完整性。
由于激光雷达生成的点云数据，具有无序性。即点云由一组包含点与点间相对位置的坐标(x,y,z)表示，一个(x,y,z)坐标在同一幅画面中代表一个确定位置的深度点，该点的位置不由获取数据的先后顺序和时间决定。叠加所指的是将多次扫描获得的深度点直接放入同一幅深度图像中。
本发明实施例还提供了一种基于激光雷达的二维扫描系统，包括：
运动状态获取模块，用于获取激光雷达的当前运动状态，以配置不同运动状态下深度数据的输出帧率；
三角波驱动信号控制模块，用于根据所述输出帧率，确定三角波驱动信号的频率；
扫描模块，用于根据所述确定了频率的三角波驱动信号，通过激光雷达扫描模块对待扫描视场进行非重复扫描；
深度图像叠加模块，用于将非重复的扫描结果进行叠加，生成完整的深度图像。
本发明实施例还提供了一种装置，包括处理器以及存储器；
所述存储器用于存储程序；
所述处理器用于根据所述程序执行本发明方法。
本发明实施例还提供了一种存储介质，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行完成本发明的方法。
综上所述，本发明通过不重叠的扫描路径提升深度图像视场内点云的覆盖区域。这种扫描方式能够随着时间的累积，覆盖视场内更多的区域，灵活增加扫描区域所占视场面积的比例，获取视场内更高密度的深度信息。本发明利用非重复的路径多次扫描同一视场内的物体，获得多张拥有相同点云数，但各深度点的位置均不重叠的深度图像。再利用点云数据的无序性将获取的图像进行叠加，得到一张细节更丰富的深度图。
在实际实施过程中当需要提供更高的数据帧率时，可以根据情况适当减少叠加的次数以提升帧率。同时，由于每次扫描均完整覆盖整个视场，减少叠加扫描的次数不会影响输出画面的完整性。这样可以灵活利用扫描时间的累积提高输出深度图像的分辨率，在此即每幅图案中不重复的点云数据占视场面积的比例，为后续的点云处理提供更多有用的信息。
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.基于激光雷达的二维扫描方法，其特征在于，包括：
获取激光雷达的当前运动状态，以配置不同运动状态下深度数据的输出帧率；
根据所述输出帧率，确定三角波驱动信号的频率；
根据确定了频率的三角波驱动信号，通过激光雷达扫描模块对待扫描视场进行非重复扫描；
将非重复的扫描结果进行叠加，生成完整的深度图像；
其中，所述根据确定了频率的三角波驱动信号，通过激光雷达扫描模块对待扫描视场进行非重复扫描，包括：
根据所述三角波驱动信号，通过激光雷达扫描模块沿第一方向对待扫描视场进行第一扫描；
根据所述三角波驱动信号，通过激光雷达扫描模块沿第二方向对所述待扫描视场进行第二扫描；
其中，所述第一方向包括水平方向或垂直方向中至少一种；所述第二方向与所述第一方向互为反方向；
当所述激光雷达的运动状态为高速运动状态时，减少所述激光雷达扫描模块的扫描次数；
当所述激光雷达的运动状态为低速运动状态时，增加所述激光雷达扫描模块的扫描次数；
当所述激光雷达的运动状态为静止状态时，所述二维扫描振镜的非重复扫描次数为预设上限值。
2.根据权利要求1所述的基于激光雷达的二维扫描方法，其特征在于，所述获取激光雷达的当前运动状态，以配置不同运动状态下深度数据的输出帧率，包括：
在车载环境下使用激光雷达时，获取车辆行驶速度；
根据所述车辆行驶速度确定深度数据的输出帧率。
3.根据权利要求1所述的基于激光雷达的二维扫描方法，其特征在于，所述根据所述确定了频率的三角波驱动信号，通过激光雷达扫描模块对待扫描视场进行非重复扫描，还包括：
根据不同的输出帧率，通过激光雷达扫描模块对待扫描视场进行若干次路径相互不重叠的扫描。
4.根据权利要求1所述的基于激光雷达的二维扫描方法，其特征在于，所述将非重复的扫描结果进行叠加，生成完整的深度图像，包括：
获取非重复的扫描结果的点云数据；
将所述点云数据中各个深度点进行叠加，生成完整的深度图像。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于激光雷达的二维扫描方法，其特征在于，
所述激光雷达扫描模块的个数为单个或者多个；
所述激光雷达扫描模块包括MEMS振镜或检流计式振镜中至少之一。
6.基于激光雷达的二维扫描系统，其特征在于，包括：
运动状态获取模块，用于获取激光雷达的当前运动状态，以配置不同运动状态下深度数据的输出帧率；
三角波驱动信号控制模块，用于根据所述输出帧率，确定三角波驱动信号的频率；
扫描模块，用于根据确定了频率的三角波驱动信号，通过激光雷达扫描模块对待扫描视场进行非重复扫描；
深度图像叠加模块，用于将非重复的扫描结果进行叠加，生成完整的深度图像；
其中，所述根据确定了频率的三角波驱动信号，通过激光雷达扫描模块对待扫描视场进行非重复扫描，包括：
根据所述三角波驱动信号，通过激光雷达扫描模块沿第一方向对待扫描视场进行第一扫描；
根据所述三角波驱动信号，通过激光雷达扫描模块沿第二方向对所述待扫描视场进行第二扫描；
其中，所述第一方向包括水平方向或垂直方向中至少一种；所述第二方向与所述第一方向互为反方向；
当所述激光雷达的运动状态为高速运动状态时，减少所述激光雷达扫描模块的扫描次数；
当所述激光雷达的运动状态为低速运动状态时，增加所述激光雷达扫描模块的扫描次数；
当所述激光雷达的运动状态为静止状态时，所述二维扫描振镜的非重复扫描次数为预设上限值。
7.一种基于激光雷达的二维扫描装置，其特征在于，包括处理器以及存储器；
所述存储器用于存储程序；
所述处理器用于根据所述程序执行如权利要求1-5中任一项所述的方法。
8.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行完成如权利要求1-5中任一项所述的方法。
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