CN117784156A - 直方图噪声抑制寻峰测距实现方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本申请提出了直方图噪声抑制寻峰测距实现方法及其应用，包括以下步骤S00、获取直方图数据，并将该数据存储于寄存器中；其中，每个数据分别对应一个时间bin，以X(i)表示第i个bin中的数据，bin表示一个TDC时间分辨率；S10、将相邻两个bin中的X(i)数据相减得到Y(i)；其中，Y(i)=X(i+1)‑X(i)，X(i)共n个数据对应n个bin，Y(i)共n‑1个数据；S20、搜索Y(i)数据中结果为正且值最大的Y对应bin的位置i，得到目标位置t=i+1。本申请可解决噪声过高原始直方图直接寻峰方案无法定位目标位置的问题。
Description
技术领域
本申请涉及TOF技术领域，特别是一种涉及直方图噪声抑制寻峰测距实现方法及其应用。
背景技术
光雷达测距在TOF技术中，使用高精度电子秒表TDC测量激光飞行时间，从发射激光脉冲开始，到传感器接收到光子停止，在一个计时周期内TDC只能被触发停止一次，这种情况下TDC在一个测量周期通常用于记录第一个一次SPAD的触发事件的时间。
在传统的首光子触发计时测距方案中，常采用多次重复测量的方式，统计收到的时间信息，生成直方图，将出现最多的时间点作为实际目标距离对应的激光飞行时间，并由此反演出目标距离。又由于到达时间越早的光子越容易触发SPAD，并被记录为该周期的首个光子事件，在测量周期内全程存在的环境光噪声可能优先于信号被传感器接收，所以在噪声较大的情况下，能记录到的有效信号越少，检测目标位置越困难。
因此，亟待直方图噪声抑制寻峰测距实现方法及其应用，以解决现有技术存在的问题。
发明内容
本申请实施例提供了直方图噪声抑制寻峰测距实现方法及其应用，针对目前技术存在的在强噪声情况下，系统优先检测到噪声，使得直方图前部噪声事件数堆积而有效信号减少造成无法定位目标位置的问题。
本发明核心技术主要是通过简单的电路，除去直方图中的噪声，并将目标信号凸显出来，解决噪声过高原始直方图直接寻峰方案无法定位目标位置的问题。
第一方面，本申请提供了直方图噪声抑制寻峰测距实现方法，所述方法包括以下步骤：
S00、获取直方图数据，并将该数据存储于寄存器中；
其中，每个数据分别对应一个时间bin，以X(i)表示第i个bin中的数据，bin表示一个TDC时间分辨率；
S10、将相邻两个bin中的X(i)数据相减得到Y(i)；
其中，Y(i)=X(i+1)-X(i)，X(i)共n个数据对应n个bin，Y(i)共n-1个数据；
S20、搜索Y(i)数据中结果为正且值最大的Y对应bin的位置i，得到目标位置t=i+1。
进一步地，还包括步骤S30、通过对Y(i)数据增加滑动平均窗对直方图相邻bin相减结果做低通滤波。
进一步地，S30的具体步骤如下：
S31、选择窗宽为k，得到Z(i)=Y(i)+Y(i+1)+...+Y(i+k-1)；
其中，Z(i)共有n-k个数据；
S32、搜索Z(i)数据中结果为正且值最大的Z对应bin的位置i，得到目标位置t=i+k。
进一步地，S10步骤中，通过相邻两个bin中的X(i)数据作为减数Y和被减数X输入到比较器中比较大小，得到正负标志E，以X大于Y为正，输出高电平1，以X小于Y为负，输出低电平0；
将比较器输出结果作为X和Y分别对应的反相器的使能信号；
两个反相器取反后输入到加法器，通过加法器计算两个输入端以及C口的结果，并舍去结果的进位标志，仅输出与原数据相同位数的结果D；其中，C口为加法进位标志SUB恒为1；
将正负标志E和相减绝对值D存储于寄存器中。
进一步地，S10步骤中，比较器输出取反为X反相器的使能XEN，直接输出为Y反相器的使能YEN；
当X大于Y时，比较器输出为1，XEN为0，YEN为1，X直接输入加法器A口，Y取反后输入加法器B口；
当X小于Y时，比较器输出为0，XEN为1，YEN为0，X取反后输入加法器A口，Y直接输入加法器B口。
进一步地，S00步骤中，采用首光子触发机制，多次重复测量得到统计直方图数据X(i)存储在寄存器中。
第二方面，本申请提供了直方图噪声抑制寻峰测距实现装置，包括：
采集模块，获取直方图数据，并将该数据存储于寄存器中；其中，每个数据分别对应一个时间bin，以X(i)表示第i个bin中的数据，bin表示一个TDC时间分辨率；
比较模块，将相邻两个bin中的X(i)数据相减得到Y(i)；其中，Y(i)=X(i+1)-X(i)，X(i)共n个数据对应n个bin，Y(i)共n-1个数据；
搜索模块，搜索Y(i)数据中结果为正且值最大的Y对应bin的位置i，得到目标位置t=i+1；
低通滤波模块，通过对Y(i)数据增加滑动平均窗对直方图相邻bin相减结果做低通滤波；
输出模块，输出低通滤波后的目标位置。
第三方面，本申请提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，处理器被设置为运行计算机程序以执行上述的直方图噪声抑制寻峰测距实现方法。
第四方面，本申请提供了一种可读存储介质，可读存储介质中存储有计算机程序，计算机程序包括用于控制过程以执行过程的程序代码，过程包括根据上述的直方图噪声抑制寻峰测距实现方法。
本发明的主要贡献和创新点如下：1、与现有技术相比，本申请通过寻找明显上升沿的方法寻找到目标位置，可通过简单的电路，除去直方图中的噪声，并将目标信号凸显出来，解决噪声过高原始直方图直接寻峰方案无法定位目标位置的问题；
2、与现有技术相比，本申请通过在找到目标位置后，还增加了平滑滤波，减少了噪声的毛刺，避免噪声偶然的大变化对最终结果造成误判。
本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例的直方图噪声抑制寻峰测距实现方法的流程；
图2是直方图存在噪声事件的示意图；
图3是根据本申请实施例k取3时的计算过程图一；
图4是根据本申请实施例k取3时的计算过程图二；
图5是本申请的相邻bin相减的实现电路示意图；
图6是图5的一种处理过程示意图；
图7是根据本申请实施例k取3时的处理结果示意图；
图8是根据本申请实施例的电子装置的硬件结构示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本说明书一个或多个实施例相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本说明书一个或多个实施例的一些方面相一致的装置和方法的例子。
需要说明的是：在其他实施例中并不一定按照本说明书示出和描述的顺序来执行相应方法的步骤。在一些其他实施例中，其方法所包括的步骤可以比本说明书所描述的更多或更少。此外，本说明书中所描述的单个步骤，在其他实施例中可能被分解为多个步骤进行描述；而本说明书中所描述的多个步骤，在其他实施例中也可能被合并为单个步骤进行描述。
在噪声较大的情况下，直方图前部噪声事件数堆积呈左高右低，如图2所示，此时噪声事件数高于信号事件数，无法通过寻找出现最多的时间点确定目标位置。但相较于不断下降的噪声包络形状，信号包络有个明显的上升沿，可以通过寻找明显上升沿的方法寻找到目标位置。
基于此，本发明基于以上原理来解决现有技术存在的问题。
实施例一
本申请旨在提出直方图噪声抑制寻峰测距实现方法，具体地，参考图1，所述方法包括：
S00、获取直方图数据，并将该数据存储于寄存器中；
在本实施例中，采用首光子触发机制，多次重复测量得到统计histogram直方图数据X(i)存储在寄存器中，每个数据分别对应一个时间bin，共n个数据一一对应n个bin，X(i)表示第i个bin中的数据。bin为1个TDC时间分辨率。
S10、将相邻两个bin中的X(i)数据相减得到Y(i)；
在本实施例中，依次读取相邻两个bin中的X(i)数据，并相减得到Y(i),Y(i)=X(i+1)-X(i)。Y(i)共有n-1个数据。
优选地，如图5所示，被减数为X，减数为Y，通过比较X和Y的大小，得到正负标志E，X比Y大则为正，输出为高电平1，X比Y小则为负，输出为低电平0，将比较器输出结果作为X和Y反相器的使能信号。比较器输出取反为X反相器的使能XEN，直接输出为Y反相器的使能YEN，当X比Y大，比较器输出为1，XEN为0，YEN为1，X直接输入加法器A口，Y取反后输入加法器B口。反之则X取反后输入加法器A口，Y直接输入加法器B口。加法器中C口为加法进位标志SUB恒为1，加法器计算A+B+C的结果，舍去结果的进位标志，只输出与原数据相同位数的结果D。最后将正负标志E和相减绝对值D记录在寄存器中。
例如，如图6所示，X=59(0011 1011)，Y=23(0001 0111)。X>Y,得E为1, X直接输入A，A为59(0011 1011)，Y取反输入B，B为232(1110 1000)，计算A+B+C，舍去进位，D为36(00100100)。
S20、搜索Y(i)数据中结果为正且值最大的Y对应bin的位置i，得到目标位置t=i+1；
在本实施例中，依次比较Y(i)数据，寻找结果为正且值最大的Y对应bin的位置i，得到目标位置t=i+1。
S30、通过对Y(i)数据增加滑动平均窗对直方图相邻bin相减结果做低通滤波。
在本实施例中，为减少结果的抖动，避免偶然出现的噪声抖动对结果产生大的影响，可对Y(i)增加滑动平均窗，起低通滤波的作用。选择窗宽为k，得Z(i)=Y(i)+Y(i+1)+…+Y(i+k-1)。Z(i)共有n-k个数据。比较Z(i)数据，寻找结果为正且值最大的Z对应bin的位置i，得到目标位置t=i+k。
其中，当k取3时，以上S00~S30步骤过程如图3所示。图3中X表示首光子触发机制下多次测量得到的统计直方图数据X(i)，时间轴长度一共有n个bin，对应有n个数据，从前到后顺序排列（bin为1个TDC时间分辨率）。取X中相邻数相减得Y，Y(i)=X(i+1)-X(i)，对应结果有n-1个数据。k取3时，将Y中相邻3个bin数据相加得Z，Z(i)=Y(i)+Y(i+1)+Y(i+2)，对应结果有n-3个数据。
而步骤S10~S30也可等效为Z(i)=X(i+k)-X(i)。当k取3时，如图4所示，Z(i)=Y(i)+Y(i+1)+Y(i+2)=(X(i+1)-X(i))+(X(i+2)-X(i+1))+(X(i+3)-X(i+2))=X(i+3)-X(i)。而当k取1表示不加滑动平均窗，Z(i)=Y(i)= X(i+1)-X(i)。
当K取3时，得结果如图7所示，图中的三张图分别为直方图X(i),Y(i),Z(i)计算结果，X(i)为原始直方图数据，Y(i)为X相邻bin相减结果，Z(i)为Y加滑动平均窗后计算结果。X(i)由于噪声事件较多，不能通过寻峰获得目标位置，经相邻bin相减得到Y(i)就可以观察到明显出现的目标位置。在Y(i)的基础上增加平滑滤波，减少噪声的毛刺，避免噪声偶然的大变化对最终结果造成误判。
实施例二
基于相同的构思，本申请还提出了直方图噪声抑制寻峰测距实现装置，包括：
采集模块，获取直方图数据，并将该数据存储于寄存器中；其中，每个数据分别对应一个时间bin，以X(i)表示第i个bin中的数据，bin表示一个TDC时间分辨率；
比较模块，将相邻两个bin中的X(i)数据相减得到Y(i)；其中，Y(i)=X(i+1)-X(i)，X(i)共n个数据对应n个bin，Y(i)共n-1个数据；
搜索模块，搜索Y(i)数据中结果为正且值最大的Y对应bin的位置i，得到目标位置t=i+1；
低通滤波模块，通过对Y(i)数据增加滑动平均窗对直方图相邻bin相减结果做低通滤波；
输出模块，输出低通滤波后的目标位置。
实施例三
本实施例还提供了一种电子装置，参考图8，包括存储器404和处理器402，该存储器404中存储有计算机程序，该处理器402被设置为运行计算机程序以执行上述任一项方法实施例中的步骤。
具体地，上述处理器402可以包括中央处理器（CPU），或者特定集成电路（ApplicationSpecificIntegratedCircuit，简称为ASIC），或者可以被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。
其中，存储器404可以包括用于数据或指令的大容量存储器404。举例来说而非限制，存储器404可包括硬盘驱动器（HardDiskDrive，简称为HDD）、软盘驱动器、固态驱动器（SolidStateDrive，简称为SSD）、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线（UniversalSerialBus，简称为USB）驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，存储器404可包括可移除或不可移除（或固定）的介质。在合适的情况下，存储器404可在数据处理装置的内部或外部。在特定实施例中，存储器404是非易失性（Non-Volatile）存储器。在特定实施例中，存储器404包括只读存储器（Read-OnlyMemory，简称为ROM）和随机存取存储器（RandomAccessMemory，简称为RAM）。在合适的情况下，该ROM可以是掩模编程的ROM、可编程ROM（ProgrammableRead-OnlyMemory，简称为PROM）、可擦除PROM（ErasableProgrammableRead-OnlyMemory，简称为EPROM）、电可擦除PROM（ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory，简称为EEPROM）、电可改写ROM（ElectricallyAlterableRead-OnlyMemory，简称为EAROM）或闪存（FLASH）或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，该RAM可以是静态随机存取存储器（StaticRandom-AccessMemory，简称为SRAM）或动态随机存取存储器（DynamicRandomAccessMemory，简称为DRAM），其中，DRAM可以是快速页模式动态随机存取存储器404（FastPageModeDynamicRandomAccessMemory，简称为FPMDRAM）、扩展数据输出动态随机存取存储器（ExtendedDateOutDynamicRandomAccessMemory，简称为EDODRAM）、同步动态随机存取内存（SynchronousDynamicRandom-AccessMemory，简称SDRAM）等。
存储器404可以用来存储或者缓存需要处理和/或通信使用的各种数据文件，以及处理器402所执行的可能的计算机程序指令。
处理器402通过读取并执行存储器404中存储的计算机程序指令，以实现上述实施例中的任意直方图噪声抑制寻峰测距实现方法。
可选地，上述电子装置还可以包括传输设备406以及输入输出设备408，其中，该传输设备406和上述处理器402连接，该输入输出设备408和上述处理器402连接。
传输设备406可以用来经由一个网络接收或者发送数据。上述的网络具体实例可包括电子装置的通信供应商提供的有线或无线网络。在一个实例中，传输设备包括一个网络适配器（Network Interface Controller，简称为NIC），其可通过基站与其他网络设备相连从而可与互联网进行通讯。在一个实例中，传输设备406可以为射频（Radio Frequency，简称为RF）模块，其用于通过无线方式与互联网进行通讯。
输入输出设备408用于输入或输出信息。
实施例四
本实施例还提供了一种可读存储介质，可读存储介质中存储有计算机程序，计算机程序包括用于控制过程以执行过程的程序代码，过程包括根据实施例一的直方图噪声抑制寻峰测距实现方法。
需要说明的是，本实施例中的具体示例可以参考上述实施例及可选实施方式中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。
通常，各种实施例可以以硬件或专用电路、软件、逻辑或其任何组合来实现。本发明的一些方面可以以硬件来实现，而其他方面可以由控制器、微处理器或其他计算设备执行的固件或软件来实现，但是本发明不限于此。尽管本发明的各个方面可以被示出和描述为框图、流程图或使用一些其他图形表示，但是应当理解，作为非限制性示例，本文中描述的这些框、装置、系统、技术或方法可以以硬件、软件、固件、专用电路或逻辑、通用硬件或控制器或其他计算设备或其某种组合来实现。
本发明的实施例可以由计算机软件来实现，该计算机软件由移动设备的数据处理器诸如在处理器实体中可执行，或者由硬件来实现，或者由软件和硬件的组合来实现。包括软件例程、小程序和/或宏的计算机软件或程序(也称为程序产品)可以存储在任何装置可读数据存储介质中，并且它们包括用于执行特定任务的程序指令。计算机程序产品可以包括当程序运行时被配置为执行实施例的一个或多个计算机可执行组件。一个或多个计算机可执行组件可以是至少一个软件代码或其一部分。另外，在这一点上，应当注意，如图中的逻辑流程的任何框可以表示程序步骤、或者互连的逻辑电路、框和功能、或者程序步骤和逻辑电路、框和功能的组合。软件可以存储在诸如存储器芯片或在处理器内实现的存储块等物理介质、诸如硬盘或软盘等磁性介质、以及诸如例如DVD及其数据变体、CD等光学介质上。物理介质是非瞬态介质。
本领域的技术人员应该明白，以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.直方图噪声抑制寻峰测距实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
S00、获取直方图数据，并将该数据存储于寄存器中；
其中，每个数据分别对应一个时间bin，以X(i)表示第i个bin中的数据，bin表示一个TDC时间分辨率；
S10、将相邻两个bin中的X(i)数据相减得到Y(i)；
其中，Y(i)=X(i+1)-X(i)，X(i)共n个数据对应n个bin，Y(i)共n-1个数据；
S20、搜索Y(i)数据中结果为正且值最大的Y对应bin的位置i，得到目标位置t=i+1。
2.如权利要求1所述的直方图噪声抑制寻峰测距实现方法，其特征在于，还包括步骤S30、通过对Y(i)数据增加滑动平均窗对直方图相邻bin相减结果做低通滤波。
3.如权利要求2所述的直方图噪声抑制寻峰测距实现方法，其特征在于，S30的具体步骤如下：
S31、选择窗宽为k，得到Z(i)=Y(i)+Y(i+1)+...+Y(i+k-1)；
其中，Z(i)共有n-k个数据；
S32、搜索Z(i)数据中结果为正且值最大的Z对应bin的位置i，得到目标位置t=i+k。
4.如权利要求1-3任意一项所述的直方图噪声抑制寻峰测距实现方法，其特征在于，S10步骤中，通过相邻两个bin中的X(i)数据作为减数Y和被减数X输入到比较器中比较大小，得到正负标志E，以X大于Y为正，输出高电平1，以X小于Y为负，输出低电平0；
将比较器输出结果作为X和Y分别对应的反相器的使能信号；
两个反相器取反后输入到加法器，通过加法器计算两个输入端以及C口的结果，并舍去结果的进位标志，仅输出与原数据相同位数的结果D；其中，C口为加法进位标志SUB恒为1；
将正负标志E和相减绝对值D存储于寄存器中。
5.如权利要求4所述的直方图噪声抑制寻峰测距实现方法，其特征在于，S10步骤中，比较器输出取反为X反相器的使能XEN，直接输出为Y反相器的使能YEN；
当X大于Y时，比较器输出为1，XEN为0，YEN为1，X直接输入加法器A口，Y取反后输入加法器B口；
当X小于Y时，比较器输出为0，XEN为1，YEN为0，X取反后输入加法器A口，Y直接输入加法器B口。
6.如权利要求1-3任意一项所述的直方图噪声抑制寻峰测距实现方法，其特征在于，S00步骤中，采用首光子触发机制，多次重复测量得到统计直方图数据X(i)存储在寄存器中。
7.直方图噪声抑制寻峰测距实现装置，其特征在于，包括：
采集模块，获取直方图数据，并将该数据存储于寄存器中；其中，每个数据分别对应一个时间bin，以X(i)表示第i个bin中的数据，bin表示一个TDC时间分辨率；
比较模块，将相邻两个bin中的X(i)数据相减得到Y(i)；其中，Y(i)=X(i+1)-X(i)，X(i)共n个数据对应n个bin，Y(i)共n-1个数据；
搜索模块，搜索Y(i)数据中结果为正且值最大的Y对应bin的位置i，得到目标位置t=i+1；
低通滤波模块，通过对Y(i)数据增加滑动平均窗对直方图相邻bin相减结果做低通滤波；
输出模块，输出低通滤波后的目标位置。
8.一种电子装置，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行权利要求1至6任一项所述的直方图噪声抑制寻峰测距实现方法。
9.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序包括用于控制过程以执行过程的程序代码，所述过程包括根据权利要求1至6任一项所述的直方图噪声抑制寻峰测距实现方法。
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