[发明专利]一种激光雷达三维距离像超分辨重构方法

说明书

本发明公开了一种激光雷达三维距离像超分辨重构方法，涉及三维成像技术领域。根据高空间分辨率图像与低空间分辨率图像计算重构后的Gm‑APD距离像。基于最大后验概率法，将重构后的Gm‑APD距离像f(x,y)和原始的Gm‑APD距离像g(x,y)均视为马尔可夫随机场，在已知g(x,y)的情况下，求解f(x,y)使得条件概率P(f/g)取最大值。后验概率的约束项由距离保真项和正则化项组成，其中ICCD强度像参与构建正则化项。综合对仿真数据和真实数据的实验结果，可以看出本发明算法较双三次插值、引导滤波、TGV、标准图像引导算法、区域相似度引导算法性能更优。

技术领域

本发明涉及一种激光雷达三维距离像超分辨重构方法，涉及三维成像技术领域。

背景技术

为了探测真实世界，将传统的二维成像扩展到具有距离信息的三维像是极具意义的。三维成像方法包括立体视觉、立体结构光、深度测量相机、扫描激光雷达、固态激光雷达、闪光激光雷达等。其中，激光雷达有着无与伦比的先天优势：体积小、重量轻、采集数据密度大、测距精度高、成像速度快、植被穿透力强、不受太阳高度角和阴影影响、隐蔽性好、抗干扰能力强等特点。Gm-APD(基于盖革模式APD阵列)激光雷达可以得到低分辨三维距离像，该激光雷达属于无扫描式激光三维成像雷达，其易于集成，探测灵敏度高，具有单光子探测能力，只需发射一次激光脉冲，通过探测器测得脉冲飞行时间，计算出每个像素点的距离值，获得三维距离像，因此其对于微弱信号即远距离目标探测更有优势。如果从硬件角度出发，想要获得高分辨的三维距离像，需要大阵列Gm-APD激光雷达，其造价昂贵。通过高空间分辨率的ICCD激光雷达和高距离分辨率的Gm-APD激光雷达复合成像超分辨三维重构是获取高空间分辨率激光三维距离像的可行技术途径。该方法可以低成本且有效地解决激光雷达三维距离像分辨率低的问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种激光雷达三维距离像超分辨重构方法，本发明利用Gm-APD激光雷达和ICCD激光雷达组成的双传感器成像系统获取探测目标的距离、强度图像，对距离图像和强度图像进行预处理并配准，并使用改进的图像引导算法进行超分辨重构处理得到高分辨三维距离像，以解决现有技术中激光雷达三维距离像分辨率低的问题。

一种激光雷达三维距离像超分辨重构方法，所述激光雷达三维距离像超分辨重构方法如下，

将超分辨重构问题转化为求解马尔可夫随机场优化模型问题，在高分辨强度像z和低分辨距离像x的约束下解得使马尔可夫随机场后验概率最大化时对应的重建距离值，马尔可夫随机场的概率分布用吉布斯分布表示，

具体的，

后验概率的约束项由两部分组成，距离保真项P_d和正则化项P_r，则重建距离值y的条件分布由下式表示：

其中，E是归一化因子，λ是正则化项的权重，正则化项权重控制正则化项与距离保真项之间的比重，因此，后验概率最大化问题转化为关于y的全局能量最小化问题：

能量优化方程定义如下：

E(D)＝E_d(D)+λE_r(D)

能量优化方程由距离保真项和正则化项组成，其中，D表示复原高分辨距离像，距离保真项如下公式：

距离保真项描述了复原高分辨距离像与原始低分辨距离图像的平方误差，其中，G表示低分辨距离像通过插值后得到的高分辨距离像，p是像素，M是距离图像的所有像素集合，|·|代表绝对值，

依据ICCD强度像与Gm-APD距离像表示出距离保真项和正则化项，从而表示出E(D)，基于最大后验概率法，求解条件概率取最大值，此时求解出的矩阵D便是重构后的距离像。