[发明专利]一种基于超像素滤波的单光子三维图像重建方法及系统

说明书

本发明属于激光雷达技术领域，涉及一种基于超像素滤波的单光子三维图像重建方法及系统，克服现有后期处理算法如UA算法存在较为严重的图像块效应，且速度难以达到实时化处理要求的问题以及ManiPoP等算法对计算资源的要求成本较高，不能满足实际应用的需求等问题。本发明基于成像物理参数设计滤波核，并基于超像素滤波原理实现对回波信号中噪声的抑制与信号光子的有效利用，以较低的计算成本实现实时级目标高精度三维信息获取。

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，尤其涉及一种基于超像素滤波的单光子三维图像重建方法及系统。

背景技术

单光子成像技术是现代激光雷达技术的前沿领域，其极高的灵敏度，使得在极弱光条件下获取目标的三维信息成为了可能，因此可以被广泛应用于光电侦察、自动驾驶等多个应用领域。

但在实际应用中该技术因其极低的回波能量与极高的探测灵敏度极易受到噪声的干扰，极端条件下甚至会出现噪声淹没目标信号的情况，因此噪声抑制问题成为了单光子成像技术迈向实用化的关键问题之一。

电子门控与偏振滤波等基于成像系统的抑噪方法已经在本领域广泛应用，但电子门控仍然难以有效滤除门控区间内的噪声，而偏振滤波则一定程度上降低了信号的探测概率，上述结果表明仅依靠硬件系统难以有效提升重建质量。

高效地后期处理算法可有效提升噪声干扰下回波信号的三维重建性能，例如经典的UA算法通过对回波信号降采样大大增强了信噪比，在信号光子数少于噪声光子数的环境下实现了较高质量地三维重建；但存在较为严重的图像块效应，且速度难以达到实时化处理的要求。而ManiPoP等算法虽然也具有良好的性能，但对计算资源的要求成本较高，仍不能满足实际应用的需求。

综上所述，目前单光子成像技术领域需要探索一种能够在较强的噪声条件下高精度重建目标信息的三维重建算法，同时应满足实际应用中实时化的要求。

发明内容

为实现噪声条件下目标高精度三维信息的获取，本发明提供一种基于超像素滤波的单光子三维图像重建方法及系统，克服现有后期处理算法如UA算法存在较为严重的图像块效应，且速度难以达到实时化处理要求的问题以及ManiPoP等算法对计算资源的要求成本较高，不能满足实际应用的需求等问题。本发明基于成像物理参数设计滤波核，并基于超像素滤波原理实现对回波信号中噪声的抑制与信号光子的有效利用，以较低的计算成本实现实时级目标高精度三维信息获取。

本发明的技术解决方案是提供一种基于超像素滤波的单光子三维图像重建方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1、获取原始三维回波数据；

通过单光子成像系统采集原始三维回波数据，并获取原始三维回波数据的三维尺寸， ， ，其中为像素行数，为像素列数，为时间相关单光子计数器（TCSPC）器件中对应的栅格数，即离散的光子飞行时间；

步骤2、基于成像物理参数设计超像素滤波核；

步骤2.1、获取相关成像物理参数：噪声估计阈值、时间相关单光子计数器中栅格的宽度 、发射激光脉冲的参考波形与发射激光脉冲的半高全宽；并根据三维回波数据及其三维尺寸，，与上述成像物理参数估计回波的平均像素光子数与回波的信号噪声比；

步骤2.2、根据式（5）估计超像素滤波核尺寸；

（5）

其中，表示取最大值操作，表示取最小值操作，表示向上取整操作；

步骤2.3、根据式（6）估计参数：

（6）

步骤2.4、根据式（7）计算超像素滤波核响应范围，此处为的矩阵；

（7）