[发明专利]一种用于夜视的车辆周围环境三维重构方法

摘要

本发明公开了一种用于夜视的车辆周围环境三维重构方法，技术方案是构建基于三维激光雷达传感器的夜视系统，该系统由车载三维激光雷达传感器、计算机、显示器和由环境网格模型生成模块及模型颜色渲染模块组成的三维重构软件组成；环境网格模型生成模块由三维点云生成环境高度图，对环境高度图进行三角面片化，生成三角网格环境模型；模型颜色渲染模块对三角网格环境模型中每个三角面片的着色，生成三维重构图像并由显示器显示。采用本发明能生成车辆周围的三维渲染地形，使重构的颜色更接近人眼的视觉感，且对驾驶员的视野盲区进行显示增强，使驾驶员在无光下仍然有很好的视野，满足夜间驾驶的需求。

主权项

1.一种用于夜视的车辆周围环境三维重构方法，其特征在于包括以下步骤：第一步，构建基于三维激光雷达传感器的夜视系统，该系统的硬件由车载三维激光雷达传感器、计算机及显示器组成；该系统的软件为三维重构软件，由环境网格模型生成模块及模型颜色渲染模块组成；三维激光雷达传感器实时监测和感知车辆周围环境，将从周围环境获得的三维点云按固定的格式发给计算机；计算机装有三维重构软件，三维重构软件对计算机收到的激光雷达三维点云进行三维重构，生成车辆周围三维环境图像，最后将三维环境图像转换成视频流输出给显示器；显示器将视频流在屏幕上显示；在三维重构软件中，环境网格模型生成模块首先由三维点云生成环境高度图，然后对环境高度图进行三角面片化，生成三角网格环境模型，并将三角网格环境模型发送给模型颜色渲染模块；模型颜色渲染模块计算三角网格环境模型中每个三角面片的颜色后生成三维重构图像并输出给显示器。第二步，环境网格模型生成模块首先由三维点云生成环境高度图，然后对环境高度图进行三角面片化，生成三角网格环境模型，步骤是：步骤2.1，使用Pfaff于2007年在《机器人研究》杂志上发表的《用于户外地形建模和循环闭合的有效扩展高度图》一文中提出的扩展高度图方法建立环境高度图P_gm，环境高度图P_gm是2.5维等间距栅格地图，其数据组织结构为二维结构体，每个二维结构体代表一个栅格，有四个属性组成，分别记为x、y、z、ocp，x和y表示栅格的中心在XY平面上的坐标，z表示栅格的高度，ocp表示栅格是否有投影或者被插值；步骤2.2，使用Der-Tsai Lee于1980年在《计算机与信息科学》杂志上发表的《构建Delaunay三角划分的两种方法》一文中提到的Delaunay三角划分方法对环境高度图P_gm进行三角划分生成三角网格环境模型E_m＝{s₁,s₂,...,s_i,...,s_n}，n为三角面片的总个数；E_m从数据组织结构上为一维结构体，结构体s_i表示一个三角面片，包含三个顶点和一个颜色属性，分别记为p_i1、p_i2、p_i3和c_i，i为整数且1≤i≤n。第三步，模型颜色渲染模块按照预定光照模型对三角网格环境模型中每个三角面片的着色，生成三维重构图像并显示，步骤是：步骤3.1，令i＝1；步骤3.2，计算汽车虚拟大灯到三角面片s_i的入射光强LI_i和入射光方向v_i，当三角面片面积小于0.1m²时，照射在三角面片上每个区域的光近似等于照射在三角面片中心点上的光；步骤3.2.1，由公式（1）计算三角面片s_i的中心点Q_i；Q_i＝(p_i1+p_i2+p_i3)/3   公式（1）步骤3.2.2，由公式（2）计算虚拟大灯到三角面片s_i的距离L_i；L_i＝|P₀-Q_i|   公式（2）步骤3.2.3，由公式（3）计算入射光方向v_i；vi=P0-QiLi]]>   公式（3）步骤3.2.4，由公式（4）计算虚拟大灯光轴与虚拟大灯到三角面片s_i入射光的夹角A_i，其中P₀＝[0,1,0]^T为虚拟大灯的位置，n₀＝[0,1,0]^T为虚拟大灯的光轴单位方向；Ai=arccos(P0-Qi)·n0Li]]>   公式（4）步骤3.2.5，由公式（5）（6）分别计算距离衰减系数DA_i和角度衰减系数AA_i，其中D_th表示虚拟大灯的灯光最远传播距离，A_th表示虚拟大灯的散射锥角；DAi=Dth-LiDth,Li<Dth0,Li≥Dth]]>   公式（5）AAi=Ath-|Ai|Ath,|Ai|<Ath0,|Ai|≥Ath]]>   公式（6）步骤3.2.6，由公式（7）计算照射到三角片面s_i的光强LI_i，其中L_light为虚拟大灯的发光光强。LI_i＝L_light·DA_i·AA_i   公式（7）步骤3.3，计算人眼接收的由三角面片s_i反射的光强；步骤3.3.1，由公式（8）计算三角面片s_i的面法向量N_i，其中运算因子×表示向量的叉乘；N_i＝(p_i3-p_i1)×(p_i2-p_i1)   公式（8）步骤3.3.2，由公式（9）计算入射光方向v_i和三角面片面法向量N_i之间的夹角余弦cos(θ_i)；cos(θi)=vi·Ni|Ni|]]>   公式（9）步骤3.3.3，计算v_i的反方向关于N_i的单位镜像R_i，R_i即为反射光方向；步骤3.3.4，由公式（10）计算观察方向V_i，并由公式（11）反射光方向R_i和观察方向V_i之间的夹角余弦其中H₀为观察者得位置；Vi=Qi-H0|Qi-H0|]]>   公式（10）公式（11）步骤3.3.5，由公式（12）计算观察者从三角面片s_i接收的反射光强LO_i，其中Kd为漫反射系数，Km为镜面反射系数。公式（12）步骤3.4，由公式（13）计算三角面片s_i的颜色c_i，若c_i＞255，则令c_i＝255；c_i＝255·LO_i^1.5   公式（13）步骤3.5，若i＞n，转步骤3.6；否则令i＝i+1并转步骤3.2；步骤3.6，将着色后的三角网格环境模型E_m生成三维重构图像输出给显示器。