基于光子計數的三維距離圖像時域實時去噪方法
【技術領域】
[0001] 本發明適用于光子計數三維成像激光雷達系統，特別是一種基于光子計數的三維 距離圖像時域實時去噪方法。
【背景技術】
[0002] 距離圖像采用三維影像模式描述感興趣的目標區域，其數據立方中包含了目標的 幾何不變特性，可以避免二維圖像中的扭曲和混淆，廣泛應用于機器視覺、工業模具設計和 軍事目標的自動識別與跟蹤等領域。目前，已知有若干技術途徑可以用于獲取目標的距離 圖像。其中，采用工作于光子計數模式下的Gm-Aro作為其激光回波信號光子探測器的光子 計數三維成像激光雷達系統，是以光子飛行模式實現對目標的高時間分辨率測量。
[0003] 成像精度和成像時間是光子計數三維成像激光雷達系統的兩個重要的性能參數。 傳統的基于最大似然估計算法的成像模型，是以單個探測光子為最小單元，通過信號累積 生成光子計數直方圖的方式，逐點估計目標的距離信息一對應光子計數直方圖的峰值位 置。為了克服單光子探測過程中固有泊松噪聲的影響，每個像素點需要足夠長的采樣積分 時間；而且，每個像素點的采樣積分時間為預設固定值。然而，對于未知特性的復雜目標場 景來說，無法直接準確估計每個像素點所需要的采樣積分時間，且不同反射率特性的目標 區域所需要的采樣積分時間也不相同。因此，在目標特性未知的情況下，距離估計值要么出 現采樣不足或是采樣飽和的現象，即距離估計精度受噪聲影響嚴重，或是在采樣積分時間 增加到某一值后，距離估計精度趨于某一值附近變化，且不依賴至少不明顯依賴于采樣積 分時間。
[0004] 目前，解決上述問題的方法，已知有兩種技術途徑：一是Hyunjung Shim和 Seungkyu Lee等人通過采用一種新型的成像模式，即采用多種曝光時間的混合曝光技術， 描述距離估計中出現的采樣不足和采樣飽和的現象，自適應決定每個像素點的最佳距離 值，提高成像質量（1· Hyunjung Shim and Seungkyu Lee, Hybrid exposure for depth imaging of a time-〇f-flight depth sensor. Optical Express,2014,voI.22 (II),p p:13393-13402. 2. T. Mertens and J. Kautz and F.Van Reeth,Exposure Fusion, IEEE Pacific Conference on Computer Graphics and Applications, 2007,382-390.) 〇 二 是Ahmed Kirmani等人通過建立單光子探測過程的概率統計模型，并結合目標相鄰像 素點間的空間相關性，利用第一個探測到回波光子信息，估計目標的三維圖像（3. Ahmed kirmani, et al,First-Photon Imaging, Science,2014,vol. 343, pp:58-61. 4. Ahmed kirmani, et al, Spatio-temporal regularization for range imaging with high photon efficiency. SPIE, 2013.)。這兩種技術途徑均需要較復雜的后續算法處理，不適用于實時 的應用場合；其中，第二種方法在目標場景的低反射率區域，特別是邊緣細節部分容易引起 平滑現象。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于提供一種實現快速提取目標清晰無噪的基于光子計數的三維 距離圖像時域實時去噪方法。
[0006] 實現本發明目的的技術解決方案為：一種基于光子計數的三維距離圖像時域實時 去噪方法，步驟如下：
[0007] 第一步，估計目標距離的初步先驗信息，在目標場景的每個像素點探測過程中，利 用噪聲光子和信號光子的不同特性改進傳統的基于最大似然估計算法的成像模型，即利用 連續探測到的N個相鄰光子為單元，并以該N個光子的飛行時間均值作為目標距離的初步 先驗?目息估計；
[0008] 第二步，時域實時去噪，抑制噪聲光子的影響，在每個像素點探測過程中，利用上 述第一步得到的目標距離的初步先驗信息，作為判斷信號光子響應和噪聲光子響應的判別 標準，結合噪聲光子和信號光子的飛行時間所具有的不同特性，對探測器后續響應到的光 子進行順序檢測，并對這信號光子和噪聲光子采取不同的處理方法：忽略被判定為噪聲的 光子響應，僅保留被判定為信號的光子響應，并利用其光子飛行時間對目標距離的初步先 驗信息進行實時更新，即對目標距離的初步先驗信息進行增強，使其逐漸趨近目標距離的 真實值；
[0009] 第三步，逐點估計目標的距離信息，重構出目標的三維距離圖像，利用上述第二步 在每個像素點處采集得到的信號光子計數Κ，作為每個像素點停止采樣的閾值條件，即在每 個像素點處探測過程中，當探測器響應到K個信號光子響應時，則轉移到下一像素點重復 這一過程，直到掃描完整個目標場景為止；并利用該K個信號光子的飛行時間的加權平均 值作為該像素點的距離估計，重構出目標清晰的三維距離圖像。
[0010] 本發明與現有技術相比，其顯著優點：（1)不僅能夠抑制光子計數過程固有泊松 噪聲，包括背景噪聲光子和暗電流噪聲光子的影響，而且避免了生成光子計數直方圖的過 程，從而減少了成像時間，提高系統的光子效率；（2)首先利用噪聲光子和信號光子的不同 特性，改進傳統的基于最大似然估計算法的成像模型，以連續探測到的N個相鄰光子為單 元，估計目標距離初步先驗信息，并利用后續探測到的信號光子信息對該初步先驗信息進 行實時更新，使目標距離估計逐漸收斂于距離真實值；（3)接下來利用目標距離初步先驗 信息作為判別標準，并利用采集得到的信號光子計數K作為閾值條件，自適應決定每個像 素點的采樣積分時間，能夠避免傳統的基于最大似然估計算法的成像模型中出現的采樣 不足和采樣飽和的現象，從而提高成像精度；(4)由于忽略噪聲光子計數，僅對信號光子處 理，因此本發明性能較為穩定，在不同強度噪聲環境中，都能獲得較為穩定的成像質量，且 不增加系統對硬件的要求。
[0011] 下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
【附圖說明】
[0012] 圖1是用于驗證本發明的實驗目標場景圖：圖中區域1為高反射率區域（墻），區 域2為低反射率區域（表面覆蓋黑布的紙箱）。
[0013] 圖2是傳統的基于最大似然估計算法的成像方法在采樣積分時間為Ims時獲取的 目標距離圖像：圖（b)對應圖（a)中的區域1，圖（c)對應區域2。
[0014] 圖3是傳統的基于最大似然估計算法的成像方法在采樣積分時間為5ms時獲取的 目標距離圖像：圖（b)對應圖（a)中的區域1，圖（c)對應區域2。
[0015] 圖4是傳統的基于最大似然估計算法的成像方法在采樣積分時間為20ms時獲取 的目標距離圖像：圖（b)對應圖（a)中的區域1，圖（c)對應區域2。
[0016] 圖5是本發明基于光子計數三維距離圖像時域實時去噪方法的流程圖。
[0017] 圖6是本發明選取N = 3個相鄰光子為單元得到的目標距離的初步先驗信息。
[0018] 圖7是本發明選取閾值K= 10得到的目標三維距離圖像。
【具體實施方式】
[0019] 結合圖1和圖5,本發明基于光子計數的三維距離圖像時域實時去噪方法，步驟如 下：
[0020] 第一步，估計目標距離的初步先驗信息，在目標場景的每個像素點探測過程中，利 用噪聲光子和信號光子的不同特性改進傳統的基于最大似然估計算法的成像模型（傳統 的成像模型是以單個探測光子為單元，忽略噪聲光子和信號光子間的區別，對這兩類光子 響應采取同樣的處理策略，通過長時間信號累積生成光子計數直方圖的方式，估計目標的 距離信息），即利用連續探測到的N個相鄰光子為單元（時域N-領域），并以該N個光子的 飛行時間均值作為目標距離的初步先驗信息估計；N > 1，K多1。
[0021] 估計目標距離的初步先驗信息步驟如下：
[0022] 光子計數過程固有泊松噪聲，包括背景噪聲和暗電流噪聲，其光子飛行時間在整 個探測周期時間區間[0, TJ內服從均勻分布，且相互獨立，其中?；為激光脈沖重復周期；而 目標反射激光脈沖回波光子計數，即信號光子計數，其飛行時間集中分布在相對較窄的時 間區間
內，且時間相關，其中^為像素點（i，j)處的目標反射激光 脈沖回波光子的飛行時間的真實值，Tp為激光脈沖寬度，且T ρ〈〈?；;
[0023] 基于噪聲光子和信號光子的這一不同特性，在像素點（i，j)處探測過程中，本 發明以連續探測到的N個相鄰光子（時域N-領域）為單元，其光子飛行時間集記為
其飛行時間均值： 其順序絕對偏差（Rank-Ordered Absolute ，
,則根據如下二元假設檢驗，判斷該光子單元 的光子飛行時間均值是否落在區間
內，即可以判斷其為噪聲光子響 應還是信號光子響應：
[0024] If ROAD (i，j) < (N-1) Tp，Signal-Detection
[0025] If ROA