楊剛，畢宗杰，崔子浩，田兆碩

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）船海光電裝備研究所，山東 威海 264209）

0 引言

在過去的幾十年中，基于距離選通主動成像系統(tǒng)的光學(xué)檢測和測距技術(shù)得到了很大的發(fā)展［1］。閃光式激光雷達(dá)通過對激光脈沖飛行時間（Time of Flight，TOF）的精確測量來獲取目標(biāo)的切片圖像，并通過距離選通技術(shù)有效減少后向散射對成像結(jié)果的影響［2］，具有在惡劣環(huán)境中工作的能力。因此，閃光式激光雷達(dá)被廣泛應(yīng)用于目標(biāo)識別［3］、人臉識別［4］、三維（Three-dimensional，3D）建模［5-6］、水下探測［7-9］、水下定位［10］等領(lǐng)域。但是，在閃光式激光雷達(dá)日間測量中，由于照射在目標(biāo)上的太陽光和目標(biāo)周圍反射的太陽光在后向散射噪聲中占主導(dǎo)地位［11］，而太陽輻射在寬波長范圍內(nèi)有巨大的能量［12］，當(dāng)激光雷達(dá)探測器接收這些太陽光時，會使得目標(biāo)回波信號與太陽光混雜在一起，即使采用距離選通技術(shù)也無法避免太陽光對雷達(dá)接收到的強(qiáng)度圖像的影響。進(jìn)而使閃光式激光雷達(dá)無法在白天獲取目標(biāo)距離信息，嚴(yán)重限制了其在白天的應(yīng)用。

為了解決白天太陽光對閃光式激光成像雷達(dá)的影響，一般采用窄帶寬、高帶外抑制的光學(xué)濾波器件［13］。近年來，康翔宇等人通過窄帶濾波系統(tǒng)對激光雷接收系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高了激光雷達(dá)回波信號的信噪比［14］。WANG Jun等通過偏振光學(xué)器件抑制了太陽背景光，提高了激光雷達(dá)在白天的探測能力［15］。LIU Xuefeng等通過采用法拉第反常色散濾光片（Faraday Anomalous Dispersion Optical Filter，F(xiàn)ADOF）實(shí)現(xiàn)了激光雷達(dá)的日間測量［16］。MEI Liang等通過干涉濾波器件實(shí)現(xiàn)了激光雷達(dá)系統(tǒng)在日間對回波信號的獲?。?7］。這些研究要么是采用提高探測器性能［18-19］的方法，要么是采用特殊的光源，如帶軌道角動量（Orbital Angular Momentum，OAM）的激光光源［12］。但是這些方法均是從硬件角度來隔離太陽光對激光雷達(dá)的干擾，且特殊的硬件系統(tǒng)價格昂貴，難以推廣。

本文提出了一種可以從太陽光的背景噪聲中提取目標(biāo)區(qū)域激光回波信號的方法，該方法將形態(tài)學(xué)的開運(yùn)算運(yùn)用在閃光式激光雷達(dá)接收到的強(qiáng)度圖像上，對閃光式激光雷達(dá)采集到的包含太陽光后向散射的強(qiáng)度圖像進(jìn)行預(yù)處理，可以有效地將標(biāo)強(qiáng)度圖像從太陽光的后向散射中提取出來。隨后采用相鄰幀差法［20］，得到目標(biāo)的距離信息。

1 開運(yùn)算預(yù)處理的基本原理

形態(tài)學(xué)開運(yùn)算是圖像依次經(jīng)過腐蝕運(yùn)算、膨脹運(yùn)算的過程，具有移除圖像中孤立的點(diǎn)的作用。腐蝕運(yùn)算是一種形態(tài)轉(zhuǎn)換，它使用集合元素的矢量減法來合并兩個集合［21］。假設(shè)增強(qiáng)電耦合器件（Intensified Charge Coupled Device，ICCD）在（x，y）處接收到的強(qiáng)度為I(x，y)，則該點(diǎn)強(qiáng)度的腐蝕運(yùn)算定義為

式中，(xε，yω)是（x，y）的鄰域，?表示腐蝕運(yùn)算操作符，S為結(jié)構(gòu)元素，其窗口大小為(ε×ω)，結(jié)構(gòu)元素可以是一維的直線，也可以是二維的其他形狀。腐蝕運(yùn)算的結(jié)果是該像素點(diǎn)的強(qiáng)度值變?yōu)猷徲虼翱诘淖钚?qiáng)度值。腐蝕運(yùn)算可以將較亮的區(qū)域面積變小，較暗的區(qū)域面積增大。

同理，膨脹運(yùn)算的定義為

式中，⊕表示膨脹運(yùn)算符。膨脹運(yùn)算的結(jié)果是像素點(diǎn)的強(qiáng)度值變?yōu)猷徲虼翱诘淖畲髲?qiáng)度值，增大圖像中較亮區(qū)域的面積，減小較暗區(qū)域的面積。將腐蝕運(yùn)算和膨脹運(yùn)算相結(jié)合，即先腐蝕運(yùn)算后膨脹運(yùn)算，得到基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)開運(yùn)算。開運(yùn)算定義為

式中，°表示開運(yùn)算操作符。開運(yùn)算如圖1所示，開運(yùn)算可以將孤立的點(diǎn)去除（圖1（a），（b）），而不改變其他部分的分布（圖1（c）），可對激光雷達(dá)系統(tǒng)接收到的強(qiáng)度圖像進(jìn)行預(yù)處理，可以有效將目標(biāo)周圍由太陽光引起的離散噪聲去除，將目標(biāo)從太陽光污染中提取出來。結(jié)構(gòu)元素對預(yù)處理的結(jié)果影響很大，結(jié)構(gòu)元素越小，對于孤立的微小噪點(diǎn)濾除效果越好，并且由于本文中的目標(biāo)建筑物為非規(guī)則圖形，為了最大程度地保持目標(biāo)結(jié)構(gòu)，并根據(jù)結(jié)構(gòu)元素選取規(guī)則［22］，結(jié)構(gòu)元素為（3×3）的十字結(jié)構(gòu)。

圖1 開運(yùn)算示意圖Fig.1 Diagram of open operation

當(dāng)距離選通激光雷達(dá)主動成像系統(tǒng)在白天進(jìn)行測量時，盡管可以有效抑制后向散射，但是，探測器會接收到由目標(biāo)反射的激光回波信號和太陽光，同時也會接受到由其他目標(biāo)散射回的太陽光。這些光子雖然來自不同的源，但是它們聚焦在激光雷達(dá)傳感器上的同一位置，無法區(qū)分。對于成像過程中的第i幀強(qiáng)度切片圖像，有

式中，Ii為ICCD接收到的第i幀強(qiáng)度切片圖像，它可以分為兩部分：在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)為第i幀強(qiáng)度切片中由目標(biāo)返回的激光信號強(qiáng)度為第i幀強(qiáng)度切片中，探測器接收到的太陽光強(qiáng)度為隨機(jī)噪聲；在目標(biāo)區(qū)域外，探測器所接收到的強(qiáng)度切片則由太陽光和隨機(jī)噪聲組成。

為了評價強(qiáng)度圖像預(yù)處理結(jié)果，引入平均強(qiáng)度圖像，即

式中，Ii為ICCD接收到的第i幀強(qiáng)度圖像，N為總幀數(shù)。從式（5）可以看出，平均強(qiáng)度圖像可以反映出噪聲在成像過程中的平均分布。

2 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證將開運(yùn)算運(yùn)用在閃光式激光雷達(dá)日間成像的可行性，采用自行研制的閃光式激雷達(dá)對500 m處的建筑物進(jìn)行了日間成像實(shí)驗(yàn)。閃光激光雷達(dá)系統(tǒng)如圖2所示，其中，激光器采用Pilot-3風(fēng)冷脈沖激光器，其中心波長為532 nm，激光脈沖寬度為10 ns，單脈沖能量為2 mJ，激光器的重頻為1 kHz。發(fā)散角由準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)調(diào)整。像增強(qiáng)器和CCD組成ICCD作為接收系統(tǒng)，像增強(qiáng)采用Photek MCP 125M，CCD采用大恒水星MER-125-30，其分辨率為1292×964。選通門寬為100 ns，選通步長為5 ns。根據(jù)式（5），為了盡可能增加由目標(biāo)反射回的激光回波信號，實(shí)驗(yàn)中已將激光器的輸出功率調(diào)至最大（2 W）。

圖2 閃光式激光成像雷達(dá)Fig.2 Optical image of the flash imaging lidar

目標(biāo)建筑物如圖3所示，紅色方框內(nèi)的白色建筑為成像目標(biāo)。目標(biāo)建筑物左側(cè)有一部分被前面的建筑所遮擋，未被遮擋部分呈階梯狀。建筑物頂部有若干長條形基站和兩個儲水罐。建筑物的距離范圍約為500～518 m。

圖3 目標(biāo)建筑物實(shí)物圖Fig.3 Picture of the target building

采用閃光式激光成像雷達(dá)系統(tǒng)在日間對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行掃描成像，其平均強(qiáng)度圖像如圖4（a）所示。由于平均強(qiáng)度圖像像素強(qiáng)度值較低，根據(jù)式（6）對其進(jìn)行了二值化處理，如圖4（b）所示。

圖4 閃光式激光成像雷達(dá)接收到的目標(biāo)平均強(qiáng)度圖像Fig.4 The average intensity image of the target received by the flash lidar

式中，Ibin(m，n)是二值化后（m，n）處的像素強(qiáng)度值，I(m，n)為二值化前（m，n）處的像素強(qiáng)度值。從圖4（b）中可以看出，由于太陽光太強(qiáng)，由其他目標(biāo)反射回的太陽光混雜在目標(biāo)回波信號中，污染了ICCD接收到的強(qiáng)度圖像，即使采用距離選通技術(shù)也不能將目標(biāo)從太陽光的污染中提取出來，閃光式激光雷達(dá)系統(tǒng)還是能接收到位于目標(biāo)區(qū)域前、后的物體反射的太陽光，導(dǎo)致目標(biāo)區(qū)域與前、后物體混雜。因此，由ICCD接收到的原始強(qiáng)度圖像，必須經(jīng)過預(yù)處理才能獲取目標(biāo)的距離信息。

3 結(jié)果與討論

分別對比了高斯濾波（Gaussian filter）預(yù)處理，中值濾波（Median filter）預(yù)處理，閾值分割（Threshold segmentation）預(yù)處理和形態(tài)學(xué)開運(yùn)算預(yù)處理對ICCD接收到的每幀強(qiáng)度圖像的處理結(jié)果，并根據(jù)式（5）得到預(yù)處理后的平均強(qiáng)度圖像，如圖5（a）、（c）、（e）、（g）所示。其中，圖5（a）是經(jīng)過高斯濾波對每幀強(qiáng)度圖像進(jìn)行預(yù)處理后根據(jù)式（5）得到的平均強(qiáng)度圖像。高斯濾波是一種線性濾波，可以有效抑制噪聲、平滑圖像，圖5（a）中高斯核的大小為5。圖5（b）是根據(jù)式（6）對圖5（a）進(jìn)行二值化后的圖像，與圖4（b）相比，盡管高斯濾波預(yù)處理起到了部分抑制噪點(diǎn)的作用，但是目標(biāo)周圍的噪點(diǎn)并沒有被很好地去除。采用中值濾波對每幀強(qiáng)度圖像進(jìn)行預(yù)處理后的平均強(qiáng)度圖像如圖5（c）所示，中值濾波卷積核的大小為5。中值濾波是一種非線性濾波，在處理脈沖噪聲時效果極佳，并且可以很好地保護(hù)圖像的邊緣信息。圖5（d）是根據(jù)式（6）對其進(jìn)行二值化后的圖像，與圖5（b）類似，目標(biāo)周圍的噪點(diǎn)并沒有被很好地抑制。圖5（e）是經(jīng)過閾值分割預(yù)處理后的平均強(qiáng)度圖像，閾值為60，圖5（f）是根據(jù)式（6）對其進(jìn)行二值化后的結(jié)果。對比圖5（f）、圖5（d）、圖5（b）和圖4（b），閾值分割預(yù)處理似乎效果最好。從式（4）中可以看出，在ICCD接收到的每幀強(qiáng)度圖像中，由目標(biāo)反射回的回波信號比由非目標(biāo)位置反射回的回波信號強(qiáng)，因此閾值分割預(yù)處理的效果比高斯濾波預(yù)處理和中值濾波預(yù)處理強(qiáng)。但是，還是有一些頑固的噪聲并沒有被完全剔除，這是由于在式（4）中并非是定值。采用形態(tài)學(xué)開運(yùn)算對ICCD接收到的每幀強(qiáng)度圖像進(jìn)行預(yù)處理后的平均強(qiáng)度圖像如圖5（g）所示，圖5（h）為根據(jù)式（6）對其進(jìn)行二值化后的結(jié)果。對比圖5（h）與圖5（f），目標(biāo)周圍由太陽光引起的噪點(diǎn)明顯減少，并且較為完整地保留了目標(biāo)建筑物的邊緣信息。這充分說明基于形態(tài)學(xué)開運(yùn)算的預(yù)處理方法不僅可以將目標(biāo)從太陽光污染中提取出來，還可以有效降低噪聲，更有利于隨后采用相鄰幀差法得到信噪比較高的目標(biāo)距離信息。

圖5 采用不同方式預(yù)處理后的平均強(qiáng)度圖像和其經(jīng)過二值化后的強(qiáng)度圖像Fig.5 The mean intensity image after different preprocessed methods and its binarized intensity image.

對四種方法預(yù)處理后的強(qiáng)度圖像分別采用相鄰幀差法來獲取目標(biāo)的距離信息，如圖6所示，相鄰幀差法的閾值均為20。圖6（a）為經(jīng)過高斯濾波預(yù)處理后，采用相鄰幀差法得到的目標(biāo)距離信息，可以看出，目標(biāo)距離信息被太陽光淹沒，高斯濾波預(yù)處理并不能將目標(biāo)從太陽光污染中提取出來。圖6（b）為經(jīng)過中值濾波預(yù)處理后，采用相鄰幀差法得到的目標(biāo)距離信息，與圖6（a）相比，盡管噪點(diǎn)變少，但是目標(biāo)輪廓還是難以辨認(rèn)，中值濾波也無法從太陽光污染中將目標(biāo)距離信息提取出來。圖6（c）為經(jīng)過閾值分割預(yù)處理后，采用相鄰幀差法得到的目標(biāo)距離信息，與圖6（b）相比，盡管目標(biāo)較為清晰，但是周圍噪點(diǎn)還是無法剔除，依舊可以看到位于目標(biāo)物前部的建筑產(chǎn)生的噪點(diǎn)。圖6（d）為經(jīng)過形態(tài)學(xué)開運(yùn)算預(yù)處理后，采用相鄰幀差法得到的目標(biāo)距離信息，可以看出，盡管目標(biāo)周圍還存在一些噪點(diǎn)，但是與圖6（a）～（c）相比，目標(biāo)建筑物周圍的噪點(diǎn)被顯著移除，并且最大程度地保留了目標(biāo)建筑物的輪廓，可以清晰分辨出位于目標(biāo)建筑物頂部的長條形信號塔和儲水罐。

圖6 采用不同方式預(yù)處理后結(jié)合相鄰幀差法得到的目標(biāo)距離信息Fig.6 The target distance information obtained by adjacent frame different method after different preprocessing methods.

分別對圖6（a）、（b）、（c）相對于圖6（d）計算了結(jié)構(gòu)相似度（Structural Similarity，SSIM），結(jié)構(gòu)相似度分別為0.78、0.83和0.85，結(jié)構(gòu)相似圖如圖7所示。從圖中可以看出，目標(biāo)建筑物周圍的結(jié)構(gòu)相似度較低，而目標(biāo)建筑物上的結(jié)構(gòu)相似度較高，因此，基于開運(yùn)算預(yù)處理后得到的目標(biāo)距離信息在很好地抑制了其他三種預(yù)處理方法無法去除的由太陽光引起的目標(biāo)周圍噪點(diǎn)的同時，并未改變目標(biāo)建筑物的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。這充分說明，形態(tài)學(xué)開運(yùn)算的強(qiáng)度圖像預(yù)處理方法可以有效地將目標(biāo)從太陽光污染中提取出來而不改變目標(biāo)的形狀。

圖7 不同方式預(yù)處理后得到的距離信息的結(jié)構(gòu)相似圖Fig.7 SSIM maps of distance information obtained by different preprocessing methods

4 結(jié)論

本文提出了一種基于形態(tài)學(xué)開運(yùn)算的強(qiáng)度圖像預(yù)處理方法，通過對閃光式激光雷達(dá)系統(tǒng)在白天接收到的強(qiáng)度圖像進(jìn)行開運(yùn)算預(yù)處理，可以將目標(biāo)從太陽光污染中提取出來。采用自行研制的閃光式激光雷達(dá)系統(tǒng)在白天對距離500 m的目標(biāo)建筑進(jìn)行了成像實(shí)驗(yàn)。由于白天太陽光太強(qiáng)，即使采用了距離選通技術(shù)，仍舊無法剔除太陽光對目標(biāo)強(qiáng)度圖像的污染，導(dǎo)致無法直接采用三維重構(gòu)算法根據(jù)強(qiáng)度圖像獲取目標(biāo)的距離信息。經(jīng)過基于形態(tài)學(xué)開運(yùn)算預(yù)處理后，可以很好地將目標(biāo)從太陽光污染中提取出來，與高斯濾波預(yù)處理、中值濾波預(yù)處理和閾值分割預(yù)處理方法相比，形態(tài)學(xué)開運(yùn)算預(yù)處理方法不僅可以將目標(biāo)建筑完整地從太陽光中提取出來，并且可以有效抑制其他三種方法無法去除的由太陽光引起的頑固噪聲。隨后采用相鄰幀差法得到了目標(biāo)的距離信息，距離范圍從500 m到518 m。高斯濾波預(yù)處理、中值濾波預(yù)處理和閾值分割預(yù)處理與形態(tài)學(xué)開運(yùn)算預(yù)處理的結(jié)構(gòu)相似度分別為0.78、0.83和0.85，結(jié)構(gòu)相似圖和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，形態(tài)學(xué)開運(yùn)算預(yù)處理方法可以在有效抑制由太陽光引起的噪聲的同時將目標(biāo)從太陽光污染中提取出來，對于閃光式激光雷達(dá)在日間的應(yīng)用有積極的促進(jìn)作用。