0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看威廉希尔官方网站 视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

激光距离选通三维成像威廉希尔官方网站 研究进展综述

MEMS 来源:光电e+ 2024-05-28 10:26 次阅读

导读

随着人工智能时代的到来,同时获得反映目标辐射特性和纹理特征的高分辨率强度图像以及反映目标和所处场景的三维空间信息的稠密点云数据/三维图像的激光相机雷达威廉希尔官方网站 已成为激光雷达的发展趋势。传统的摄像机与激光雷达复合的威廉希尔官方网站 方案存在异源数据融合问题,尤其是在雾雨雪天气条件下以及水下等传输链路中存在严重散射的情况时难以有效工作。激光距离选通三维成像威廉希尔官方网站 利用单一门控成像器件可同时获得高质量二维强度图像和高分辨率三维图像,其二维图像中的像素和三维图像中的体素一一对应,并继承了激光距离选通成像透散射成像的威廉希尔官方网站 优势,具有实现高性能激光相机雷达的威廉希尔官方网站 潜力。不同于传统扫描激光雷达,距离选通三维成像威廉希尔官方网站 主要采用基于CMOS的门控面阵图像传感器作为成像器件,像素规模可超过百万,其空间分辨率超过机械扫描激光雷达,也优于目前基于雪崩光电二极管阵列的闪光激光成像雷达,在远距离安防监控、复杂环境生态监测、恶劣天气及水下避障导航等领域具有巨大的应用潜力。

研究背景

1965年是激光距离选通成像的威廉希尔官方网站 元年。不同于传统成像威廉希尔官方网站 对视场内目标和背景“无选择性”成像,激光距离选通成像威廉希尔官方网站 仅对感兴趣距离区间内目标“选择性”成像,从而可过滤感兴趣区与成像系统间的介质散射噪声以及感兴趣区外的背景噪声,提高作用距离和成像质量。该威廉希尔官方网站 透散射介质远距离成像的特点使得研究者们快速意识到其在夜间和水下远距离成像方面的应用潜力。然而,受制于高性能脉冲激光器和选通成像器件发展的制约,激光距离选通成像威廉希尔官方网站 在随后的二十年发展缓慢。直到20世纪90年代,随着硬件威廉希尔官方网站 的不断成熟,该威廉希尔官方网站 被重新唤醒,在夜视和水下成像等应用领域得到迅速发展,并形成了系列的产品和装备。

激光距离选通成像可以获得与感兴趣成像区选通延时对应的距离信息,但感兴趣区内的精细距离信息仍是丢失的,所以,本质上仍是二维成像。我们人类生活在三维空间中,但是,传统二维成像威廉希尔官方网站 在成像过程中将三维空间投影为二维图像,丢失了距离信息,从而导致空间信息降维,无法实现目标定位和尺寸测量等三维空间感知应用。随着人工智能时代的到来,二维成像已无法满足机器“看清世界、感知三维空间”的威廉希尔官方网站 需求,因此,人们开始发展各种各样的三维成像和激光雷达威廉希尔官方网站 。激光距离选通成像威廉希尔官方网站 广义上是基于光的时间飞行法实现的,可对空间切片成像,因此,类似医学断层成像,可通过获取场景的空间切片图像实现三维重建。基于这一思路,国内外发展了多种激光距离选通三维成像威廉希尔官方网站 ,并开展了安防监控、生态监测和避障导航等应用研究。

主要内容

典型的激光距离选通成像系统由脉冲激光器、选通成像器件和时序控制器(TCU)组成。时序控制器提供工作时序,控制激光脉冲和选通脉冲间的延时、脉冲宽度和工作频率等。系统工作原理如图1所示,脉冲激光器向目标发射激光脉冲,经介质传输,遇到目标时被目标反射或散射,形成回波信号。当回波信号传至选通成像器件时,选通门开启,图像传感器接收回波信号,输出选通图像。图1给出了本文作者及其团队研制的激光选通成像系统在雾天和水下获得的船舶和USAF1951目标靶的选通图像。相比之下,传统光学图像中的目标淹没在雾和水体的散射噪声中,无法有效探测和识别。激光距离选通成像通过控制延时对感兴趣距离下的空间进行切片成像,过滤了介质散射噪声和背景噪声,实现了在雾雨雪等条件下的透散射成像,提高了作用距离和成像质量。

a15964b8-19e7-11ef-b74b-92fbcf53809c.png

图1激光距离选通成像工作原理及成像效果

由于不同特征的激光脉冲和选通脉冲卷积后的距离能量包络特征不同,反映了不同距离处目标回波信号的能量特征,因此,存在“时间—空间”的映射关系,这为激光距离选通成像实现三维场景重建提供了可能性。经过十多年的发展,国内外学者已提出了步进延时扫描、增益调制和距离能量相关等激光距离选通三维成像威廉希尔官方网站 。其中,距离能量相关三维成像威廉希尔官方网站 包括梯形、三角形以及深度学习等三维重建算法,整体的成熟度较高,威廉希尔官方网站 就绪水平达到5-7级。其原因主要是:距离能量相关三维成像充分利用了选通图像中目标距离和图像强度的关联信息,能够通过较少的信号采集次数,实现超距离分辨率的三维成像,在成像实时性上具有优势。

本文作者提出了三角形距离能量相关三维成像,可基于两幅具有三角形距离能量包络的选通图像,通过建立它们能量灰度比与距离的关系重建丢失的距离信息,并利用能量域分辨率提升时间域分辨率,进而实现快速高距离分辨率三维成像。本文作者及其团队已研制出系列激光选通三维成像系统,并开展了面向复杂环境生态监测、安防监控、避障导航等应用研究,代表性系统及应用如下:

01

海洋生物激光原位三维观测仪“凤眼”可用于mm级到cm级海洋生物原位观测,并可基于三维图像实现生物尺寸测量等功能,该系统2018年搭载中国科学院深海科学与工程研究所的“凤凰号”深海着陆器在1070m水深下获得的水母强度图像和三维图像,如图2所示。

a17cfdba-19e7-11ef-b74b-92fbcf53809c.png

图2海洋生物激光原位三维观测仪“凤眼”应用效果

02

冠层微细立体结构三维观测仪“CanoMIS”可视为一种新型的植被结构监测激光雷达,可同时获得冠层高水平分辨率的强度图像和稠密点云数据,用于植被结构精细测量,2020年在中国科学院清原森林生态系统观测研究站观测塔上CanoMIS对千金榆原位观测结果,相比传统成像威廉希尔官方网站 ,基于激光选通的三维成像威廉希尔官方网站 可直接过滤背景,实现感兴趣目标测量,如3所示。

a19db8d4-19e7-11ef-b74b-92fbcf53809c.png

图3冠层微细立体结构三维观测仪“CanoMIS”应用效果

03

海上超视距近红外激光三维成像系统可在低照度及雾雨雪天条件下获得高对比度近红外强度图像以及高分辨率三维图像,所选择的近红外波段与可见光波段相近,利于展现目标的纹理细节信息。2024年在烟台海域开展了大雾天气条件下夜间海上监控应用研究,对“耕海1号”海洋牧场综合体平台观测结果如图4所示:夜间连续近红外(CW NIR)图像受雾气影响难以看清目标;中波红外(MWIR)和长波红外(LWIR)图像可透雾成像,且轮廓清晰,但是“耕海1号”等文字纹理信息丢失;而激光选通三维成像获得的近红外选通图像可以读取“耕海1号”文字信息,并且通过三维图像可以分辨“海星”造型甲板的三个触角结构。

a1a991a4-19e7-11ef-b74b-92fbcf53809c.png

图4 海上超视距近红外激光三维成像系统应用效果

此外,针对汽车辅助驾驶和自动驾驶应用,欧盟DENSE计划基于深度学习距离能量相关三维成像威廉希尔官方网站 开发了一款Gated2Depth实时稠密激光雷达。该激光雷达采用了选通相机作为图像传感器,采用了波长808nm的VCSEL激光器作为照明光源,与传统扫描激光雷达、双目立体视觉等威廉希尔官方网站 比测结果如图5所示:深度学习距离能量相关三维成像威廉希尔官方网站 将传统的激光雷达点云密度提高两个数量级以上,并可获得高清的纹理图像,同时不依赖环境光、具有破雾雨雪成像能力。DENSE计划是由戴姆勒股份公司牵头,聚焦汽车自动驾驶应用中雾雨雪等恶劣天气条件下传感器性能降低甚至失效问题,研发新型的全天候传感器,实现感兴趣交通信息及障碍物的高可靠探测感知。

a2c9b6f4-19e7-11ef-b74b-92fbcf53809c.png

图5 Gated2Depth高分辨率闪光激光雷达

结论

顺应人工智能时代对传感器集成化、多功能化、智能化、小型化的发展趋势,从激光雷达Light Detection and Ranging(LiDAR)到激光相机雷达Light Ranging and Imaging(LiRAI)将是激光雷达的发展方向。激光相机雷达的威廉希尔官方网站 特点是:借助主动光照明,不依赖环境照度,利用单一传感器同时获得反映目标辐射特性和纹理特征的高分辨率强度图像,以及反应目标和所处场景的三维空间信息的稠密点云数据/三维图像,并具备一定的抗介质散射远距离工作能力。

从20世纪60年代提出激光距离选通成像威廉希尔官方网站 以来,随着激光器、光电成像器件的发展和成熟,激光距离选通三维成像威廉希尔官方网站 受到广泛关注。该三维成像威廉希尔官方网站 继承了激光距离选通透散射成像的威廉希尔官方网站 优势,使其在雾、雨、雪、烟、尘以及水体等散射介质条件下仍可有效工作,因此,在远距离安防监控、复杂环境生态监测、恶劣天气及水下避障导航等领域具有巨大的应用潜力。从威廉希尔官方网站 发展趋势来看,激光距离选通三维成像为从激光雷达到激光相机雷达,再到彩色激光相机雷达提供了一条威廉希尔官方网站 途径。未来在计算成像和人工智能威廉希尔官方网站 的加持下,激光距离选通三维成像将实现应用导向的系统设计,从成像原理上实现更快速、更高精度、更远探测距离、更多成像功能、更高感知维度、更强的复杂场景适应能力等,从而满足多样化的场景任务需求。

撰稿人:王新伟,孙亮,张岳

论文题目:激光距离选通三维成像威廉希尔官方网站 研究进展

作者:王新伟1,2,3,孙亮1,张岳1,宋博1,夏晨昊1,周燕1,2,3



审核编辑:刘清

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 半导体
    +关注

    关注

    334

    文章

    27305

    浏览量

    218150
  • 人工智能
    +关注

    关注

    1791

    文章

    47208

    浏览量

    238284
  • 激光雷达
    +关注

    关注

    968

    文章

    3971

    浏览量

    189834
  • 光电二极管
    +关注

    关注

    10

    文章

    402

    浏览量

    35931
  • CMOS威廉希尔官方网站

    关注

    0

    文章

    67

    浏览量

    10232

原文标题:综述:激光距离选通三维成像威廉希尔官方网站 研究进展

文章出处:【微信号:MEMSensor,微信公众号:MEMS】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    三维扫描与建模的区别 三维扫描在工业中的应用

    三维扫描与建模的区别 三维扫描与建模是两种不同的威廉希尔官方网站 ,它们在操作过程、输出结果及应用领域上存在显著的区别。 操作过程 : 三维扫描 :主要通过激光
    的头像 发表于 12-19 14:55 107次阅读

    三维激光扫描仪的数据可视化威廉希尔官方网站

    三维激光扫描仪的数据可视化威廉希尔官方网站 是将扫描仪获取的大量三维数据转换成直观、易于理解的图形、图像或动画的过程。以下是对这一威廉希尔官方网站 的介绍: 一、
    的头像 发表于 11-28 10:15 204次阅读

    三维激光扫描仪与无人机结合的应用

    三维激光扫描仪与无人机结合的应用为多个领域带来了革命性的变化。以下是对这种结合应用的具体分析: 一、应用概述 三维激光扫描仪与无人机威廉希尔官方网站 的结
    的头像 发表于 11-28 10:10 306次阅读

    三维激光扫描仪使用技巧 三维激光扫描仪测量精度分析

    三维激光扫描仪使用技巧 三维激光扫描仪的使用技巧涵盖了多个方面,旨在确保扫描过程的准确性和高效性。以下是一些关键的使用技巧: 稳定操作环境 :确保扫描过程中有一个稳定的操作环境,避免震
    的头像 发表于 11-28 10:07 221次阅读

    三维激光扫描仪应用领域 三维激光扫描仪与传统测量工具比较

    三维激光扫描仪应用领域 三维激光扫描仪因其高精度、高效率和非接触式的测量方式,在多个领域得到了广泛应用: 测绘领域 :用于地形、公路铁路、河道及建筑基地的测绘,提供精确的空间数据。 工
    的头像 发表于 11-28 10:04 215次阅读

    三维堆叠封装新突破:混合键合威廉希尔官方网站 揭秘!

    堆叠封装领域中的核心驱动力。本文将深入探讨混合键合威廉希尔官方网站 三维堆叠封装中的研究进展,分析其威廉希尔官方网站 原理、应用优势以及未来发展趋势。
    的头像 发表于 11-13 13:01 661次阅读
    <b class='flag-5'>三维</b>堆叠封装新突破:混合键合<b class='flag-5'>威廉希尔官方网站
</b>揭秘!

    中国研发出新型三维电压成像威廉希尔官方网站

    10月29日,中国科学院脑科学与智能威廉希尔官方网站 卓越创新中心的王凯研究团队宣布了一项重大突破:他们成功研发出一种新型三维电压成像威廉希尔官方网站 ,显著提升了电压
    的头像 发表于 10-29 14:34 172次阅读

    泰来三维 三维激光扫描结合BIM在工厂扫描建模中的优势

    BIM威廉希尔官方网站 是建设项目实施前的建筑信息模型搭建,三维激光扫描威廉希尔官方网站 则是现实物体的三维信息数字化。BIM具有可视化、协调性、优化性、模拟性和可视图
    的头像 发表于 07-19 10:39 378次阅读

    泰来三维|三维激光扫描威廉希尔官方网站 在古建筑保护中的应用

    通过三维激光扫描威廉希尔官方网站 ,可以快速获取古建筑的精确三维模型。在文物保护与修复过程中,利用三维模型可以更加全面、准确地记录古建筑的损伤情况,并辅助
    的头像 发表于 06-21 09:15 524次阅读
    泰来<b class='flag-5'>三维</b>|<b class='flag-5'>三维</b><b class='flag-5'>激光</b>扫描<b class='flag-5'>威廉希尔官方网站
</b>在古建筑保护中的应用

    泰来三维|三维扫描服务_三维扫描助力园区改造公园

    三维激光扫描仪利用激光反射测距原理,通过接受和返回的信号,获取点云三维空间坐标。这种测量方式可以无接触快速获取大型建筑三维空间数据,实现实体
    的头像 发表于 05-07 11:44 264次阅读
    泰来<b class='flag-5'>三维</b>|<b class='flag-5'>三维</b>扫描服务_<b class='flag-5'>三维</b>扫描助力园区改造公园

    综述:高性能锑化物中红外半导体激光研究进展

    据麦姆斯咨询报道,近期,由中国科学院半导体研究所和中国科学院大学组成的科研团队受邀在《激光威廉希尔官方网站 》期刊上发表了以“高性能锑化物中红外半导体激光研究进
    的头像 发表于 04-13 12:08 1964次阅读
    <b class='flag-5'>综述</b>:高性能锑化物中红外半导体<b class='flag-5'>激光</b>器<b class='flag-5'>研究进展</b>

    泰来三维|文物三维扫描,文物三维模型怎样制作

    文物三维扫描,文物三维模型怎样制作:我们都知道文物是不可再生的,要继续保存传承,需要文物三维数字化保护,所以三维数字化文物保护是非常重要的一个威廉希尔官方网站
    的头像 发表于 03-12 11:10 612次阅读
    泰来<b class='flag-5'>三维</b>|文物<b class='flag-5'>三维</b>扫描,文物<b class='flag-5'>三维</b>模型怎样制作

    三维扫描仪三维建模,古建筑三维激光扫描

     考虑到考古遗址中很多重要的迹象会因考古发掘工作的需要,在发掘过程中被逐步破坏掉,利用三维激光扫描仪的测绘,可以把发掘过程完整的真实场景记录下来,供后续永久保存、展示、研究的需要
    的头像 发表于 03-07 10:43 1213次阅读
    <b class='flag-5'>三维</b>扫描仪<b class='flag-5'>三维</b>建模,古建筑<b class='flag-5'>三维</b><b class='flag-5'>激光</b>扫描

    农业轮式机器人三维环境感知威廉希尔官方网站 研究进展

    子科技集团公司第五十四研究所等多家科研机构,开展了针对农业轮式机器人三维环境感知威廉希尔官方网站 研究。 作为未来农机装备的研究重点,农业轮式机器人正向
    的头像 发表于 02-22 17:05 395次阅读

    偏振成像激光雷达与短波红外复合光学接收系统设计与分析介绍

    三维成像激光雷达因具备主动照明、角度分辨率高、可探测距离信息等优势,被视为是被动遥感和微波雷达后的下一代威廉希尔官方网站 产品,与传统被动传感器
    的头像 发表于 01-05 10:29 1549次阅读
    偏振<b class='flag-5'>成像</b><b class='flag-5'>激光</b>雷达与短波红外复合光学接收系统设计与分析介绍