[发明专利]基于光子计数的三维距离图像时域实时去噪方法

说明书

技术领域

本发明适用于光子计数三维成像激光雷达系统，特别是一种基于光子计数的三维距离图像时域实时去噪方法。

背景技术

距离图像采用三维影像模式描述感兴趣的目标区域，其数据立方中包含了目标的几何不变特性，可以避免二维图像中的扭曲和混淆，广泛应用于机器视觉、工业模具设计和军事目标的自动识别与跟踪等领域。目前，已知有若干技术途径可以用于获取目标的距离图像。其中，采用工作于光子计数模式下的Gm-APD作为其激光回波信号光子探测器的光子计数三维成像激光雷达系统，是以光子飞行模式实现对目标的高时间分辨率测量。

成像精度和成像时间是光子计数三维成像激光雷达系统的两个重要的性能参数。传统的基于最大似然估计算法的成像模型，是以单个探测光子为最小单元，通过信号累积生成光子计数直方图的方式，逐点估计目标的距离信息—对应光子计数直方图的峰值位置。为了克服单光子探测过程中固有泊松噪声的影响，每个像素点需要足够长的采样积分时间；而且，每个像素点的采样积分时间为预设固定值。然而，对于未知特性的复杂目标场景来说，无法直接准确估计每个像素点所需要的采样积分时间，且不同反射率特性的目标区域所需要的采样积分时间也不相同。因此，在目标特性未知的情况下，距离估计值要么出现采样不足或是采样饱和的现象，即距离估计精度受噪声影响严重，或是在采样积分时间增加到某一值后，距离估计精度趋于某一值附近变化，且不依赖至少不明显依赖于采样积分时间。

目前，解决上述问题的方法，已知有两种技术途径：一是Hyunjung Shim和Seungkyu Lee等人通过采用一种新型的成像模式，即采用多种曝光时间的混合曝光技术，描述距离估计中出现的采样不足和采样饱和的现象，自适应决定每个像素点的最佳距离值，提高成像质量(1.Hyunjung Shim and Seungkyu Lee,Hybrid exposure for depth imaging of a time-of-flight depth sensor.Optical Express,2014,vol.22(11),pp: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.)。二是Ahmed Kirmani等人通过建立单光子探测过程的概率统计模型，并结合目标相邻像素点间的空间相关性，利用第一个探测到回波光子信息，估计目标的三维图像(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.)。这两种技术途径均需要较复杂的后续算法处理，不适用于实时的应用场合；其中，第二种方法在目标场景的低反射率区域，特别是边缘细节部分容易引起平滑现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现快速提取目标清晰无噪的基于光子计数的三维距离图像时域实时去噪方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于光子计数的三维距离图像时域实时去噪方法，步骤如下：

第一步，估计目标距离的初步先验信息，在目标场景的每个像素点探测过程中，利用噪声光子和信号光子的不同特性改进传统的基于最大似然估计算法的成像模型，即利用连续探测到的N个相邻光子为单元，并以该N个光子的飞行时间均值作为目标距离的初步先验信息估计；

第二步，时域实时去噪，抑制噪声光子的影响，在每个像素点探测过程中，利用上述第一步得到的目标距离的初步先验信息，作为判断信号光子响应和噪声光子响应的判别标准，结合噪声光子和信号光子的飞行时间所具有的不同特性，对探测器后续响应到的光子进行顺序检测，并对这信号光子和噪声光子采取不同的处理方法：忽略被判定为噪声的光子响应，仅保留被判定为信号的光子响应，并利用其光子飞行时间对目标距离的初步先验信息进行实时更新，即对目标距离的初步先验信息进行增强，使其逐渐趋近目标距离的真实值；