[发明专利]一种基于蜕变算法的三维激光雷达点云数据扩增方法

权利要求书

1.一种基于蜕变算法的三维激光雷达点云数据扩增方法，其特征是将三维激光雷达场景点云数据扩增过程处理为通过蜕变算法程序向三维激光雷达场景点云数据中新增其他三维激光雷达物体点云或旋转场景点云数据中带标签的物体点云并最终生成与三维真实激光雷达场景点云数据高度近似的用例的过程。在新增物体方面，程序对真实三维环境采集的真实激光雷达场景点云数据和物体点云数据库中的物体数据进行融合，生成模拟三维激光雷达场景点云数据。在旋转物体方面，程序根据真实激光雷达场景点云数据原始标签对场景中具有标签的物体点云进行提取并旋转，从而完成模拟三维激光雷达场景点云数据的生成。算法可以通过用户指定数据的扩增方式以及自定义参数对大量真实三维激光雷达点云数据在短时间内产生相应的高质量模拟三维激光雷达点云数据用例。

2.根据权利要求1所描述的一种基于蜕变算法的三维激光雷达点云数据扩增方法，其特征是向真实三维激光雷达场景点云数据中新增其他三维激光雷达物体点云数据或旋转场景点云数据中带标签的物体点云，以生成目标数据集，主要通过以下几个步骤：

1)采集获取真实激光雷达场景点云数据以及真实激光雷达物体点云数据，并对数据进行预处理。真实激光雷达场景点云数据来自现实环境的驾驶过程中激光雷达对路面街道进行扫描所采集到的数据；真实激光雷达物体点云数据来自现实环境中激光雷达对物体进行扫描所采集到的数据；

2)通过新增其他三维激光雷达物体点云数据生成三维模拟激光雷达场景点云。基于对真实激光雷达场景点云中各位置信息进行评估，筛选出可用于插入物体点云数据的场景坐标。框定用于插入的物体点云数据的点云坐标范围，并确定插入的物体点云数据的最小包围框；对激光雷达场景点云进行新增物体的插入，并处理由于插入新增物体而被遮挡的部分场景，使融合了新增物体后的场景点云符合由激光雷达扫描生成数据的基本特征；最后向该场景点云数据原始标签中添加新增物体的信息条目；

3)通过旋转场景点云数据中带标签的物体生成三维模拟激光雷达场景点云。基于对真实激光雷达场景点云数据原始标签中各物体信息进行评估，筛选出可用于进行角度旋转的物体标签。根据标签信息获取该物体对应的最小包围框，并由此将该物体点云从原始场景点云中进行提取。对提取出的物体点云数据进行旋转后重新插入场景点云，并修改该场景点云数据原始标签中该物体的角度信息条目。

3.根据权利要求1所描述的一种基于蜕变算法的三维激光雷达点云数据扩增方法，其特征在于，添加物体算法于场景点云中选取随机点并对其进行可扩增性评估以及场景插入新增物体后清除其遮挡的部分场景点云。其一，坐标点的可扩增性评估具有根据所处该点的新增物体最小包围框判断该坐标点是否具备添加物体点云所需条件、添加物体点云后是否对原始场景标签产生影响等依据，评估其可扩增性。其二，实现新增物体遮挡仿真具有对场景点云中新增物体的遮挡面和场景中被新增物体遮挡的部分点云进行切割删除的功能。

4.根据权利要求3所描述的应用于坐标点的可扩增性评估，其特征在于，符合坐标点可扩增性的条件定义如下：

1)地面评估指标。在原始激光雷达场景点云中，统计其中处于当前二维物体框内的地面点云的数量。并判断框内地面点数是否到达可将区域判定为地面的阈值，此处设定地面阈值函数为：

2)遮挡物评估指标。判断雷达前方是否存在对扩增物体点云对象造成遮挡的障碍物，以保证扩增生成场景点云中扩增物体的质量。在原始激光雷达场景点云中，统计其中处于遮挡区域的非地面点云的数量。并判断遮挡区域内非地面点云点数是否到达可判定存在遮挡物的阈值，此处设定遮挡物阈值为200；

3)被遮挡物评估指标。判断是否存在被扩增物体点云对象遮挡的存在场景点云标签内的物体，以保证扩增生成场景点云中原点云物体的质量。在原始激光雷达场景点云中，统计其中中心点处于被遮挡区域的场景点云标签内物体的数量。并判断被遮挡区域内场景点云标签内物体数量是否到达可判定存在被遮挡场景点云标签内物体的阈值，此处设定该阈值为1。

5.根据权利要求3所描述的应用于新增物体遮挡的仿真，其特征在于，仿真算法的流程定义如下：

1)在坐标点以及二维物体框满足可扩增性评估的条件下，激光雷达物体点云将先被赋予一个平均强度，该强度由计算原始激光雷达场景点云处于二维物体框内点云的平均强度，并通过物理模型公式计算得到；强度计算公式如下，其中E_return表示返回激光脉冲的能量，E_emit表示原始激光脉冲的能量，R_rel表示表面材料的反射率，R_ia表示相对于激光入射角的反射率，R_atm是空气衰减率，因为激光束在空气中传播时被吸收和反射，在实现中σ_air是一个常数(例如0.004)，distance表示从激光雷达中心到目标的距离。

E_return＝E_emit*R_rel*R_ia*R_atm，

R_ia＝(1-cosθ)^0.5

R_atm＝exp(-σ_air*distance)

2)将激光雷达物体点云并入原始激光雷达场景点云中，并将其中被扩增物体点云对象遮挡的点云进行切割删除。将扩增物体对象仿真成由激光雷达扫描而得到的点云数据，保证了扩增物体较高的真实性。

根据权利要求1所描述的一种基于蜕变算法的三维激光雷达点云数据扩增方法，其特征是当激光雷达场景点云数据进行扩增时，该基于蜕变算法的扩增方法绕过了创建高保真背景CAD模型的要求，将待处理的原始激光雷达场景点云数据通过添加物体或旋转物体，便捷地改变一个由激光雷达扫描得到的街道场景，以高效的方式和较低的成本获得新的场景点云，迅速生成大量与真实激光雷达场景点云数据高度相似的新数据用例。