[科普中国]-距离图像

概念

距离图像是指由波束扫描和脉冲反射测距相结合形成的图像，它与常规的光学图像相比具有一些不同的统计特性。距离图像是一种记录空间深度的特殊图像1，从它可直接得到三维信息。激光成像雷达的原理是按照一定的方式扫描发射激光脉冲，当激光脉冲遇到物体时反射回来，测量激光的收发时间差即可测出目标到观测点的距离。脉冲激光在二维空域内按一定的格式扫描整个视场，就可获得距离图像。激光成像雷达的原理如图 1 所示。这样得到的距离图像常常存在较大的噪声干扰，需要进行图像增强处理。2

频域特征距离图像是依靠对空间景物反射信号的采样获得的。根据二维空间的采样定理3, 如果二维信号 的傅里叶频谱 满足

其中 为相应空间位移变量的最高截止频率。当采样周期满足 , 时，则用采样信号 能惟一地恢复原信号

在实际应用中难以对景物的空间频谱特性进行精确估计，往往根据角分辨率和距离分辨率两个指标来约束采样密度，使之在本质上符合采样定理。人们所关心的图像中的目标通常是高频细节不很多的，而其大小是在整幅图像中占有较大范围的，因此其空间频谱在总体上表现为低频特性，应该采用低通滤波器抑制噪声，突出目标。当然，如果单纯地采用低通滤波可能使目标中的细节和边缘变得模糊不清，同时也会使复杂的背景被平滑而变模糊。分层滤波方法能在一定程度上克服这个缺点。2

统计特性通常认为图像中存在目标和背景两种信息。对于常规的光学灰度图像来说，其统计直方图常常呈现双峰形状4，目标和背景的灰度均值分别对应这两个峰。距离图像的统计特性就不是这样的，同一目标上各点离观测点的距离相差较小，而不同目标上各点离观测点的距离的均值则可能相差较大，这样在统计直方图上就呈现多峰结构，每个目标都可能对应有一个特定的峰。图 2 就是一幅实际的激光距离图像及其统计直方图。

噪声特性在激光成像雷达中，噪声主要来自于空间杂散光、探测器热噪声和接收机噪声，测距系统的随机干扰。噪声的类型一般是高斯白噪声。由于这 3 种噪声在时间域上是随机出现的，所以噪声在三维空间上的分布是均匀的，表现为在图像二维平面上的均匀分布和距离值域上的均匀分布。5

应用距离图像是表述物体表面与成像器之间相对距离的图像。根据距离图像和距离相机的成像参数，可以很容易地获得物体表面的 3D 信息。另外，距离图像受环境因素的影响较小，因此它在 3D 场景分析中占有很重要的地位。