無(wú)人駕駛汽車的眼睛：激光雷達(dá)與機(jī)器視覺

王亮

（華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，武漢 430074）

1 引言

美國(guó)高速公路安全管理局將智能汽車定義為以下五個(gè)層次[1]：完全無(wú)智能化的層次；具有特殊功能的智能化（車輛通過(guò)警告的方式反饋駕駛者執(zhí)行操作，避免車禍的發(fā)生）；具有多項(xiàng)功能的智能化；智能化汽車的第四個(gè)階段是有限制條件下的無(wú)人駕駛；眼下我們能夠看到的最遠(yuǎn)的那個(gè)階段，全工況下的無(wú)人駕駛。在汽車智能化的各個(gè)階段，車輛的智能化視覺系統(tǒng)都是最為重要的環(huán)節(jié)。感知系統(tǒng)分為主動(dòng)系統(tǒng)（主動(dòng)系統(tǒng)：通過(guò)接受自己發(fā)出信號(hào)經(jīng)反射得到反饋信號(hào)，探測(cè)目標(biāo)體）和被動(dòng)系統(tǒng)（接受自然發(fā)出的信號(hào)）兩種[2]，兩種系統(tǒng)各有利弊，將兩種系統(tǒng)充分融合才能最大程度上提升性能。

LiDAR(Light Detection and Ranging)是激光探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，也稱Laser Radar[3]或LADAR(Laser Detection and Ranging)[4]。通過(guò)光在空氣中的傳播時(shí)間來(lái)丈量發(fā)射器到目標(biāo)障礙物的距離。此外，我們利用目標(biāo)物表面材質(zhì)不同的特性，以此通過(guò)光在表面反射強(qiáng)度的不同來(lái)檢測(cè)環(huán)境及氣候變化。按照探測(cè)的原理、探測(cè)方法不同可以分為米散射、瑞利散射、多普勒、熒光、布里淵散射等激光雷達(dá)[5]。

機(jī)器視覺則是一種綜合性技術(shù)，其在智能汽車上的關(guān)鍵就是激光探測(cè)技術(shù)（LiDAR）。此外，除了光學(xué)上的技術(shù)，它仍要求圖像處理、機(jī)械工程技術(shù)、控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)和模擬與數(shù)字視頻技術(shù)的結(jié)合。由于將機(jī)器代替人，它擁有更高的靈活性，有著更廣闊的潛在價(jià)值。同時(shí)，在大批量重復(fù)性工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，效率和自動(dòng)化程度也可以通過(guò)機(jī)器視覺檢測(cè)的方法大大的提高。

2 激光雷達(dá)和機(jī)器視覺的歷史及應(yīng)用

2.1 激光雷達(dá)

激光雷達(dá)起源于20世紀(jì)60年代初，也就是在20世紀(jì)60年代發(fā)明之后不久。激光，并結(jié)合激光聚焦成像和計(jì)算距離的能力，通過(guò)測(cè)量時(shí)間的信號(hào)返回使用適當(dāng)?shù)膫鞲衅骱蛿?shù)據(jù)采集電子。它的第一次應(yīng)用出現(xiàn)在氣象學(xué)上。國(guó)家大氣研究中心用它來(lái)測(cè)量云彩[6]。一般市民在1971年認(rèn)識(shí)到激光雷達(dá)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和有用性，即阿波羅15號(hào)當(dāng)宇航員使用激光高度計(jì)繪制月球表面地圖的時(shí)候。

除了軍隊(duì)對(duì)野外三維地理環(huán)境探測(cè)的需求，激光掃描方法還在更廣闊的領(lǐng)域應(yīng)用（如農(nóng)業(yè)開發(fā)、土地利用、城市規(guī)劃、交通通訊、水利工程、資源勘探、環(huán)境監(jiān)測(cè)、防震減災(zāi)及國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目等方面）。與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比，低機(jī)載LIDAR地面三維數(shù)據(jù)獲取方法具有后處理成本及生產(chǎn)數(shù)據(jù)外業(yè)成本低的優(yōu)點(diǎn)。目前，機(jī)載LIDAR技術(shù)獲取數(shù)據(jù)速度快、成本低、密集程度高、且精度高，因而它在各種測(cè)量技術(shù)中成為最為歡迎一種[7]。給國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展和科學(xué)研究帶來(lái)了極大的便利，有著優(yōu)良的發(fā)展前景。

2.2 機(jī)器視覺

20世紀(jì)60年代由美國(guó)學(xué)者羅伯茲提出機(jī)器視覺，開始是為了理解多面體組成的積木世界。而今，過(guò)去的技術(shù)在今天適也同樣適用。用邊緣檢測(cè)技術(shù)確定輪廓線，用區(qū)域分析技術(shù)將圖像劃分為由灰度相近的像素組成的區(qū)域，這些技術(shù)統(tǒng)稱為圖像分割（即我們今天常見的灰度像素塊。這種類似矩陣的描述方法大大簡(jiǎn)便了對(duì)物體特征的描述）[8]，其目的在于用輪廓線和區(qū)域描述所分析的圖像，來(lái)匹配已知庫(kù)中儲(chǔ)存的模型。

應(yīng)用：①檢測(cè)高精度定量的物體[9]（如在機(jī)械、醫(yī)學(xué)精密儀器、工程學(xué)、生物等領(lǐng)域應(yīng)用）和檢測(cè)半定量的或不用量器的定性產(chǎn)品（如產(chǎn)品的裝配完全性檢測(cè)、外觀檢查和缺陷性檢測(cè)）。②機(jī)器人視覺：指令機(jī)器人的大范圍操作和行動(dòng)（對(duì)于小范圍的運(yùn)動(dòng)我們還必須借助觸感傳感系統(tǒng)）。

3 激光雷達(dá)基本原理

3.1 測(cè)量系統(tǒng)

激光雷達(dá)一般由激光發(fā)射器、激光接收機(jī)、信息處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和顯示終端組成。一個(gè)基本的激光雷達(dá)系統(tǒng)包括一個(gè)由旋轉(zhuǎn)鏡(頂部)反射的激光測(cè)距器。激光在數(shù)字化的環(huán)境中掃描，在一個(gè)或兩個(gè)維度(中間)，收集在指定的角度間隔(底部)的距離測(cè)量（即與目前所接觸到arduino的紅外傳感器類似，只不過(guò)是將紅外光源換成的一種特定的波長(zhǎng)較長(zhǎng)且對(duì)人體不造成傷害的光源，以提高激光雷達(dá)的效率），進(jìn)而通過(guò)兩次（發(fā)射和接受的時(shí)間差）來(lái)判斷目標(biāo)的距離?；竟剑?/p>

其中，S是傳感器到被目標(biāo)物之間的距離；t是激光脈沖從激光器到被目標(biāo)物之間的往返傳輸時(shí)間；c是光速。測(cè)時(shí)間的三種方法：脈沖檢測(cè)法、相干檢測(cè)法以及相移檢測(cè)法。

對(duì)于徑向速度，我們可以測(cè)量多個(gè)位移并計(jì)算其平均變化率求得速度，也可以通過(guò)反射光的多普勒頻率的偏移來(lái)確定目標(biāo)的徑向速度。

目前激光發(fā)射光源主要有半導(dǎo)體激光器、半導(dǎo)體泵浦的固體激光器和氣體激光器等。此外，激光掃描器去配合速度傳感器一并使用，且將原始數(shù)據(jù)到最終報(bào)表生成需要包括以下模塊：工程管理模塊；數(shù)據(jù)采集模塊；數(shù)據(jù)處理模塊；三維顯示模塊；成果輸出模塊。

3.2 構(gòu)建三維模型

為了重建道路真實(shí)場(chǎng)景（三維），我們將激光雷達(dá)在進(jìn)步雷達(dá)上以一定的速度旋轉(zhuǎn)，且激光雷達(dá)實(shí)時(shí)掃描。在掃描之后得到大量的坐標(biāo)信息，并結(jié)合角速度來(lái)計(jì)算各個(gè)點(diǎn)的距離，這樣就可以重建場(chǎng)景。此時(shí)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)的笛卡爾直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以得到二維場(chǎng)景。在此基礎(chǔ)上，我們將二維圖像進(jìn)行層層疊加組合就可以得到三維圖像。

4 前景與展望

由于機(jī)器視覺的在處理信息中的便捷和加工控制信息的高集成性，在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)中，人們?cè)诔善窓z驗(yàn)和質(zhì)量控制、工況監(jiān)視等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用機(jī)器視覺系統(tǒng)。由于生物技術(shù)的不足，人們面臨最大的困難是尚不清楚人的視覺機(jī)制，這也是機(jī)器視覺復(fù)雜的原因之一。人類無(wú)法用計(jì)算機(jī)的內(nèi)省法來(lái)模擬人類的視覺過(guò)程，因此，建立機(jī)器視覺系統(tǒng)十分困難。但是可以預(yù)計(jì)，隨著機(jī)器視覺技術(shù)的不斷發(fā)展，它將在無(wú)人駕駛等領(lǐng)域得到得到愈加廣闊的應(yīng)用。

機(jī)器視覺的發(fā)展趨勢(shì)：價(jià)格持續(xù)下降，功能逐漸增多，產(chǎn)品小型化，集成產(chǎn)品增多。