1、北 大 中 文 核 心 期 刊 国 外 电 子 测 量 技 术 DOI:10.19652/k i.f emt.2204491基 于 路 侧 激 光 雷 达 的 障 碍 物 目 标 检 测 方 法*杨 建 华 赵 轩 郭 全 民 方 园 园 吴 萍 萍(西 安 工 业 大 学 电 子 信 息 工 程 学 院 西 安 710021)摘 要:针 对 现 有 障 碍 物 检 测 方 法 在 复 杂 道 路 场 景 下 存 在 地 面 分 割 欠 精 准、计 算 量 大 以 及 不 同 距 离 下 的 目 标 聚 类 困 难 问 题,提 出 了 一 种 基 于 路 侧 激 光 雷 达 的 障 碍 物 检
2、 测 方 法。在 地 平 面 分 割 方 面,提 出 基 于 圆 柱 坐 标 系 的 改 进 扇 形 栅 格 模 型 以 及 最 低点 代 表 法 优 化 种 子 点 的 选 取,采 用 多 地 平 面 模 型 并 通 过 随 机 采 样 一 致 性 算 法(RANSAC)实 现 地 面 拟 合 及 分 割。在 障 碍 物 聚类 方 面,构 建KDTr e e加 速 聚 类 过 程,提 出 划 分 区 域 及 阈 值 自 适 应 的 方 式 改 进 欧 氏 聚 类 算 法。实 验 结 果 表 明,该 方 法 在4种 典型 道 路 场 景 下 对 地 面 点 的 分 割 准 确 率 均 达 到8
3、6%以 上,且 针 对 不 同 距 离 下 的 障 碍 物 目 标 聚 类 准 确 率 提 升 明 显。关 键 词:路 侧 激 光 雷 达;障 碍 物 检 测;地 平 面 分 割;目 标 聚 类;栅 格 模 型中 图 分 类 号:TN249;TN958.98文 献 标 识 码:A国 家 标 准 学 科 分 类 代 码:510.20O b s t a c l e t a rge t d e t e c t i o n m e t h o d b a s e d o n r o a d s i d e L i D A RYang J i anhua Zhao Xuan Guo Quanmi n F
4、ang Yuanyuan Wu P i ngp i ng(El e c t r on i c I n f o rma t i on Eng i ne e r i ng,Xi an Te chno l og i c a l Un i v e r s i t y,Xi an 710021,Ch i na)A b s t r a c t:Aimi ng a t t he p r ob l ems o f t he ex i s t i ng obs t a c l e de t e c t i on me t hods i n c omp l ex r oad s c ene s,such a s
5、i na c cu r a t e g r ound s egmen t a t i on,l a r ge amoun t o f c a l cu l a t i on and d i f f i cu l t t a r ge t c l us t e r i ng a t d i f f e r en t d i s t anc e s,a r o ad s i de L iDAR ba s ed obs t a c l e de t e c t i on me t hod wa s p r opo s ed.I n t he a s pe c t o f g r ound p l a
6、ne s egmen t a t i on,t he imp r ov ed f an-shaped g r i d map ba s ed on c y l i nd r i c a l c oo r d i na t e s y s t em and t he l owe s t po i n t r ep r e s en t a t i on me t hod a r e p r opo s ed t o op t imi z e t he s e l e c t i on o f s e ed po i n t s.The g r ound f i t t i ng and s eg
7、men t a t i on a r e r e a l i z ed by us i ng mu l t i-p l ane mode l and r andom s amp l e c ons ensus a l go r i t hm(RANSAC).I n t he a s pe c t o f obs t a c l e c l us t e r i ng,KDTr e e i s c ons t ruc t ed t o a c c e l e r a t e t he c l us t e r i ng p r o c e s s,and t he Euc l i de an c
8、 l us t e r i ng a l go r i t hm i s imp r ov ed by d i v i d i ng t he r eg i on and t hr e sho l d adap t i v e.The expe r imen t a l r e su l t s show t ha t t he s egmen t a t i on a c cu r a c y o f t h i s me t hod f o r g r ound po i n t s i n f ou r t yp i c a l r o ad s c ene s i s mo r e t
9、 han 86%,and t he c l us t e r i ng a c cu r a c y o f obs t a c l e t a r ge t s a t d i f f e r en t d i s t anc e s i s s i gn i f i c an t l y imp r oved.K e y w o r d s:r o ad s i de L iDAR;obs t a c l e de t e c t i on;g r ound p l ane s egmen t a t i on;t a r ge t c l us t e r i ng;r a s t e
10、r mode l 收 稿 日 期:2022-11-09*基 金 项 目:陕 西 省 重 点 研 发 计 划 项 目(2022GY-112)资 助0 引 言在 自 动 驾 驶 及 智 慧 交 通 领 域 中,障 碍 物 目 标 检 测 的 准确 性 直 接 关 系 到 行 车 安 全 以 及 路 况 精 确 感 知 1。近 年 来,国 内 外 学 者 围 绕 基 于 机 器 视 觉 与 毫 米 波 雷 达 的 障 碍 物 检测 方 法 展 开 了 广 泛 的 研 究。但 视 觉 传 感 器 容 易 受 到 外 部环 境 光 的 干 扰,毫 米 波 雷 达 针 对 静 止 障 碍 物 目 标 的
11、检 测 效果 较 差。三 维 激 光 雷 达 则 凭 借 其 感 知 范 围 广、抗 干 扰 能 力强,且 携 带 有 目 标 的 深 度 信 息 等 特 点,对 复 杂 道 路 环 境 下的 障 碍 物 检 测 有 着 先 天 的 优 势。通 常 地,基 于 激 光 雷 达 的 障 碍 物 目 标 检 测 可 分 为 激 光点 云 预 处 理,地 平 面 分 割 以 及 障 碍 物 聚 类3个 步 骤。由 于原 始 点 云 中 存 在 大 量 无 关 目 标 的 冗 余 地 面 点 会 影 响 障 碍物 检 测 的 准 确 性,需 要 将 其 进 行 分 割 及 滤 除。目 前 针 对 地平
12、 面 分 割 方 法 的 研 究 主 要 分 为 基 于 几 何 特 征 2、基 于 模 型拟 合 3、基 于 栅 格 地 图 4以 及 基 于 深 度 学 习 5等 方 面。汪世 财 等 6通 过 将 点 云 投 影 至 栅 格 地 图 中,采 用 几 何 特 征 设定 固 定 高 度 阈 值 的 方 法 实 现 地 面 点 的 滤 除,算 法 简 单 但 容易 造 成 实 际 地 面 点 云 的 欠 分 割。李 青 云 等 7采 用 单 一 平面 模 型 的 方 法 在 原 始 点 云 中 选 取 种 子 点 进 而 拟 合 地 平 面,3 1 国 外 电 子 测 量 技 术 北 大 中
13、文 核 心 期 刊但 该 方 法 针 对 复 杂 道 路 平 面 时 计 算 量 大、分 割 精 度 不 高。邱 佳 月 等 8提 出 了 一 种 基 于 先 验 信 息 采 样 一 致 性 拟 合 及小 型 障 碍 物 剔 除 的 方 法 实 现 对 复 杂 环 境 地 面 模 型 的 准 确估 计 及 分 割,但 方 法 实 时 性 较 差。孔 维 迪 等 9提 出 了 一 种基 于 单 边 雅 可 比 变 换 的 点 云 平 面 拟 合 方 法,但 该 方 法 不 适用 于 复 杂 道 路 平 面 的 拟 合。Pa i gwa r等 10提 出 了 一 种GndNe t的 深 度 神 经
14、 网 络 架 构,通 过 端 对 端 的 方 式 直 接 对地 平 面 进 行 分 割,但 过 于 依 赖 训 练 集 环 境 导 致 算 法 鲁 棒 性较 差。障 碍 物 检 测 方 法 主 要 包 括 有K-me ans聚 类 算 法 11、DBSCAN聚 类 算 法 以 及 欧 氏 聚 类 算 法 等。其 中,K-me ans聚 类 算 法 需 要 先 验 的 确 定 聚 类 个 数,而 道 路 中 的 实 时 障 碍物 数 量 无 从 提 前 得 知。李 研 芳 等 12通 过DBSCAN聚 类算 法 对 四 线 激 光 雷 达 采 集 到 的 点 云 数 据 进 行 聚 类,但 该
15、方法 未 能 考 虑 到 较 远 处 目 标 的 聚 类 效 果,且 算 法 实 时 性 不高。张 浩 等 13采 用 欧 氏 聚 类 算 法 对 目 标 进 行 聚 类,但 该方 法 存 在 单 一 阈 值 无 法 准 确 聚 类 不 同 距 离 下 障 碍 物 的 问题,不 适 用 于 全 局 障 碍 物 的 检 测。本 文 针 对 复 杂 道 路 场 景 下 的 地 平 面 分 割 欠 精 准 以 及单 一 距 离 阈 值 难 以 适 应 不 同 距 离 的 障 碍 物 目 标 聚 类 问 题,提 出 一 种 基 于 路 侧 激 光 雷 达 的 障 碍 物 检 测 方 法。利 用 激光
16、雷 达 点 云 数 据 的 三 维 特 征 信 息,将 其 投 影 至 依 据 点 云 分布 特 性 所 改 进 的 扇 形 栅 格 模 型 中,设 计 最 低 点 代 表 法(LPR)优 化 种 子 点 的 选 取,采 用 多 地 平 面 模 型 拟 合 以 实 现复 杂 道 路 地 平 面 的 准 确 分 割;根 据 点 云 近 密 远 疏 的 特 性 划分 聚 类 区 域 以 及 自 适 应 阈 值,实 现 不 同 距 离 下 障 碍 物 目 标的 准 确 聚 类。1 激 光 雷 达 点 云 降 采 样经 过 多 线 激 光 雷 达 回 波 产 生 的 原 始 点 云 数 据 中 存 储
17、着 大 量 道 路 及 周 边 环 境 信 息,如 图1所 示。原 始 点 云 保 留的 道 路 信 息 完 整,但 在 三 维 条 件 下 冗 余 点 云 数 据 量 过 大,对 目 标 的 快 速 感 知 造 成 干 扰。由 于 障 碍 物 目 标 检 测 的 实时 性 要 求,需 要 对 原 始 点 云 进 行 降 采 样 处 理。图1 道 路 点 云 数 据 示 意 图传 统 网 格 降 采 样 算 法 将 原 始 点 云 所 处 的 空 间 划 分 为一 系 列 均 匀 大 小 的 网 格,通 过 从 各 网 格 内 随 机 选 择 一 个 点来 近 似 体 素 内 的 其 他 点。
18、该 方 法 在 降 低 点 云 密 度 的 同 时能 保 留 障 碍 物 目 标 的 部 分 结 构 特 征,但 针 对 数 据 量 巨 大 的道 路 场 景,依 据 每 个 网 格 随 机 获 取 数 据 会 损 失 较 多 原 始 点云 的 局 部 形 状 特 征。基 于 此 本 文 采 用 基 于Voxe lGr i d的方 法 对 原 始 点 云 进 行 降 采 样,计 算 所 有 非 空 网 格 中 的 质 心P c e n t e r,可 表 示 为:x c e n t e r=mi=1x imy c e n t e r=mi=1y imz c e n t e r=mi=1z im
19、|(1)式 中:m为 三 维 体 素 中 的 点 云 数 量。通 过 计 算 质 心 来 代替 体 素 中 的 其 他 点,以 保 持 原 始 点 云 的 形 状 特 征。均 等 体素 的 边 长 表 示 为R v o x e l,如 图2所 示。图2 Voxe lGr i d示 意 图Voxe lGr i d降 采 样 算 法 对 原 始 点 云 的 处 理 结 果 如 图3(b)所 示。降 采 样 前 平 均 每 帧 点 云 的 数 量 为56 638,取 均等 体 素 网 格 的 边 长R v o x e l=0.5 m,降 采 样 后 每 帧 点 云 的 数量 为8 251,对 比 图
20、3(a)与(b)可 知,算 法 大 幅 降 低 了 冗 余点 云 的 数 量,并 且 较 好 保 留 了 障 碍 物 目 标 的 形 状 特 征;同时 算 法 处 理 每 帧 点 云 数 据 的 的 平 均 耗 时 为208.43 ms,符合 障 碍 物 检 测 的 实 时 性 要 求。图3 降 采 样 前 后 效 果 对 比2 改 进 的 地 平 面 分 割 方 法提 出 的 改 进 地 平 面 分 割 方 法 主 要 由3个 模 块 组 成:1)改 进 栅 格 模 型;2)种 子 点 集 选 取;3)多 地 平 面 拟 合 及 分 割。流 程 如 图4所 示。4 1北 大 中 文 核 心
21、期 刊 国 外 电 子 测 量 技 术 图4 改 进 的 地 平 面 分 割 方 法 流 程2.1 三 维 栅 格 模 型 建 立 三 维 栅 格 模 型 通 过 划 分 空 间 栅 格 以 保 持 点 云 的 有 序性。但 随 着 距 离 增 大、目 标 点 云 稀 疏 造 成 栅 格 空 置 率 升高,使 得 传 统 栅 格 模 型 效 率 随 之 降 低。因 此,依 据 点 云 分布 符 合 累 积 分 布 函 数 描 述 的 特 点 4,结 合 扇 形 盒 模 型 14以 及 极 坐 标 栅 格 方 法,提 出 一 种 基 于 圆 柱 坐 标 系 的 改 进 扇形 栅 格 模 型 优
22、化 点 云 配 置,如 图5所 示。图5 基 于 圆 柱 坐 标 系 的 改 进 扇 形 栅 格 模 型将 降 采 样 后 的 点 云 映 射 到 以 激 光 雷 达 为 中 心、改 进 扇形 栅 格 模 型 所 覆 盖 的(R,Z)坐 标 系 中。其 中,R所 指代 的 是 点 云 在X-Y平 面 上 的 投 影 点 与 中 心 点 间 的 距 离,所 指 代 的 是 该 投 影 点 与X轴 的 夹 角,Z为 点 云 数 据 在 原三 维 笛 卡 尔 坐 标 系 中 的 高 度 值。表 达 式 为:R=x2+y2=a r c t anyx|(2)由 于 点 云 近 密 远 疏 的 特 性,设
23、 计 了 基 于 圆 柱 坐 标 系 的改 进 扇 形 栅 格 模 型,可 定 义 为:G=m 1,2,uG m(3)式 中:G表 示 改 进 扇 形 栅 格 模 型,由 角 度所 划 分 的n个扇 形 通 道C(channe l s)组 成。n=2(4)依 据 径 向 长 度R的 不 同 可 进 一 步 地 将G划 分 为m个同 心 区 域 和S个 环 道(Loop),每 个 区 域 都 存 在 有 若 干 个规 律 径 向 长 度 和 方 位 角 大 小 的 栅 格b i n,使 得 点 云 有 序 的分 布 在 其 中。b i n定 义 如 下:b n,m,i,j=m(i-1)R mS
24、R n,m,i,j-R m-1m(i+1)R mS,(u-m+1)2 n,m,i,j2(5)考 虑 到 激 光 雷 达 检 测 近 距 离 障 碍 物 时 存 在 的“空 洞”现 象 以 及 检 测 过 远 距 离 目 标 时 点 云 的 稀 疏 特 性,根 据 先 验分 别 设 置 全 局 最 小 径 向 与 最 大 径 向 长 度 为1和80 m。同时 根 据 激 光 雷 达 的 水 平 角 分 辨 率 取为6,同 心 区 域m为4,每 个 同 心 区 域 的 最 大 径 向 长 度 分 别 为20、40、60 m,根 据 激 光 雷 达 的 线 数 取S=16,每 个 区 域 所 包 含
25、 的 环 道 个数 为4。2.2 基 于L P R的 种 子 点 选 取种 子 点 的 选 取 对 于 平 面 模 型 拟 合 的 准 确 性 起 到 了 重要 作 用。为 了 消 除 孤 立 噪 点 对 地 平 面 拟 合 过 程 的 影 响,本文 依 据b i n内 部 的 最 低 点 最 有 可 能 归 属 为 地 面 点 云 这 一先 验 条 件,设 计LPR法 优 化 种 子 点 的 选 取,执 行 步 骤如 下。1)遍 历 改 进 栅 格 模 型 中 的 点 云 数 据,并 对 各 扇 形 通 道的 每 个 同 心 区 域 内 部 的 点 云 高 度 值 从 低 到 高 进 行 排
26、 序,构建 初 始 种 子 点 集 合:P s e e d=p C1,G1,l,p C1,G1,h,p Cn,Gm,l,p Cn,Gm,h(6)2)根 据 初 始 种 子 点 集 对 高 度 特 征 的 排 序 结 果 选 出 各同 心 区 域 内 的t个 较 低 点,计 算 出 每 个 区 域 内 部 较 低 点 的高 度 平 均 值,可 表 示 为:H Cn,Gm=ti=1h Cn,Gm,it(7)3)依 据 所 部 署 的 路 端 激 光 雷 达 距 离 地 面 高 度 设 置 全局 高 度 阈 值H t h s e e d,选 取 高 度 值 介 于H t h s e e d与H Cn
27、,Gm之 间的 点 云 数 据 作 为 种 子 点 并 更 新 种 子 点 集 合P s e e d,如 图6所 示。最 终 完 成 种 子 点 集 的 选 取。图6 高 度 阈 值 设 定 及 种 子 点 选 取5 1 国 外 电 子 测 量 技 术 北 大 中 文 核 心 期 刊2.3 多 地 平 面 拟 合 及 连 续 性 判 断 随 机 采 样 一 致 性 算 法(RANSAC)通 过 迭 代 拟 合 的 方式 从 包 含 离 群 的 被 观 测 数 据 中 估 算 出 平 面 模 型 参 数,可 较好 排 除 噪 点 的 影 响,提 升 地 平 面 拟 合 的 精 度。首 先,建 立
28、地 平 面 模 型 方 程 为:A x+B y+C z+D=0(8)由 先 验 信 息 可 知,实 现 对 地 平 面 的 拟 合 至 少 需 要3个点。从 种 子 点 集P s e e d中 选 取 点 并 求 得 地 平 面 模 型 参 数,计算P s e e d中 剩 余 点 云 数 据 与 该 模 型 间 的 误 差D e r o r r:D e r o r=|A x i+B y i+C z i+D|A2+B2+C2(9)比 较 误 差D e r o r r与 设 定 阈 值D t h r e s h o l d,当 误 差 小 于 阈 值时 确 定 该 点 所 属 为 内 点,并 统
29、 计 该 参 数 模 型 下 的 内 点 个 数N i n l i n e r。同 时 确 定 迭 代 阈 值K,表 达 式 为:K=l og(1-P)l og(1-(1-e)(10)其 中,e表 示 所 选 取 数 据 为 外 点 的 概 率,一 般 为 先 验值;为 每 次 计 算 模 型 所 选 取 的 点 数,P是 预 期 计 算 出 最优 平 面 模 型 的 概 率。通 过 多 次 迭 代 不 断 优 化 地 平 面 模 型,当 达 到 最 大 迭 代 阈 值K时 算 法 停 止。为 优 化 算 法 的 实 时性,改 进 提 前 终 止 算 法 的 迭 代 条 件,即:N i n l
30、 i n e r(1-e)N s e e d(11)由 于 现 实 中 的 路 面 并 非“完 美”平 面,且 激 光 雷 达 距 离较 远 时 会 存 在 测 量 噪 声,所 以 单 一 平 面 模 型 并 不 足 以 描 述现 实 中 的 路 面。本 文 方 法 将 实 际 道 路 平 面 近 似 视 为 多 个平 面 模 型 间 的 组 合,通 过RANSAC算 法 分 别 对 各 同 心 区域 内 的 地 平 面 模 型 进 行 拟 合,并 在 各 区 域 交 界 处 设 置 阈 值 H判 定 平 面 模 型 间 是 否 连 续,如 图7所 示。图7 多 地 平 面 拟 合 及 连 续
31、 性 判 定坡 度 理 论 认 为,地 平 面 可 视 为 平 缓 光 滑 的 连 续 曲 面,且 局 部 区 域 内 地 形 发 生 急 剧 变 化 的 可 能 性 较 低 15。为 简化 算 法 执 行 的 复 杂 度,规 定 若 不 满 足 连 续 性 判 定 的 平 面 则采 用 上 一 区 域 的 平 面 模 型 参 数。拟 合 得 到 的 多 地 平 面 模型 通 过 帧 差 法 最 终 实 现 地 面 点 云 的 准 确 分 割。在 地 平 面分 割 实 验 中,取 外 点 概 率 为0.5,模 型 所 需 点 数为3,预期 概 率P为0.9,阈 值 H为0.2 m。3 基 于
32、分 区 阈 值 自 适 应 的 欧 氏 聚 类 算 法3.1 基 于K D T r e e的 最 近 邻 搜 索为 了 高 效 地 实 现 对 聚 类 过 程 的 加 速,本 文 通 过 构 建KDTr e e进 行 点 云 数 据 间 的 最 近 邻 搜 索。KD树 是 二 叉 查找 树 的 多 维 结 构 形 式,通 过 建 立 离 散 点 间 的 拓 扑 结 构 以 实现 对 邻 域 范 围 内 点 云 数 据 的 快 速 检 索。KD树 采 用 分 而治 之 的 思 想,即 垂 直 于 坐 标 轴 的 超 平 面 将 整 个 空 间 划 分 为两 个 不 同 的 子 空 间,每 个 节
33、 点 对 应 一 个 分 割 超 平 面,直 到节 点 中 不 存 在 数 据 则 停 止 划 分。由 于 激 光 点 云 本 身 的 三维 属 性,需 要 建 立 三 维KD树。但 为 了 提 升 聚 类 算 法 的 实时 性,本 文 忽 略 目 标 点 云 在 高 程 方 向 上 的 搜 索 顺 序,即 当多 个 障 碍 物 在Z轴 方 向 上 重 叠 可 将 其 视 为 单 一 目 标。建立 二 维KD树。3.2 聚 类 区 域 划 分 及 阈 值 自 适 应 传 统 欧 氏 聚 类 通 过KDTr e e快 速 搜 索 距 离 阈 值 内 的数 据 点 并 将 其 组 合 聚 集 起
34、来,实 现 对 障 碍 物 目 标 的 检 测。这 就 对 距 离 阈 值 的 设 定 提 出 了 较 高 的 要 求。由 于 点 云 存在 近 密 远 疏 的 特 性,单 纯 依 靠 经 验 调 节 全 局 阈 值 参 数 时,阈 值 设 置 过 大 会 导 致 距 离 较 近 的 多 类 目 标 点 云 被 错 误 归为 了 同 一 簇,阈 值 设 置 过 小 则 会 导 致 远 处 目 标 的 部 分 点 云被 当 作 离 群 点 滤 除,使 得 本 该 属 于 同 一 障 碍 物 目 标 的 点 云未 完 全 聚 类。这 就 造 成 了 点 云 分 割 不 足 或 着 分 割 过 当
35、的问 题。为 了 解 决 传 统 欧 氏 聚 类 算 法 在 阈 值 设 定 时 对 不 同 距离 下 的 障 碍 物 点 云 难 以 有 通 用 性 问 题,同 时 也 为 了 避 免 手动 调 参 对 距 离 阈 值 反 复 设 置 的 问 题,本 文 提 出 了 划 分 聚 类区 域 及 阈 值 自 适 应 的 方 法。根 据 点 云 距 离 分 布 特 征 将 待聚 类 区 域 划 分 为 多 个 区 域,分 别 在 每 个 区 域 范 围 内 自 适 应距 离 阈 值 从 而 对 不 同 距 离 下 的 目 标 进 行 聚 类,执 行 流 程如 下。1)将 经 过 地 平 面 分 割
36、 后 的 剩 余 点 云 作 为 数 据P输入,同 时 创 建 空 的 聚 类 集 合C以 及 最 近 邻 点 集 合D,并 针对 输 入 点 云 数 据 建 立KDTr e e数 据 结 构。2)在 数 据P中 选 取 种 子 点p i,通 过KDTr e e最 近 邻搜 索 得 到k个 离p i最 近 的 点 后,将 搜 索 到 的 点 存 入 集 合Dki(K=4)中,分 别 计 算Dki中 各 近 邻 点pki与 核 心 点p i之间 的 欧 氏 距 离,并 求 得p i的 欧 氏 距 离 均 值E i:E i=k=1(x i-xi)2+(y i-yi)2k(12)3)区 别 于 传
37、统 聚 类 算 法,本 文 所 改 进 的 欧 氏 聚 类 算 法将 点 云 空 间 划 分 为m个 聚 类 区 域,划 分 方 式 与 同 心 区 域的 选 取 规 则 一 致,如 图8所 示。假 设 第m个 区 域 内 包 含 有s个 种 子 点,计 算 该 区 域 内所 有 核 心 点 与 其 最 近 邻 点 的 距 离 均 值E m:E m=si=1E is(13)6 1北 大 中 文 核 心 期 刊 国 外 电 子 测 量 技 术 图8 聚 类 区 域 划 分 及 阈 值 自 适 应通 过 对 各 聚 类 区 域 内 距 离 均 值 的 解 算,可 实 现 分 区 距离 阈 值d m
38、的 自 适 应,表 达 式 如 下:d m=E m+(14)式 中:和为 阈 值 调 节 参 数,主 要 根 据 所 使 用 激 光 雷 达的 水 平 角 分 辨 率 确 定。当 角 分 辨 率 越 小 时 检 测 效 果 越 好,对 应 阈 值 调 节 参 数 的 值 越 小。图9 4种 典 型 道 路 场 景 下 的 地 面 分 割 算 法 效 果 对 比4)将Dki中 欧 氏 距 离 小 于 核 心 点 所 在 区 域 阈 值d m的最 近 邻 点 存 入C i中,当 聚 类 集 合C i中 的 点 数 不 再 增 加,则C i聚 类 完 成;在 剩 余 点 云 中 选 取 新 的 种
39、子 点 并 执 行 以上 步 骤,直 至 遍 历 完P中 的 所 有 数 据,算 法 终 止。由 于 部 分 噪 点 会 对 聚 类 过 程 产 生 影 响,为 了 提 升 障 碍物 聚 类 的 准 确 性,在 聚 类 完 之 后 分 别 设 置 最 小 及 最 大 阈 值对 点 云 簇 进 行 约 束,最 终 实 现 障 碍 物 目 标 的 表 征。在 障 碍物 聚 类 实 验 中,取 聚 类 区 域m=4,划 分 聚 类 区 域 距 离R同 上 述 各 同 心 区 域 的 最 大 径 向 长 度 取 值 一 致,同 时 设 置 最小 及 最 大 阈 值 分 别 为20和1 000。4 实
40、验 验 证 与 分 析本 文 实 验 所 采 用 的 真 实 道 路 数 据 均 来 源 于 自 采 数 据集 与 公 开 数 据 集。通 过 将 路 侧 激 光 雷 达 采 集 到 的bag格式 的 点 云 文 件 转 换 为pcd格 式,实 现 自 采 数 据 的 获 取。所提 出 的 障 碍 物 目 标 检 测 方 法 均 通 过MATLAB软 件 实 现,硬 件 部 分 使 用10代i 7处 理 器、GTX1660Ti显 卡 以 及16 G运 行 内 存 的 高 性 能 笔 记 本 作 为 数 据 处 理 的 终 端。4.1 地 面 点 云 分 割 结 果 与 分 析为 了 衡 量 本
41、 文 提 出 的 地 平 面 分 割 算 法 在 实 际 道 路 环境 中 的 准 确 性 与 适 用 性,分 别 对 比 传 统RANSAC算 法 与本 文 算 法 在 各 种 道 路 场 景 下 的 地 面 分 割 效 果。本 文 实 验选 择 场 景 有 主 干 道、交 叉 路 口、T型 路 口 和 上 坡 路 这4种典 型 道 路 场 景 分 别 进 行 算 法 验 证,如 图9所 示。原 始 点 云 数 据 如 图9(a)所 示,图9(b)(d)分 别 为3种 地 平 面 分 割 算 法 的 实 际 分 割 效 果。传 统RANSAC算 法在 拟 合 地 平 面 时 由 于 缺 乏
42、局 部 性 的 考 虑,导 致 交 叉 路 口 中存 在 坡 度 变 化 区 域 的 地 面 点 未 能 实 现 有 效 分 割,且 在T型7 1 国 外 电 子 测 量 技 术 北 大 中 文 核 心 期 刊路 口 的 转 角 区 域 与 上 坡 路 场 景 中 的 缓 坡 区 域 也 同 样 存 在地 面 点 欠 分 割 的 问 题;同 时 从 主 干 道 场 景 中 的 地 面 分 割 情况 可 以 看 出,传 统RANSAC算 法 在 路 面 存 在 大 量 障 碍 物的 情 况 下,容 易 将 部 分 障 碍 物 点 云 识 别 为 地 面 点 从 而 进 行误 分 割;文 献6 算
43、 法 相 较 于 传 统 算 法 分 割 准 确 性 有 所 提升,实 现 了 交 叉 及T型 路 口 中 转 角 区 域 地 面 点 的 部 分 分割,但 仅 采 用 人 工 设 定 阈 值 无 法 更 准 确 的 对 复 杂 道 路 中 的路 面 层 与 障 碍 物 层 进 行 分 割,如 主 干 道 场 景 中 的 交 通 锥 被识 别 为 地 平 面,而 且 在 上 坡 路 中 存 在 远 处 路 面 欠 分 割 的 问题,这 是 由 于 算 法 所 采 用 的 传 统 栅 格 未 能 考 虑 到 点 云 的 近密 远 疏 特 性,导 致 远 处 的 地 面 点 未 能 完 全 分 割
44、;本 文 算 法考 虑 到 点 云 分 布 特 性 和 实 际 路 面 存 在 坡 度 变 化 等 情 况,通过 改 进 扇 形 栅 格 模 型 以 及 采 用 多 地 平 面 模 型 进 行 拟 合,可以 在 上 述4种 典 型 道 路 场 景 下 实 现 地 平 面 的 准 确 分 割。表1分 别 对 上 述3种 算 法 在 各 个 典 型 道 路 场 景 下 进行 地 平 面 分 割 的 准 确 率 进 行 了 定 量 评 价,通 过 算 法 拟 合 地面 点 数 量 与 实 际 标 注 地 面 点 数 量 的 比 值 可 以 得 到 地 面 分割 的 准 确 率。根 据 表1结 果 可
45、 知,相 比 于 传 统 算 法 与 文献6 算 法,本 文 方 法 在 不 同 道 路 场 景 下 对 地 面 点 云 的 分割 准 确 率 均 能 达 到86%以 上,且 分 割 准 确 率 提 升 明 显。表1 各 地 平 面 分 割 算 法 准 确 率 对 比场 景标 注 地 面点 云 数 量传 统 算法 数 量文 献6算 法 数 量本 文 算法 数 量传 统 算 法准 确 率/%文 献6 算法 准 确 率/%本 文 算 法准 确 率/%主 干 道4 998 4 387 4 478 4 508 87.8 89.6 90.2交 叉 路 口6 436 4 652 5 297 5 702 7
46、2.3 82.3 88.6T型 路 口8 430 3 672 5 791 7 258 43.6 68.7 86.1上 坡 路5 372 2 514 4 324 4 738 46.8 80.5 88.24.2 障 碍 物 聚 类 结 果 与 分 析障 碍 物 聚 类 效 果 关 系 到 目 标 检 测 的 准 确 性。本 文 分别 选 择 不 同 距 离 阈 值 的 传 统 欧 氏 聚 类 算 法、文 献16 的3D-DBSACN算 法 以 及 本 文 方 法 对 障 碍 物 点 云 进 行 聚 类,实 验 效 果 如 图10所 示。图10(a)为 地 面 分 割 后 的 点 云 数 据,其 中
47、 包 含 着 机 动车、交 通 设 施 及 绿 化 带 等 障 碍 物 目 标。图10(b)为 传 统 欧氏 聚 类 算 法 在 距 离 阈 值d=0.5 m时 的 聚 类 效 果,可 以 看到 在 该 阈 值 条 件 下 较 近 处(1035 m)的 障 碍 物 如 机 动 车目 标 可 实 现 较 为 完 整 的 聚 类,但 远 处(5080 m)的 障 碍 物目 标 如 交 通 信 号 灯 以 及 交 通 锥 筒 则 未 能 实 现 聚 类。图10(c)为 传 统 欧 氏 聚 类 算 法 在 阈 值d=3.0 m的 聚 类 效果,相 较 于 图10(b)可 实 现 远 处 障 碍 物 的
48、 准 确 聚 类,但 该阈 值 的 选 取 会 导 致 将 相 对 距 离 较 近 的4辆 机 动 车(6070 m)误 聚 为2类,并 且 将 绿 化 带 与 信 号 灯 目 标(6080 m)误 识 别 为1类。图10(d)为 采 用 文 献16 算 法 所 得到 的 聚 类 效 果,在 点 云 密 度 分 布 均 匀 处(40 m)可 准 确 聚 类多 个 机 动 车 目 标,但 随 着 点 云 逐 渐 稀 疏,绿 化 带 被 分 成 了多 类,且 部 分 机 动 车 目 标 点 云 未 能 实 现 聚 类。本 文 算 法 的 聚 类 效 果 如 图10(e)所 示。算 法 对 于 近
49、处的 机 动 车 以 及 远 处 的 绿 化 带 及 信 号 灯 等 目 标 都 能 实 现 完整 聚 类,并 且 准 确 检 测 出 了 区 域 内 所 有 的 障 碍 物 目 标。通过 特 定 帧 数 据 的 聚 类 结 果 验 证,本 文 算 法 很 好 的 解 决 了 单一 阈 值 在 不 同 距 离 下 难 以 通 用 的 问 题,通 过 自 适 应 的 方 式避 免 了 距 离 阈 值 的 反 复 设 置,实 现 了 不 同 距 离 下 障 碍 物 目标 的 准 确 聚 类。为 进 一 步 量 化 说 明 本 文 所 改 进 聚 类 算 法 的 准 确 性,实验 每 隔20帧 选
50、取1帧 作 为 连 续 帧 数 据 包,共 选 取100帧的 点 云 数 据 对 各 聚 类 方 法 进 行 检 测 率 的 计 算,结 果 如 表2图10 障 碍 物 点 云 聚 类 算 法 效 果 对 比所 示。对 比 传 统 算 法,本 文 改 进 聚 类 算 法 的 障 碍 物 聚 类 效8 1北 大 中 文 核 心 期 刊 国 外 电 子 测 量 技 术 果 良 好,且 不 同 距 离 下 的 聚 类 准 确 率 提 升 明 显。表2 各 聚 类 算 法 准 确 率 对 比目 标 距 离/m传 统 欧 氏聚 类 算 法(0.5 m)/%传 统 欧 氏聚 类 算 法(3.0 m)/%文
