一種基于柵格投影的快速地面點(diǎn)云分割算法

鄒兵，陳鵬，劉登洪

(重慶市勘測院，重慶 401520)

1 引 言

近年來，自動(dòng)駕駛汽車環(huán)境感知技術(shù)備受關(guān)注，車端安裝激光雷達(dá)、相機(jī)、毫米波等傳感器可精準(zhǔn)感知障礙物，保障自動(dòng)駕駛汽車安全行駛[1]。激光雷達(dá)因其高精度、高采樣、測量距離遠(yuǎn)和范圍廣的特性被廣泛應(yīng)用于無人駕駛汽車的感知系統(tǒng)[2]中，同時(shí)激光雷達(dá)的工作環(huán)境不受光照影響，每幀數(shù)據(jù)可掃描到幾萬至幾十萬個(gè)點(diǎn)，可細(xì)致描述環(huán)境信息，相對相機(jī)傳感器優(yōu)勢顯著。當(dāng)激光雷達(dá)感知環(huán)境中障礙物時(shí)，也會觀測到冗余地面點(diǎn)，導(dǎo)致算法增加額外內(nèi)存消耗，影響自動(dòng)駕駛感知系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能，因此實(shí)現(xiàn)分割地面算法具有現(xiàn)實(shí)意義。

現(xiàn)有地面分割算法中，基于物理排序算法[3～6]將激光點(diǎn)云按照一定規(guī)則進(jìn)行線序化，通過遍歷相鄰點(diǎn)的局部幾何特征分割地面點(diǎn)，但此算法需設(shè)置相關(guān)參數(shù)區(qū)分幾何特征，因此在復(fù)雜場景進(jìn)行地面分割時(shí)會出現(xiàn)過分割和欠分割，同時(shí)激光雷達(dá)的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)靈活多變，無法提供統(tǒng)一的規(guī)則有序化點(diǎn)云，因此基于物理排序算法應(yīng)用受限?；跂鸥裢队八惴o須有序組織點(diǎn)云，將三維點(diǎn)云投影至二維空間，將柵格平均高度[7]、高度差[8，9]等作為地面分割評價(jià)指標(biāo)，該算法計(jì)算簡單，能夠滿足自動(dòng)駕駛汽車實(shí)時(shí)性能需求，但是僅僅只將柵格平均高度或者高度差作為分割指標(biāo)，柵格內(nèi)地面點(diǎn)也會被誤提取為障礙物點(diǎn)，導(dǎo)致過分割問題?；谀Ｐ蛿M合[10，11]算法認(rèn)為地面點(diǎn)可擬合成平面，結(jié)合RANSAC算法求解平面擬合參數(shù)，最后采用點(diǎn)到擬合平面距離為分割指標(biāo)提取地面點(diǎn)，該算法對距離閾值十分敏感，距離閾值設(shè)置不合理會導(dǎo)致過分割和欠分割，同時(shí)在復(fù)雜城市環(huán)境中，掃描視野中往往存在地面起伏，只擬合一組平面參數(shù)不能完整提取地面點(diǎn)?；谏疃葘W(xué)習(xí)算法[12，13]通過點(diǎn)云深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)地面點(diǎn)屬性特征，測試數(shù)據(jù)與訓(xùn)練數(shù)據(jù)相似時(shí)，可以達(dá)到良好的地面分割效果，需要大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)提高其泛化能力，同時(shí)對于不同型號激光雷達(dá)，算法可移植性差且在嵌入式平臺很難達(dá)到實(shí)時(shí)效果。

鑒于上述算法應(yīng)用的局限性，同時(shí)顧及自動(dòng)駕駛汽車實(shí)時(shí)性能需求，本文基于柵格投影算法的思想，引入柵格單元高度方差信息，提出一種基于柵格投影的快速地面點(diǎn)云分割算法。首先將原始點(diǎn)云進(jìn)行柵格化處理，然后計(jì)算柵格單元的高度差和平均高度，同時(shí)在柵格單元引入點(diǎn)云高度方差信息實(shí)現(xiàn)地面點(diǎn)云快速分割。該算法可降低對參數(shù)的敏感性，能夠?qū)崿F(xiàn)地面點(diǎn)云快速分割，因其結(jié)構(gòu)簡單，可極大提升算法實(shí)時(shí)性能。

2 基于柵格投影的快速地面點(diǎn)云分割算法

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)柵格化

如圖1所示為激光雷達(dá)坐標(biāo)系下柵格化處理的平面幾何模型，其中Rmax為激光雷達(dá)最大探測距離，dx，dy分別為柵格單元的長和寬，激光雷達(dá)掃描點(diǎn)P可根據(jù)其坐標(biāo)(xp，yp，zp)分配至柵格(row，col)中，(row，col)的計(jì)算公式如下：

(1)

式中，floor(·)為向下取整函數(shù)。原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過柵格化處理，每個(gè)點(diǎn)都會唯一對應(yīng)一個(gè)柵格序號，最終將激光點(diǎn)云全部存儲在柵格矩陣中。

圖1 激光雷達(dá)坐標(biāo)系下柵格化處理的平面幾何模型

2.2 地面點(diǎn)云分割算法

經(jīng)過點(diǎn)云數(shù)據(jù)柵格化操作，可通過計(jì)算柵格單元的幾何特征信息提取包含地面點(diǎn)云的柵格。傳統(tǒng)基于柵格投影的地面分割算法，通過計(jì)算柵格單元的平均高度或柵格高度差實(shí)現(xiàn)地面點(diǎn)云分割，然而平均高度的評價(jià)指標(biāo)嚴(yán)重依賴激光傳感器安裝高度等參數(shù)，且在起伏路面場景會有欠分割現(xiàn)象，同時(shí)高度差的評價(jià)指標(biāo)抵抗粗差能力較弱，且對被遮擋的物體存在過分割現(xiàn)象。為了解決基于柵格投影算法中計(jì)算平均高度或高度差存在的問題，本文引入柵格單元點(diǎn)云高度的方差信息，實(shí)現(xiàn)地面點(diǎn)云的快速分割，減輕算法對經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的依賴。算法主要計(jì)算柵格單元平均高度、高度差和高度方差，具體流程如下。

(1)計(jì)算柵格單元ceil(i，j)平均高度：

(2)

式中(i，j)表示柵格單元ceil(i，j)的行號和列號，size(·)表示求柵格單元存儲點(diǎn)云的數(shù)量，k為柵格單元ceil(i，j)中的點(diǎn)，zk表示k點(diǎn)的z值。對于一般平坦地面場景，非地面點(diǎn)云柵格單元平均高度一般較大。

(2)計(jì)算柵格單元ceil(i，j)的高度差：

Zdiff(i，j)=zmax-zmin

(3)

式中，zmax和zmin分別為柵格單元ceil(i，j)的高度的最大值和最小值，為了抵抗點(diǎn)云噪聲影響，本文選取次最大值和次最小值運(yùn)算。對于一般平坦地面場景，非地面點(diǎn)云柵格單元高度差一般較大。

(3)計(jì)算柵格單元ceil(i，j)高度方差：

(4)

柵格單元的高度方差信息可以較好地反映柵格點(diǎn)云的高度分布。一般情況下，對于地面點(diǎn)云柵格，其柵格單元的高度方差應(yīng)較小，對于非地面點(diǎn)云柵格，其方差信息較大。

綜合以上三個(gè)柵格單元屬性，分別設(shè)置平均高度、高度差和高度方差閾值來分割地面點(diǎn)云，因分割指標(biāo)全面，對于三個(gè)分割指標(biāo)不用嚴(yán)格設(shè)置閾值，即可實(shí)現(xiàn)良好的分割效果，因此降低了算法對參數(shù)的依賴。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文算法采用C++實(shí)現(xiàn)，所用電腦配置為4核CPU處理器。本文將采用KITTI開源數(shù)據(jù)集[14]和實(shí)測數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證本文算法的有效性和可行性，其中KITTI數(shù)據(jù)驗(yàn)證數(shù)據(jù)為平坦路面場景，實(shí)測數(shù)據(jù)為起伏地面場景。為避免柵格單元過大導(dǎo)致欠分割，本文算法實(shí)現(xiàn)過程中，設(shè)置柵格單元的長和寬均為 0.1 m，高度差閾值為 0.10 m，高度方差閾值 0.40 m2。

3.1 KITTI開源數(shù)據(jù)集實(shí)驗(yàn)

KITTI數(shù)據(jù)集中采用64線激光雷達(dá)采集激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采集場景為平坦地面場景，激光雷達(dá)安裝高度 1.73 m，每幀數(shù)據(jù)約有12萬個(gè)點(diǎn)，極大考驗(yàn)算法效率，本文算法的地面分割效果如圖2所示。

圖2 本文算法分割效果(紅色為地面點(diǎn)云，綠色為非地面點(diǎn)云)

從圖2可看出，本文算法在地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)交接處分割效果很好，對于車輛、墻面和桿狀物等分割完整。為進(jìn)一步驗(yàn)證本文算法的有效性，結(jié)合基于物理排序[3]和基于平面模型擬合[10]的方法進(jìn)行對比，其分割效果分別如圖3和圖4所示。

圖3 文獻(xiàn)[3]分割效果(紅色為地面點(diǎn)云，綠色為非地面點(diǎn)云)

圖4 文獻(xiàn)[10]分割效果(紅色為地面點(diǎn)云，綠色為非地面點(diǎn)云)

從圖3(a)和圖4(a)全局分割效果可以看出，兩種算法都可以實(shí)現(xiàn)地面點(diǎn)云分割，但是從圖3(b)和圖4(b)局部放大效果可以看出，藍(lán)色圓圈表明兩種算法都出現(xiàn)了不同程度的過分割或者欠分割，文獻(xiàn)[3]基于物理排序的算法對相鄰線束點(diǎn)的幾何閾值過于嚴(yán)苛，導(dǎo)致地面分割不徹底，然而文獻(xiàn)[10]基于平面模型擬合的算法，因需要設(shè)置點(diǎn)到平面的距離閾值參數(shù)，導(dǎo)致在地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)交接處分割效果不理想，將非地面點(diǎn)云判定為地面點(diǎn)，導(dǎo)致過分割。

綜合上述，可定性分析出本文分割算法分割效果理想，對于地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)交接處實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的分割效果，同時(shí)通過與文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[10]的分割效果對比，驗(yàn)證了本文算法的有效性。

3.2 自采數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)

為了凸顯柵格投影的優(yōu)勢，實(shí)測數(shù)據(jù)為某公司生產(chǎn)的固態(tài)激光雷達(dá)采集的無序點(diǎn)云，無法將其序列化，因此文獻(xiàn)[3]的方法不再適用。采集場景為起伏地面場景，激光雷達(dá)安裝高度 0.85 m，本文算法的地面分割效果如圖5所示。

圖5 本文算法分割效果(紅色為地面點(diǎn)云，綠色為非地面點(diǎn)云)

從圖5可以看出，本文算法分割效果很好，在地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)交接處，行人和草木分割完整，同時(shí)與文獻(xiàn)[10]基于平面模型的方法進(jìn)行對比分析，其分割效果如圖6所示。

圖6 文獻(xiàn)[10]分割效果(紅色為地面點(diǎn)云，綠色為非地面點(diǎn)云)

從圖6可以看出，文獻(xiàn)[10]基于平面模型擬合的方法，在起伏地面場景中分割效果不理想，因其只擬合一套平面參數(shù)，導(dǎo)致起伏路面點(diǎn)云欠分割。同時(shí)對于場景中的草木和行人，因其設(shè)置點(diǎn)到平面距離閾值不合理，導(dǎo)致地面和非地面交接處，草木和行人出現(xiàn)欠分割現(xiàn)象。

綜合上述，可定性分析出本文算法的分割效果良好，對于無序點(diǎn)云，本文算法仍可以保持良好的分割效果，然而文獻(xiàn)[3]基于物理排序的方法不再適用，同時(shí)文獻(xiàn)[10]基于平面擬合的算法分割效果不理想，進(jìn)一步表明本文算法的有效性。

3.3 精度評估

為定量評估各算法性能，驗(yàn)證本文算法的可行性，本文采用文獻(xiàn)[15]中的靈敏度(RTP)和特異度(RFP)指標(biāo)進(jìn)行定量評估，具體計(jì)算公式如下：

(5)

式中，TP為地面點(diǎn)正確分割的數(shù)量，F(xiàn)P為地面點(diǎn)誤分割的數(shù)量，F(xiàn)N為非地面點(diǎn)正確分割的數(shù)量，TN為非地面點(diǎn)誤分割的數(shù)量。從式(5)可知，RTP越大，地面點(diǎn)被正確分割為地面點(diǎn)的比例越高，分割效果越好；RFP越大，非地面點(diǎn)被錯(cuò)誤分割為地面點(diǎn)的比例越高，分割效果越差。分別采用KITTI數(shù)據(jù)集和實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行地面分割，將獲得的定量評估指標(biāo)列于表1。

不同算法在不同場景下的定量評估結(jié)果 表1

由表1的靈敏度和特異度比較可知，對于KITTI數(shù)據(jù)集中平坦路面場景，本文算法和文獻(xiàn)[3]算法分割效果較好，本文靈敏度達(dá)到98.89%，但是對于文獻(xiàn)[10]基于平面模型擬合的算法中，由于設(shè)置平面距離參數(shù)不當(dāng)，導(dǎo)致在地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)交接處過分割，效果最差。對于實(shí)測數(shù)據(jù)中的起伏路面場景，激光點(diǎn)云為無序點(diǎn)云，本文算法和文獻(xiàn)[10]方法依然適用，但是此時(shí)文獻(xiàn)[10]只擬合一套平面參數(shù)無法完整分割地面點(diǎn)，因此其分割效果不理想，存在大量地面點(diǎn)云欠分割，而且由于設(shè)定的平面距離閾值參數(shù)的不合理，存在草木、行人與地面交接處的點(diǎn)云被錯(cuò)誤分割，表明其算法十分依賴經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，場景應(yīng)用受限，然而本文算法依然能夠保持良好的分割效果，靈敏度指標(biāo)達(dá)到99.31%，原因在于本文算法分割點(diǎn)云指標(biāo)全面，綜合柵格單元的平均高度、高度差和高度方差信息作為分割指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了地面點(diǎn)云準(zhǔn)確分割，應(yīng)用場景更廣。同時(shí)本文算法結(jié)構(gòu)簡單，因此算法運(yùn)行最快，對于KITTI每幀12萬個(gè)點(diǎn)依然能夠保持約 49 Hz結(jié)果輸出；對于實(shí)測數(shù)據(jù)，處理一幀約9萬個(gè)點(diǎn)僅耗時(shí) 5.784 5 ms，滿足自動(dòng)駕駛汽車實(shí)時(shí)性需求。

綜上分析，本文算法在精度和效率上較文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[10]都具備優(yōu)勢，在地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)交接處實(shí)現(xiàn)了良好的分割效果，再次驗(yàn)證了本文算法的有效性和可行性。

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于柵格投影的快速地面分割算法。綜合柵格單元平均高度、高度差和高度方差信息作為分割指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了地面點(diǎn)云的準(zhǔn)確分割，同時(shí)本文算法結(jié)構(gòu)簡單，算法實(shí)時(shí)性能高。采用KITTI數(shù)據(jù)集中的平坦路面和實(shí)測數(shù)據(jù)中的起伏路面場景進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，與文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[10]的方法對比測試，驗(yàn)證了本文算法在精度和效率上的優(yōu)勢，能夠有效快速地分割地面點(diǎn)云，同時(shí)本文算法對于無序點(diǎn)云依然適用，應(yīng)用范圍更廣。