本公开一般地涉及距离(range)数据压缩。用于使用诸如在美国专利7,701,558和美国专利5,988,862中描述的那些激光成像、检测及测距(LIDAR)技术捕捉三维现实的扫描设备变得越来越普及并且常用。

所要求保护的主题不限于解决任何缺点或者仅在诸如上以上描述的那些环境下操作的实施方式。本背景技术仅被提供用于说明可以利用本公开的示例。
发明内容
本公开一般地涉及距离数据压缩。
在一些实施方式中，一种激光成像、检测及测距(LIDAR)系统可以包括扫描仪和压缩模块，压缩模块可以位于扫描仪上或者随后用于压缩扫描数据。扫描仪可以被配置为生成扫描，该扫描包括与该扫描的多个扫描点相关联的多个距离值。压缩模块可以被配置为将多个距离值映射至多个整数。多个整数可以表示多个间距(range interval)。多个间距可以包括多个大小不同的间距。间距的大小可以是根据间隔大小函数的距离的函数。
本发明内容以简化形式介绍以下在具体实施方式中进一步描述的概念的选择。本发明内容不旨在识别所要求保护的主题的关键特征或基本特性，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
将在以下说明书中阐述附加特征和优点，并且部分将从说明书变得明显或者可以通过实践学习。可以通过工具和随附权利要求特别指出的组合实现和获得所述特征和优点。这些和其它特征将从以下说明书和随附权利要求变得更加明显。
附图说明
图1是示例性陆地激光扫描仪的透视图。
图2是可以由图1的扫描仪展现的示例性不确定性行为的曲线图。
图3是示例性距离映射的图。
图4是距离等值间隔大小与距离值的示例性关系的曲线图。
图5是示例性距离压缩残差的图表。
图6是示例性恒定间隔大小rε选择曲线图。

一般来说，用于捕捉三维现实的扫描设备可以包括某种形式的激光扫描、检测及测距(LIDAR)，LIDAR生成一个或更多个目标表面的一个或更多个距离采样。所述LIDAR还可以生成与采样相关联的辅助数据，诸如，被描述为“主动颜色(active color)”的激光的返回强度和/或被描述为“被动颜色(passive color)”的采样表面的颜色的测量值。强度可以指来自激光的从表面返回的光，其可以包括多个不同波长。颜色可以指从表面被动返回的光，其可以如同高光谱和/或热成像一样，由一个或更多个不同的感兴趣波段组成。
LIDAR可以由激光扫描仪机械定位，以随着时间采样感兴趣的区域。LIDAR的机械定位被描述为扫描。定位处理可以确定LIDAR采样的来源和方向。与所述距离一起，来源和方向可以被用来生成基础坐标系统中的采样点。每个采样点与其辅助数据(诸如，返回强度和/和颜色)一起可以被描述为扫描点。扫描点的集合可以被描述为一扫描。所述扫描可以包括扫描线，每个扫描线都可以包括在单次机械运动或扫射期间收集的扫描点的集合。
存在机械定位的多个示例。在典型陆地测量LIDAR(诸如，莱卡扫描站C10)上，可以通过用垂直偏转器垂直地偏转LIDAR的视场并且水平地旋转垂直偏转器与LIDAR，来实现LIDAR的机械定位。这样，可以实现通常类似于球面的扫描视场。在诸如莱卡ALS70的一些空载LIDAR系统中，可以通过偏转器跨飞行路径使LIDAR偏转。偏转器和LIDAR可以安装到航空器上。类似地，在一些基于地面车辆的LIDAR系统中，当车辆沿着道路移动时，可以关于环境使LIDAR偏转。瞄准楔形棱镜扫描仪可以通过使激光束穿过两个圆楔形棱镜形成LIDAR视场，一个圆楔形棱镜以比第二个圆楔形棱镜慢得多的速度旋转，从而产生螺旋型LIDAR采样路径。
现在将对附图作出参考，其中，类似结构被提供有相同参考标号。附图是示例性实施方式的图形表示和示意性表示，并且从而不限制所要求的主题的范围，附图也不必按比例绘制。
图1是示例性陆地激光扫描仪100的透视图，该透视图包括扫描仪100的运动学行为的图形表示。扫描仪100可以被配置为通过使激光束绕实质上水平轴101快速地旋转，并且相对于激光束绕实质上水平轴101的旋转，使扫描仪100和/或激光器绕实质上垂直轴
103递增地和/或缓慢地旋转，跨三维现实机械地扫射激光束。激光束绕实质上水平轴101的角位置通常可以与激光束的仰角(elevation)102相关联。激光束绕实质上垂直轴103的角位置通常可以与激光束的方位角104相关联。
由LIDAR系统生成的距离采样可以被表示为实(例如，浮点)数。当在计算机或其它系统中被存储或另外表示时，该数具有与其格式相关联的数值精度。例如，对于表示1米的距离的单精度的符合IEEE的浮点数，下个较大的浮点数可以表示小于1微米的距离差。数的大多数计算机表示(诸如，单精度的符合IEEE的浮点)为仅一组有限数的集合，并且这些数的分布通常群集在0左右，具有0的多个表示。
然而，距离值的不确定性可能使得这样的分辨率等级毫无必要。扫描点距离值的不确定性可能是由噪声源的混合造成的，诸如，电子噪声、系统偏移、散粒噪声、时钟频率不确定性等。一些处理可能促成可以被认为不依赖距离值的不确定性(“不依赖距离的不确定性”)。不确定性的其它原因可能取决于距离值(“依赖距离的不确定性”)。例如，散粒噪声和时钟频率不确定性可能具有显著距离值依赖性。
图2是可以由LIDAR系统展现的示例性不确定性行为的曲线图150。图2中所示的不确定性可能与一个西格玛或一个标准偏差不确定性相关联。在这个和其它实施方式中，不确定性可能与多于一个标准偏差的不确定性相关联。曲线图150包括表示扫描点的距离值的轴156和表示不确定性的轴158。第一虚线可以表示不依赖距离的不确定性160。第二虚线可以表示依赖距离的不确定性162。第三虚线可以表示所观测的不确定性164。为了清楚起见，所观测的不确定性164与不依赖距离的不确定性160和依赖距离的不确定性162之间的相对差异可以被放大。
所观测的不确定性164行为可以展示恒定区域152。在一些实施方式中，跨不依赖距离的不确定性160相对高于依赖距离的不确定性162的距离值，可能近似出现恒定区域152。
所观测的不确定性164可以另外展示线性区域154。在一些实施方式中，在高于恒定区域中的那些距离值的距离值处，可能出现线性区域154。例如，跨依赖距离的不确定性160相对高于不依赖距离的不确定性的距离值，可能近似出现线性区域154。
在那些和其它实施方式中，所观测的不确定性164可以另外展示二次区域。在高于线性区域154中的那些距离值的距离值处，可能出现二次区域。另选地或另外地，在激光束大小大于目标和/或具有基于结构光和照相测量的数据(例如，三维捕捉的基于三角测量的系统)处，可能出现二次区域。
在这个和其它实施方式中，不确定性行为可以另外展示三次区域。在高于二次区域中的那些距离值的距离值处，可能出现三次区域。
再次参考图1，扫描仪100可以包括压缩模块106和/或数据存储器108。在一些实施方式中，
图3是示例性距离映射200的图。在一些实施方式中，距离映射200可以由图1的压缩模块106执行。距离映射200可以包括距离等值间隔202a-d(共同称为“距离等值间隔
202”)。距离等值间隔202还可以被描述为桶(bucket)。在一些示例中，距离等值间隔202具有为Rε的间距大小，其在此可以被描述为距离分辨率。在一些实施方式中，间距大小可以被选择为小于跨距离的最小距离不确定性。在一些实施方式中，间距大小可以是最小距离不确定性的一部分。
距离等值间隔202可以使用整数指示。扫描点204a-d(共同称为“扫描点204”)可以与距离等值间隔202中的特定一个距离等级间隔相关联。例如，扫描点204a-c可以与和整数N相关联的距离等值间隔202b相关联。扫描点204d可以与和整数N+1相关联的距离等值间隔202c相关联。由于距离值的不确定性，与相同间隔相关联的扫描点可以被认为具有相同距离，而不损失准确性。例如，扫描点204a-204c可以被认为具有相同距离，而不损失准确性。因此，可以在不损失准确性的情况下，写入扫描的距离数据。
一些传统LIDAR系统可以采用恒定间距大小。例如，对于所有距离值，间距大小都可以等于单个Rε。在这些传统LIDAR系统中，距离分辨率并且进而间距大小可以被选择为比在相对近距离处观测的距离不确定性小多倍。例如，Rε可以具有比所观测的最小距离不确定性小多倍的值。因此，例如，对于所有距离，都可以将距离数据写成表示恒定间距大小的整数，而不损失准确性。然而，当对与线性、二次、三次和其它非恒定不确定性模型相关联的距离数据进行编码时，使用恒定间距大小可能导致无效率。
在一些实施方式中，可以使用依赖距离的距离等值间隔。举例来说，当对与线性、二次、三次和其它非恒定不确定性模型相关联的数据编码时，依赖距离的距离等值间隔可能比恒定距离等值间隔相对更有效。间隔的大小通常可以与距离测量的不确定性的一部分匹配，使得当压缩距离数据时，不损失相关信息。
图4是距离等值间隔大小与距离值的示例性关系的曲线图400。曲线图400包括表示扫描点的距离值的轴408和表示距离等值间隔的间隔大小的轴410。在一些实施方式中，距离等值间隔可以被划分为具有升幂的模型的距离区域，诸如，恒定区域402、线性区域404和二次区域406。可以将每个区域的距离等值间隔按大小排列，以在不损失准确性的情况下，提供距离到整数的映射。在一些实施方式中，距离等值间隔的大小可以是根据间隔大小函数的距离的函数。曲线图400将距离等值间隔大小显示为相对于距离是连续的。然而，在一些实施方式中，所述间隔大小可能不是连续的。
使用具有依赖于距离的相关值的距离等值间隔的大小的距离等值间隔可以允许扫描数据的更有效压缩。例如，在一些实施方式中，使用具有依赖于距离的相关值的距离等值间隔的大小的距离等值间隔可以允许使用相对较大的距离等值间隔。因此，例如，所得到的扫描数据可以占据存储器(诸如，图1的存储器108)中的较少空间，而不损失准确性。而且，例如，所得到的扫描数据可以更容易传输。
在一些实施方式中，距离-整数映射在此可以通过在此描述的相应距离区域、整数区域和多项式的集合，被描述为间隔集。间隔集可以被表示为Ii，其中，i可以表示间隔集编号。在一些实施方式中，Ii通常可以表示为：
例如，在曲线图400中，I0可以描述用于恒定区域402的距离-整数映射，I1可以描述用于线性区域404的距离-整数映射，并且I2可以描述用于二次区域406的距离-整数映射。
在一些实施方式中，距离等值间隔的大小可以通过多项式方程被确定，其被表示为：
[p0p1...]i
其中，i可以表示对应于间隔集编号的多项式方程编号，p0可以表示多项式的第一项的系数，p1可以表示该多项式的第二项的系数，并且pn可以表示多项式的最后一项的系数。
距离区域可以被表示为：
[r0r1]i
其中，r0可以表示距离区域的始端距离值，r1可以表示距离区域的末端距离值，并且i可以表示对应于间隔集编号的距离区域编号。
整数区域可以表示为：
[n0n1]i
其中，n0可以表示整数区域的始端整数，n1可以表示整数区域的末端整数，并且i可以表示对应于间隔集编号的整数区域编号。
对于距离区域和整数区域，一端、两端或没有一端可以是开放的。
间隔集的集合可以无缝覆盖距离的范围。例如，对于[rmin rmax]中的每一个r，其中，rmin表示最小距离值，并且rmax表示最大距离值，在r落入相应距离区域[r0r1]内的情况下，可以仅存在一个i；另选地或另外地，对于[nmin nmax]中的每一个n，其中，nmin表示最小整数值，并且nmax表示最大整数值，在n落入相应整数区域[n0n1]的情况下，可以仅存在一个i。
在一些实施方式中，整个整数间隔可以是2的幂，并且可以是字节大小。例如，nmin可以等于0，和/或nmax可以等于216，224、232等。
关于整个距离间隔，rmin可以等于0。另选地或另外地，举例来说，对于诸如结构光系统的基于三角测量的系统，rmax可以被设置为几十米。对于陆地LIDAR系统，rmax可以被设置为几百米。对于空载LIDAR系统，rmax可以被设置为几千米。然而，整数和/或距离间隔可以被偏移和/或按比例缩放，花费很少的计算成本。
在一个示例性实施方式中，用于示例性陆地LIDAR系统的距离压缩可以包括恒定区域、线性区域、0米的rmin、400米的rmax、以及15米的阈值距离，其中，恒定区域与线性区域在阈值距离处相遇。
在该示例性实施方式中，恒定区域可以覆盖0与15米之间的距离值。对于恒定区域，恒定间隔大小可以是1毫米(mm)，其可以表示+/-0.5mm的残差。线性区域可以覆盖在15米与400米之间的距离值，并且间隔大小可以每15米的距离增加1mm。该参数集对应于[rmin
16
至rmax]中的距离到[0，2 ]中的整数的映射。因此，例如，通过比较，整数的距离可以跨16比特，如果使用恒定区域映射整个距离集，则所要求的整数的距离将跨19比特。
可选地，可以使恒定区域和线性区域的间隔大小在阈值距离处(例如，在15米的距离处)匹配。可以基于15米的阈值距离、1mm的恒定间隔大小、以及0至400米的间距，确定间隔集I0和I1以及nmax。例如，间隔大小和阈值距离可以促使使用64252个整数来映射间
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距。间隔集I1的nmax和n1可以被设置为等于2 (65，535)用于16比特距离表示，其可以是表示用于映射间距的整数的字节大小。16比特距离表示可以小于使用恒定间隔大小用于所有距离的传统系统中的距离表示。举例来说，在一些传统系统中，可以使用16比特距离表示来存储仅达到65.5米的距离。
在该示例性实施方式中，间隔集I0可以被表示为：