[首發(fā)于智駕最前沿微信公眾號(hào)]提到激光雷達(dá)（LiDAR），很多人第一反應(yīng)是測(cè)距。確實(shí)，激光雷達(dá)最核心的功能是通過(guò)測(cè)量激光往返的時(shí)間來(lái)計(jì)算物體的空間深度。但在實(shí)際的工程應(yīng)用中，激光雷達(dá)返回的數(shù)據(jù)除了三維坐標(biāo)之外，還會(huì)包含反射強(qiáng)度的信息，而這個(gè)信息讓激光雷達(dá)具備了識(shí)別交通標(biāo)志、車(chē)道線(xiàn)甚至路面材質(zhì)的能力。

反射強(qiáng)度到底是什么信號(hào)？

激光雷達(dá)作為主動(dòng)探測(cè)的感知硬件，它向目標(biāo)物體發(fā)射一束特定波長(zhǎng)（通常是905納米或1550納米）的激光脈沖，當(dāng)激光撞擊到物體表面時(shí)，光子會(huì)發(fā)生散射，其中一部分光子會(huì)沿著原路返回被接收器捕捉。反射強(qiáng)度指的就是接收器收到的光功率與發(fā)射功率的比值。

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這個(gè)數(shù)值主要取決于物體表面的反射率。不同材質(zhì)對(duì)激光的吸收和反射效率差異巨大。柏油路面的反射率通常較低，大約只有10%左右；而白色的交通標(biāo)線(xiàn)或者淺色建筑墻面的反射率則要高得多。

激光雷達(dá)的內(nèi)部電路會(huì)對(duì)接收到的微弱光信號(hào)進(jìn)行放大，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)回波信號(hào)的振幅或能量積分，為每一個(gè)掃描點(diǎn)賦予一個(gè)強(qiáng)度值。這就意味著，激光雷達(dá)在描繪世界輪廓的同時(shí)，還順帶繪制了一幅紅外亮度圖。

為什么交通標(biāo)志在雷達(dá)眼里會(huì)發(fā)光？

如果我們觀察激光雷達(dá)生成的原始點(diǎn)云，會(huì)發(fā)現(xiàn)交通標(biāo)志在屏幕上會(huì)異常耀眼，亮度遠(yuǎn)超周?chē)臉?shù)木或電線(xiàn)桿。之所以出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象，是因?yàn)榻煌?biāo)志表面涂有的回歸反射材料的特殊涂層，這種材料內(nèi)部布滿(mǎn)了微小的玻璃微珠或微棱鏡結(jié)構(gòu)，它們能夠?qū)⑷肷涔饩€(xiàn)按原路反射回光源方向，而不是向四面八方漫反射。

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對(duì)于激光雷達(dá)這種自發(fā)光、自接收的傳感器來(lái)說(shuō)，這種特性讓你實(shí)現(xiàn)了看到交通標(biāo)識(shí)的能力。當(dāng)激光束掃過(guò)交通標(biāo)志時(shí)，絕大部分光能都被精準(zhǔn)地彈回了傳感器，導(dǎo)致該區(qū)域的反射強(qiáng)度數(shù)值出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。在算法看來(lái)，這就像是在一堆暗淡的背景中突然出現(xiàn)了一組極高對(duì)比度的像素簇。這種顯著的物理特征差異，使得系統(tǒng)可以非常輕松地通過(guò)設(shè)定強(qiáng)度閾值，將交通標(biāo)志從雜亂的環(huán)境點(diǎn)云中剝離出來(lái)。

計(jì)算機(jī)是如何把光點(diǎn)變成標(biāo)志的？

想讓激光雷達(dá)識(shí)別交通標(biāo)識(shí)，提取出高亮度的點(diǎn)云只是第一步。由于激光能量在空氣中傳播時(shí)會(huì)隨著距離增加而衰減，同樣的物體在10米處和50米處反饋的強(qiáng)度是完全不同的。在技術(shù)處理上，需要引入強(qiáng)度校準(zhǔn)算法。這一步涉及到光探測(cè)和測(cè)距的方程，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)測(cè)得的距離信息，利用平方反比定律（即反射強(qiáng)度與距離的平方成反比）對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，將不同距離的反射強(qiáng)度還原到同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺度上。

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完成校準(zhǔn)后，系統(tǒng)會(huì)對(duì)這些高強(qiáng)度的點(diǎn)進(jìn)行聚類(lèi)處理，把屬于同一個(gè)標(biāo)志牌的點(diǎn)打包成一個(gè)整體。因?yàn)榻煌?biāo)志的尺寸和形狀在交通法規(guī)中是有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)的，比如限速牌一定是圓形，警告牌通常是三角形，算法會(huì)分析這個(gè)點(diǎn)云簇的幾何特征。通過(guò)計(jì)算點(diǎn)云的長(zhǎng)寬比、平面度以及法向量，計(jì)算機(jī)可以初步判定這是否是一個(gè)合規(guī)的交通標(biāo)志。

進(jìn)一步的識(shí)別則依賴(lài)于模式匹配，雖然激光雷達(dá)的分辨率不如攝像頭，但在近距離下，它依然能通過(guò)反射強(qiáng)度的微小差異識(shí)別出標(biāo)志牌內(nèi)部的文字或圖案輪廓。如標(biāo)志牌底色和上面的黑色數(shù)字對(duì)激光的反射率不同，這種強(qiáng)度差足以在點(diǎn)云中形成清晰的語(yǔ)義信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)具體交通含義的理解。

這種感知方式有哪些局限性？

雖然反射強(qiáng)度可以讓激光雷達(dá)識(shí)別出交通標(biāo)識(shí)，但是識(shí)別交通標(biāo)識(shí)的準(zhǔn)確率及可靠性遠(yuǎn)不如攝像頭，環(huán)境干擾極易讓激光雷達(dá)識(shí)別交通標(biāo)識(shí)失效。當(dāng)路面有積水、被冰雪覆蓋，或者空氣中存在濃霧、強(qiáng)降雨時(shí)，激光脈沖在傳播路徑上會(huì)被大量吸收或折射。水膜的鏡面反射效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致回波信號(hào)無(wú)法原路返回，使得原本高亮的交通標(biāo)志在雷達(dá)眼中變得黯淡無(wú)光，甚至完全消失。

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此外，激光雷達(dá)的硬件特性也存在動(dòng)態(tài)范圍的限制。如果一個(gè)交通標(biāo)志距離傳感器太近，極強(qiáng)的反射光可能會(huì)導(dǎo)致接收器進(jìn)入飽和狀態(tài)，產(chǎn)生類(lèi)似于相機(jī)過(guò)曝的現(xiàn)象。這會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真，讓系統(tǒng)難以準(zhǔn)確提取標(biāo)志內(nèi)部的細(xì)節(jié)紋理。

正因如此，在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的架構(gòu)中，激光雷達(dá)的反射強(qiáng)度識(shí)別只是作為攝像頭的補(bǔ)充。攝像頭擅長(zhǎng)處理色彩和精細(xì)紋理，而激光雷達(dá)則提供絕對(duì)精確的空間位置和不受環(huán)境光照影響的材質(zhì)特征。兩者通過(guò)傳感器融合技術(shù)，在不同的天氣和光照條件下取長(zhǎng)補(bǔ)短，才能確保車(chē)輛在復(fù)雜的交通環(huán)境中始終保持敏銳的觀察力。

審核編輯 黃宇