激光圖像處理是結(jié)合激光技術(shù)與圖像處理算法的交叉學(xué)科，核心是對 “激光作為光源或探測手段獲取的圖像信息” 進(jìn)行采集、分析、處理和應(yīng)用。與傳統(tǒng)光學(xué)圖像處理（依賴自然光或普通人工光源）不同，激光圖像處理依托激光的高方向性、高單色性、高能量等特性，能獲取具有特殊信息（如深度、三維結(jié)構(gòu)、微觀細(xì)節(jié)）的圖像，并通過算法提取有效數(shù)據(jù)，廣泛應(yīng)用于三維感知、精密檢測、遙感測繪等場景。

一、核心概念

激光圖像處理的本質(zhì)是對激光與物體交互產(chǎn)生的圖像信號進(jìn)行加工。激光作為主動光源（或探測載體），可通過發(fā)射、反射、散射等過程獲取物體的幾何結(jié)構(gòu)、物理屬性（如粗糙度、成分）或環(huán)境信息（如距離、速度），形成的圖像形式包括：

• 二維灰度 / 彩色圖像（如激光掃描成像的物體表面紋理）；

• 三維點(diǎn)云（如激光雷達(dá) LiDAR 獲取的空間坐標(biāo)集合）；

• 全息圖像（記錄物體相位和振幅信息的干涉圖像）；

• 光譜圖像（激光光譜分析得到的物體成分分布圖像）。

通過圖像處理算法（如降噪、分割、三維重建），可將這些原始信號轉(zhuǎn)化為可解讀的信息（如目標(biāo)輪廓、缺陷位置、地形模型）。

二、技術(shù)原理

激光圖像處理的流程可分為 “激光圖像獲取” 和 “圖像處理與分析” 兩大階段，具體如下：

1. 激光圖像獲?。ê诵氖羌す獬上窦夹g(shù)）

激光成像通過主動發(fā)射激光束照射目標(biāo)，利用接收裝置（如光電探測器、相機(jī)）捕獲激光與物體交互后的信號（反射、散射、透射等），轉(zhuǎn)化為圖像數(shù)據(jù)。常見成像方式包括：

• 激光雷達(dá)（LiDAR）成像
  通過發(fā)射脈沖激光或連續(xù)波激光，測量激光往返目標(biāo)的時間（TOF，飛行時間）或相位差，計算目標(biāo)與傳感器的距離，結(jié)合掃描角度生成三維點(diǎn)云圖像（每個點(diǎn)包含空間坐標(biāo) (x,y,z)）。例如，自動駕駛汽車的 LiDAR 每秒發(fā)射數(shù)百萬激光脈沖，構(gòu)建周圍環(huán)境的三維點(diǎn)云。

• 激光掃描成像
  利用振鏡或旋轉(zhuǎn)鏡控制激光束逐點(diǎn) / 逐線掃描物體表面，接收反射光的強(qiáng)度信號，轉(zhuǎn)化為二維灰度圖像（亮度反映物體表面反射率差異）。因激光方向性強(qiáng)，可在低光照或煙霧環(huán)境下生成高對比度圖像（如工業(yè)檢測中的暗場缺陷成像）。

• 激光全息成像
  將激光分為物光（照射物體后反射）和參考光（直接傳播），兩束光干涉形成全息圖（記錄物體的振幅和相位信息），通過激光照射全息圖可重建物體的三維立體圖像。特點(diǎn)是無需透鏡，能還原物體的深度和細(xì)節(jié)。

• 激光共聚焦成像
  用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，通過激光聚焦于樣本某一層面，利用針孔濾鏡過濾非焦點(diǎn)散射光，僅采集焦點(diǎn)處的信號，逐層掃描后重建高分辨率三維生物圖像（如細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)）。

2. 圖像處理與分析（核心是算法加工）

針對激光獲取的圖像（點(diǎn)云、灰度圖、全息圖等），通過算法提取有效信息，典型步驟包括：

• 預(yù)處理：去除噪聲（如激光脈沖干擾導(dǎo)致的點(diǎn)云 “飛點(diǎn)”）、校正畸變（激光掃描角度誤差修正）、數(shù)據(jù)配準(zhǔn)（多視角點(diǎn)云拼接）；

• 特征提取：識別圖像中的關(guān)鍵信息（如點(diǎn)云中的邊緣、平面，灰度圖中的缺陷輪廓，全息圖中的物體輪廓）；

• 高級分析：三維重建（將點(diǎn)云轉(zhuǎn)化為三維模型）、目標(biāo)識別（從激光圖像中識別車輛、行人、缺陷等）、參數(shù)計算（如物體尺寸、距離、表面粗糙度）。

三、關(guān)鍵技術(shù)與特點(diǎn)（對比傳統(tǒng)光學(xué)圖像處理）

激光圖像處理的獨(dú)特性源于激光的物理特性，與傳統(tǒng)光學(xué)圖像處理（如可見光相機(jī)圖像）的核心差異如下：

四、典型應(yīng)用場景

激光圖像處理憑借 “三維感知、高分辨率、抗干擾” 的優(yōu)勢，在多個領(lǐng)域發(fā)揮核心作用：

1. 自動駕駛與機(jī)器人導(dǎo)航

• 激光雷達(dá)（LiDAR）獲取的點(diǎn)云圖像經(jīng)處理后，可識別道路邊界、行人、車輛等目標(biāo)，計算障礙物距離和速度，為自動駕駛提供環(huán)境感知數(shù)據(jù)（如特斯拉、Waymo 的自動駕駛系統(tǒng)均依賴激光點(diǎn)云處理）。

2. 工業(yè)精密檢測

• 激光掃描成像用于檢測機(jī)械零件的表面缺陷（如劃痕、凹陷），通過圖像處理計算缺陷尺寸和位置；

• 激光全息成像可非接觸檢測透明材料（如玻璃、塑料）內(nèi)部的氣泡或應(yīng)力分布。

3. 醫(yī)療與生物成像

• 激光共聚焦顯微鏡獲取的生物組織圖像經(jīng)處理后，可重建細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)，用于癌癥早期診斷（如觀察細(xì)胞形態(tài)變化）；

• 激光多普勒血流成像通過處理激光散射信號，生成皮膚或腦組織的血流分布圖像，輔助中風(fēng)診斷。

4. 遙感與測繪

• 機(jī)載 / 星載激光雷達(dá)（如 ICESat-2 衛(wèi)星）獲取的地表點(diǎn)云經(jīng)處理后，可生成高精度數(shù)字高程模型（DEM），用于地形測繪、冰川變化監(jiān)測、城市三維建模（如谷歌地球的三維城市模型）。

5. 安防與夜視

• 激光夜視攝像機(jī)在夜間發(fā)射近紅外激光，接收反射光形成圖像，經(jīng)處理后可在全黑環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高清監(jiān)控，識別遠(yuǎn)距離目標(biāo)（如邊境安防、海上救援）。