自動駕駛激光雷達能看到交通標識嗎？

[首發于智駕最前沿微信公眾號]提到激光雷達（LiDAR），很多人第一反應是測距。確實，激光雷達最核心的功能是通過測量激光往返的時間來計算物體的空間深度。但在實際的工程應用中，激光雷達返回的數據除了三維坐標之外，還會包含反射強度的信息，而這個信息讓激光雷達具備了識別交通標志、車道線甚至路面材質的能力。

反射強度到底是什么信號？

激光雷達作為主動探測的感知硬件，它向目標物體發射一束特定波長（通常是905納米或1550納米）的激光脈沖，當激光撞擊到物體表面時，光子會發生散射，其中一部分光子會沿著原路返回被接收器捕捉。反射強度指的就是接收器收到的光功率與發射功率的比值。

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這個數值主要取決于物體表面的反射率。不同材質對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；而白色的交通標線或者淺色建筑墻面的反射率則要高得多。

激光雷達的內部電路會對接收到的微弱光信號進行放大，并將其轉換為數字信號。系統會根據回波信號的振幅或能量積分，為每一個掃描點賦予一個強度值。這就意味著，激光雷達在描繪世界輪廓的同時，還順帶繪制了一幅紅外亮度圖。

為什么交通標志在雷達眼里會發光？

如果我們觀察激光雷達生成的原始點云，會發現交通標志在屏幕上會異常耀眼，亮度遠超周圍的樹木或電線桿。之所以出現這個現象，是因為交通標志表面涂有的回歸反射材料的特殊涂層，這種材料內部布滿了微小的玻璃微珠或微棱鏡結構，它們能夠將入射光線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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對于激光雷達這種自發光、自接收的傳感器來說，這種特性讓你實現了看到交通標識的能力。當激光束掃過交通標志時，絕大部分光能都被精準地彈回了傳感器，導致該區域的反射強度數值出現爆發式增長。在算法看來，這就像是在一堆暗淡的背景中突然出現了一組極高對比度的像素簇。這種顯著的物理特征差異，使得系統可以非常輕松地通過設定強度閾值，將交通標志從雜亂的環境點云中剝離出來。

計算機是如何把光點變成標志的？

想讓激光雷達識別交通標識，提取出高亮度的點云只是第一步。由于激光能量在空氣中傳播時會隨著距離增加而衰減，同樣的物體在10米處和50米處反饋的強度是完全不同的。在技術處理上，需要引入強度校準算法。這一步涉及到光探測和測距的方程，系統會根據測得的距離信息，利用平方反比定律（即反射強度與距離的平方成反比）對原始數據進行補償，將不同距離的反射強度還原到同一個標準尺度上。

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完成校準后，系統會對這些高強度的點進行聚類處理，把屬于同一個標志牌的點打包成一個整體。因為交通標志的尺寸和形狀在交通法規中是有嚴格標準的，比如限速牌一定是圓形，警告牌通常是三角形，算法會分析這個點云簇的幾何特征。通過計算點云的長寬比、平面度以及法向量，計算機可以初步判定這是否是一個合規的交通標志。

進一步的識別則依賴于模式匹配，雖然激光雷達的分辨率不如攝像頭，但在近距離下，它依然能通過反射強度的微小差異識別出標志牌內部的文字或圖案輪廓。如標志牌底色和上面的黑色數字對激光的反射率不同，這種強度差足以在點云中形成清晰的語義信息，從而實現對具體交通含義的理解。

這種感知方式有哪些局限性？

雖然反射強度可以讓激光雷達識別出交通標識，但是識別交通標識的準確率及可靠性遠不如攝像頭，環境干擾極易讓激光雷達識別交通標識失效。當路面有積水、被冰雪覆蓋，或者空氣中存在濃霧、強降雨時，激光脈沖在傳播路徑上會被大量吸收或折射。水膜的鏡面反射效應會導致回波信號無法原路返回，使得原本高亮的交通標志在雷達眼中變得黯淡無光，甚至完全消失。

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此外，激光雷達的硬件特性也存在動態范圍的限制。如果一個交通標志距離傳感器太近，極強的反射光可能會導致接收器進入飽和狀態，產生類似于相機過曝的現象。這會導致信號失真，讓系統難以準確提取標志內部的細節紋理。

正因如此，在自動駕駛系統的架構中，激光雷達的反射強度識別只是作為攝像頭的補充。攝像頭擅長處理色彩和精細紋理，而激光雷達則提供絕對精確的空間位置和不受環境光照影響的材質特征。兩者通過傳感器融合技術，在不同的天氣和光照條件下取長補短，才能確保車輛在復雜的交通環境中始終保持敏銳的觀察力。