何洋洋,郭天太,王英軍,孔 明

(中國計(jì)量學(xué)院 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

面結(jié)構(gòu)光的貨車側(cè)面防護(hù)裝置安裝尺寸的測(cè)量

何洋洋,郭天太,王英軍,孔 明

(中國計(jì)量學(xué)院 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

提出一種基于面結(jié)構(gòu)光的貨車側(cè)面防護(hù)裝置尺寸測(cè)量方法.即采用激光三角法原理,利用投影裝置產(chǎn)生條紋狀結(jié)構(gòu)光,投射到貨車側(cè)面,結(jié)構(gòu)光信息被視覺裝置采集后由計(jì)算機(jī)處理,計(jì)算機(jī)通過結(jié)構(gòu)光的條紋信息,實(shí)現(xiàn)貨車側(cè)面防護(hù)裝置及車輪的空間三維信息反演,從而實(shí)現(xiàn)貨車側(cè)面防護(hù)裝置尺寸測(cè)量.該方法避免了在普通機(jī)器視覺方法貨車側(cè)面防護(hù)裝置檢測(cè)中，由于車輪和防護(hù)裝置與視覺裝置的距離不同帶來的測(cè)量誤差.在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái),進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,采用本方法的貨車側(cè)面防護(hù)裝置尺寸測(cè)量誤差小于3 mm,而原有視覺方法測(cè)量精度為10 mm,可見本方法的測(cè)量精度遠(yuǎn)高于原有方法.

面結(jié)構(gòu)光;條紋狀結(jié)構(gòu)光;側(cè)面防護(hù)裝置;尺寸測(cè)量

貨車側(cè)面防護(hù)裝置是防止行人、騎電瓶車者被卷入貨車底部造成重大傷害的重要防護(hù)措施,根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn),防護(hù)裝置到貨車前/后車輪、車架及地面的距離應(yīng)小于300 mm、350 mm及550 mm.但是目前國內(nèi)對(duì)貨車側(cè)面防護(hù)裝置安裝尺寸的檢測(cè)方法主要是人工查驗(yàn),采用鋼卷尺或直尺進(jìn)行測(cè)量,來判斷是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)[1-2].國外主要是根據(jù)強(qiáng)度試驗(yàn)裝置對(duì)側(cè)面及后下部防護(hù)裝置進(jìn)行安裝尺寸和剛度的檢測(cè)[3].本課題組前期提出機(jī)器視覺方法,對(duì)經(jīng)過收費(fèi)站的所有貨車側(cè)面攝像,并采用圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)貨車側(cè)面防護(hù)裝置安裝位置的實(shí)時(shí)檢測(cè),提高了檢測(cè)效率,降低了人員工作強(qiáng)度.但是機(jī)器視覺方法檢測(cè)時(shí),由于貨車防護(hù)裝置、輪胎、車架并不位于同一平面上,存在一定的透視失真,因此測(cè)量誤差相對(duì)較大,為10 mm.因此,本文提出一種基于面結(jié)構(gòu)光的貨車側(cè)面防護(hù)裝置尺寸檢測(cè)方法,避免了由于車輛構(gòu)件空間深度的差異帶來的透視失真,從而提高了側(cè)面防護(hù)裝置的檢測(cè)精度.

1 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與測(cè)量原理

本實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)由面結(jié)構(gòu)光光源、CCD攝像機(jī)兩部分組成,其檢測(cè)原理見圖1.

圖1 結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量原理Figure 1 Structured light 3-D measuring principle

為了檢測(cè)車輛構(gòu)件的空間位置,系統(tǒng)采用條紋狀結(jié)構(gòu)光,條形光的投影位置與車輛構(gòu)件的三維空間位置相關(guān),通過結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量原理[4],實(shí)現(xiàn)車輛構(gòu)件位置的三維空間編碼;采用CCD攝像機(jī)采集信息,根據(jù)攝像機(jī)的小孔模型[5],CCD成像平面上的點(diǎn),與經(jīng)過該點(diǎn)及攝像機(jī)光學(xué)中心的空間直線相對(duì)應(yīng),結(jié)合編碼信號(hào)和空間直線可以直接反演出車輛構(gòu)件上所有點(diǎn)的空間信息,并經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理后,獲得貨車防護(hù)裝置的安裝位置信息.

為了提高檢測(cè)精度,必須在檢測(cè)前,對(duì)不同測(cè)量距離的結(jié)構(gòu)光編碼信息及攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定[6-7].CCD拍攝點(diǎn)的圖像坐標(biāo)(u,v)(pixels)與其三維空間坐標(biāo)(mm)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

s[uv1]T=AM[XwYwZw1]T.

(1)

式(1)中：s—比例系數(shù),A,M分別是攝像機(jī)標(biāo)定后的內(nèi)、外參數(shù).

通過式(1)可知,圖像上的每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)于三維坐標(biāo)系中一條直線.因此需要配合面結(jié)構(gòu)光光源的投影線平面,共同匹配出的點(diǎn)的三維坐標(biāo).采集的圖像解相后,根據(jù)CCD的絕對(duì)相位值可以求得面結(jié)構(gòu)光光源對(duì)應(yīng)的絕對(duì)相位值為

(2)

式(2)中:up—三維點(diǎn)在面結(jié)構(gòu)光光源上絕對(duì)相位值,φ—在CCD圖像上的絕對(duì)相位值,N—面結(jié)構(gòu)光的條紋周期數(shù),W—面結(jié)構(gòu)光在水平方向上的像素值.

被測(cè)物體上的P點(diǎn),對(duì)應(yīng)于光源坐標(biāo)系中的相位為up的直線.得到三維點(diǎn)在光源上的絕對(duì)相位值up后,根據(jù)式(1)圖像上像素坐標(biāo)與三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化關(guān)系,求得其對(duì)應(yīng)的線所在的投影平面.CCD上像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的一條空間直線和面結(jié)構(gòu)光光源上絕對(duì)相位對(duì)應(yīng)的投影線平面(圖1)的交點(diǎn)即為P點(diǎn)的三維坐標(biāo).根據(jù)式(1)可以得到空間直線和投影線平面的方程

(3)

式中:U1,U2—空間點(diǎn)在CCD像素平面和面結(jié)構(gòu)光像素平面上的坐標(biāo),A1,M1—攝像機(jī)標(biāo)定后的內(nèi)、外參數(shù),A2,M2—面結(jié)構(gòu)光標(biāo)定后的內(nèi)、外參數(shù),X是世界坐標(biāo).

實(shí)際檢測(cè)過程見圖2,當(dāng)貨車車頭進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域時(shí),超聲波探測(cè)器1的測(cè)距值明顯減小,發(fā)出脈沖,提醒控制器有貨車通過,控制器打開結(jié)構(gòu)光光源,并定時(shí)發(fā)送觸發(fā)信號(hào),控制CCD攝像機(jī)拍攝貨車側(cè)面圖像,并傳送給計(jì)算機(jī),由計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)并自動(dòng)識(shí)別貨車側(cè)面車輛構(gòu)件信息,實(shí)現(xiàn)貨車防護(hù)裝置安裝位置的檢測(cè).直至超聲波探測(cè)器2檢測(cè)到貨車車尾離開工作區(qū)域,此時(shí)檢測(cè)過程結(jié)束.當(dāng)下一輛車進(jìn)入工作區(qū)域時(shí),各儀器再次工作.

1—工作區(qū)域;2—超聲波探測(cè)器2;3—側(cè)面防護(hù)裝置;4—攝像機(jī);5—光源;6—超聲波探測(cè)器1圖2 測(cè)量結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2 Diagram of the measuring structure

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 結(jié)構(gòu)光空間編碼標(biāo)定

圖3 結(jié)構(gòu)光線條紋空間編碼Figure 3 Space coding of the structure light stripes

結(jié)構(gòu)光光源發(fā)出的各條結(jié)構(gòu)光信息,在不同距離時(shí),其位置及由深度信息引起的變化量不同,因此檢測(cè)前必須對(duì)每一條結(jié)構(gòu)光進(jìn)行標(biāo)定.標(biāo)定采用平板作為遮擋物,標(biāo)定時(shí)必須保證平面遮擋物與CCD攝像機(jī)成像面平行.根據(jù)車道和車輛的特性,確定深度的標(biāo)定范圍為800 mm～1 500 mm,取深度步長(zhǎng)為50 mm,在深度空間中移動(dòng)平面遮擋物,采集各個(gè)標(biāo)定深度的數(shù)字圖像,送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分類處理.圖3是不同距離處的結(jié)構(gòu)光線條紋空間編碼.

由圖3可以看出,平板在不同的空間位置,其線條紋結(jié)構(gòu)光的位置不同,離CCD攝像機(jī)近則條紋的u值大,離CCD攝像機(jī)遠(yuǎn)則條紋的u值小.根據(jù)條紋上點(diǎn)的u值就能直接確定該點(diǎn)的空間深度.

前五條條紋深度信息與相移量的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1.

表1 拍攝距離與相移量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

Table 1 Relationships between the shot distances and the phase-shift

距離/mm各條紋到相對(duì)參考邊界的相移量/Pixel012341500291500494561640145029350149656564514002985055015706531350306513509582668130031752452059768312503325395356177031200352559556641728115038158858567476111004356426397318191050514617721815905100061371782391910109507428479541048114290089610021104120112998501062116712701371146980012531369148215851696

根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)能擬合[8]出各線條紋空間深度和成像位置的曲線,圖4是第一條條紋空間深度與成像位置的曲線.

圖4 第一條條紋空間深度與成像位置的曲線Figure 4 Curve of the space depth and imaging position of the first stripe

2.2 貨車側(cè)面防護(hù)裝置檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文實(shí)驗(yàn)方法的可行性,對(duì)貨車側(cè)面防護(hù)裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè).實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(圖1)中CCD攝像機(jī)垂直于貨車側(cè)面所在平面,兩者之間的距離是1 200 mm,且CCD與X軸正向的夾角為90°;激光器光源距離貨車側(cè)面也是1 200 mm,且與X軸正向的夾角為150°.實(shí)驗(yàn)過程中,首先打開CCD和光源,再進(jìn)行拍攝靜止?fàn)顟B(tài)下的貨車側(cè)面,然后拍攝人工推動(dòng)下貨車側(cè)面的各個(gè)狀態(tài)信息、并重復(fù)推動(dòng)車輛進(jìn)行多次拍攝,最后整理各圖像信息、分類處理.采用上述實(shí)驗(yàn)方案獲得的側(cè)面圖像如圖5.

圖5 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖像Figure 5 Image of testing

對(duì)CCD攝像機(jī)采集的圖像進(jìn)行灰度閾值分割、邊緣檢測(cè)[9]、Hough變換[10]、特征提取等處理,獲得車輪、防護(hù)欄的準(zhǔn)確位置和邊緣信息,在這些邊緣點(diǎn)上尋找線結(jié)構(gòu)光編碼信息,通過線結(jié)構(gòu)光編碼信息,獲得這些邊緣點(diǎn)的空間深度數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)車輪及防護(hù)欄邊緣點(diǎn)三維坐標(biāo)的反演,表2為圖5中的A,B,C,D,E,F點(diǎn)的坐標(biāo),它們分別代表車輪接觸地面點(diǎn)、車輪最右側(cè)點(diǎn)、防護(hù)欄最左側(cè)點(diǎn)、防護(hù)裝置上部最高點(diǎn)、防護(hù)裝置下部最低點(diǎn)、車架構(gòu)件最低點(diǎn).

表2 目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)

Table 2 Three-dimensional coordinate of the objects mm

點(diǎn)XwYwZwA-456.45225.61-1231.49B-57.831.53-1230.51C445.79-98.70-1261.31D595.92-299.07-1222.99E516.35101.93-1222.98F395.15464.57-1199.43

通過表2中車輪及防護(hù)欄邊緣點(diǎn)的三維坐標(biāo),可以計(jì)算出防護(hù)裝置到貨車后車輪、地面及車架的距離Δx1,Δy1,Δy2.用白光三維掃描儀測(cè)得實(shí)際距離作為真值,進(jìn)行對(duì)比,其測(cè)量結(jié)果見表3.

表3 目標(biāo)物體之間的三維空間距離

從表3可以看出,本次測(cè)量尺寸的最大誤差為2.93.由于車輛通過車道的位置和角度是不同的,為了對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行模擬,同一被測(cè)貨車采用不同位置和角度通過測(cè)量位置,10次測(cè)量的結(jié)果如表4所示,根據(jù)表4可知,三個(gè)被測(cè)尺寸的測(cè)量數(shù)據(jù),其最大偏差為2.96,最小偏差為0.17,10次測(cè)量的平均測(cè)量偏差為1.73,標(biāo)準(zhǔn)差為0.73.

表4 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)及其誤差

Table 4 Repetitive experimental data and measurement errors mm

根據(jù)上面實(shí)驗(yàn)可以看出,本方法采用結(jié)構(gòu)光與CCD攝像機(jī)相結(jié)合的方法,避免了原有視覺方法測(cè)量過程中輪胎、防護(hù)裝置及車架構(gòu)件的深度不同帶來的透視失真,消除了理論誤差,因此測(cè)量精度大大提高,采用本方法貨車防護(hù)裝置安裝位置測(cè)量誤差小于3 mm,與本課題組前期提出機(jī)器視覺檢測(cè)方法的測(cè)量誤差(10 mm)相比[11],本方法測(cè)量誤差不到原方法30%,如對(duì)本方法中條紋的空間深度進(jìn)行細(xì)化標(biāo)定,并采用亞像素圖像處理算法,還可以進(jìn)一步提高測(cè)量精度.

3 結(jié) 語

本文提出的面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量原理實(shí)現(xiàn)了貨車側(cè)面防護(hù)裝置安裝尺寸的精確測(cè)量,從原理上避免了車身構(gòu)件的空間位置差異帶來的透視失真.

通過多次實(shí)車實(shí)驗(yàn),證明采用本方法進(jìn)行貨車側(cè)面防護(hù)裝置安裝尺寸測(cè)量時(shí),測(cè)量誤差小于3 mm,和原方法10 mm的測(cè)量誤差相比,測(cè)量精度明顯提高.

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Installing dimension measurement of side protective guards of trucks based on surface structure light

HE Yangyang, GUO Tiantai, WANG Yingjun, KONG Ming

(College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

A method to measure the size parameters of the protective guard at the side of trucks was proposed based on surface structure light and the laser triangulation principle.The light stripe structure was projected through a vision device, which was designed to project onto the sides of the truck. The structure light information was collected by the vision device and processed with computer to obtain the three-dimensional information of the truck side protective guard and the wheels. The size of the truck side protective guard could be measured based on the information. The experiment platform was built. The detection error of this method was less than 3 mm, which was superior to that of 10 mm of the original visual method. It suggusts that the new method has higher measurement accuracy.This method avoids the measurement error brought by the distance errors of the visual device to the protective device and the wheels.

surface structured light; light stripe structure; side protective guard; size measurement

1004-1540(2015)02-0161-05

10.3969/j.issn.1004-1540.2015.02.007

2014-12-01 《中國計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(No.201310116).

TP291

A