摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)四輪定位儀精度不高、操作復(fù)雜的問題，設(shè)計(jì)了一套基于圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺的車輛四輪定位儀，給出了該儀器基于2D平面靶標(biāo)的攝像機(jī)定標(biāo)方法及攝像頭拍攝連續(xù)圖像的處理方法。最后分析了該車輛四輪定位儀的工作過程及工作原理，并與手工測量的車輛四輪定位參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺的車輛四輪定位儀的設(shè)計(jì)理論和方法都是正確的。

關(guān)鍵詞： 計(jì)算機(jī)視覺； 攝像機(jī)定標(biāo)； 圖像處理； 四輪定位

中圖分類號(hào)： TN911.73?34； TG202 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）19?0042?05

Abstract： To overcome the low accuracy and complex operation of the traditional four?wheel aligner， a vehicle four?wheel aligner based on image processing and computer vision was designed. The instrument′s camera calibration method based on 2D plane target and processing method of the continuous images taken by the camera are given. The working process and principle of the designed vehicle four?wheel aligner are analyzed. The contrast experiment for the vehicle four?wheel aligning parameters measured by the aligner and manual operation was performed. The experimental results show that the design theory and method of the vehicle four?wheel aligner based on image processing and computer vision are correct.

Keywords： computer vision； camera calibration； image processing； four?wheel alignment

0 引 言

隨著汽車行駛速度的加快，影響車輛安全性的車輪定位參數(shù)就越發(fā)的重要。當(dāng)車軸、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和車架發(fā)生磨損和變形[1]后，車輪定位將會(huì)失準(zhǔn)從而影響車輛的安全性。但現(xiàn)有的四輪定位儀精度不高、操作復(fù)雜，嚴(yán)重的影響了車輪定位調(diào)校的效率[2?4]。

針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)了一套基于圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺的車輛四輪定位儀。給出了該儀器基于2D平面靶標(biāo)的攝像機(jī)定標(biāo)方法及攝像頭拍攝連續(xù)圖像的處理方法，并分析了該四輪定位儀的工作原理，最后通過實(shí)驗(yàn)證明了該儀器設(shè)計(jì)理論和測量方法的正確性。

1 基于2D平面靶標(biāo)的攝像機(jī)定標(biāo)

1.1 圖像坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系

攝像機(jī)拍攝的圖像采用標(biāo)準(zhǔn)電視信號(hào)的形式存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中，然后計(jì)算機(jī)使用數(shù)模板轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像。在圖1所示的直角坐標(biāo)系[（u，v）]中，各像素的坐標(biāo)[（u，v）]表示該像素在整個(gè)數(shù)組中的列數(shù)編碼和行數(shù)編碼。但并沒有物理單位能夠表示出該像素在整幅圖像中的具體位置，所以還需創(chuàng)建以物理單位為刻度的圖像坐標(biāo)系。圖像坐標(biāo)系以圖像內(nèi)一點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，其中[x]軸 與[u]軸平行，[y]軸與[v]軸平行，具體如圖1所示，[（u，v）]表示以像素作為單位的圖像坐標(biāo)系，[（x，y）]表示以物理單位毫米作為單位的圖像坐標(biāo)系，兩個(gè)坐標(biāo)系均為圖像坐標(biāo)系，但所采用的坐標(biāo)單位不同。

攝像機(jī)的光心為[O]點(diǎn)，攝像機(jī)的光軸為[zc]軸，垂直于圖像平面，[xc]軸與圖像坐標(biāo)系的[x]軸平行，[yc]軸與圖像坐標(biāo)系的[y]軸平行。圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)為圖像平面和光軸的交點(diǎn)，[xc]軸，[yc]軸和[zc]軸與點(diǎn)[O]組成的坐標(biāo)系即為攝像機(jī)坐標(biāo)系，[OO1]即為攝像機(jī)焦距。

1.2 基于2D平面靶標(biāo)的攝像機(jī)定標(biāo)

由于3D立體靶標(biāo)加工精度受到一定的限制且制作成本較高，此處采用2D平面靶進(jìn)行攝像機(jī)定標(biāo)[5]。在定標(biāo)過程中，攝像機(jī)以多于兩個(gè)方位對(duì)同一個(gè)平面靶標(biāo)進(jìn)行拍攝，平面靶標(biāo)和攝像機(jī)均能夠自由移動(dòng)且無需知曉其運(yùn)動(dòng)參數(shù)。在定標(biāo)過程中，攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)始終為定常數(shù)，僅外部參數(shù)發(fā)生變化。

2 圖像處理

為了降低圖像的噪聲干擾，靶盤為黑底，上面有若干個(gè)白色圓斑，并以圓心作為特征點(diǎn)，為了取得特征點(diǎn)（白色橢圓中心）的二維圖像坐標(biāo)，首先進(jìn)行圖像閾值分割，然后完成邊緣檢測，最后尋找特征點(diǎn)坐標(biāo)[6]。四輪定位系統(tǒng)工作中拍攝的靶盤圖像如圖3所示。

2.1 圖像閾值分割和邊緣檢測

根據(jù)實(shí)際觀測，將閾值設(shè)置為150，則閾值分割處理后的結(jié)果如圖4所示。

2.2 Hough變換求取橢圓參數(shù)

對(duì)于平面上的任意橢圓，設(shè)橢圓圓心為點(diǎn)[c，]在平面上任取一點(diǎn)[p，]則點(diǎn)[p]距橢圓上任意點(diǎn)的最大距離必然大于點(diǎn)[c]距橢圓上任意點(diǎn)的最大距離。根據(jù)橢圓的該性質(zhì)，可以通過尋找平面內(nèi)距橢圓上任意點(diǎn)的最大距離數(shù)值最小的點(diǎn)來確定橢圓圓心，而且找到的這個(gè)最大距離的最小值即為橢圓的長軸長度。通過該方法，可以得到橢圓長、短軸長，橢圓圓心點(diǎn)橫、縱坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)角度5個(gè)參數(shù)中的3個(gè)，剩下的2個(gè)橢圓參數(shù)就能夠通過Hough變換的方法求得，算法的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1） 首先對(duì)需處理的圖像完成邊緣檢測，取得二值化的圖像邊緣輪廓，將邊緣輪廓圖上的各點(diǎn)數(shù)據(jù)存入數(shù)組[A；]

（2） 針對(duì)二維平面上的所有點(diǎn)，分別計(jì)算與上步中得到的數(shù)組[A]中點(diǎn)的距離，得到所有點(diǎn)與數(shù)組[A]中點(diǎn)的最大距離，在計(jì)算的最大距離中的最小值對(duì)應(yīng)的點(diǎn)就是橢圓圓心的橫縱坐標(biāo)[p，q，]該最大距離就是橢圓長軸的長度[a；]

（3） 將第一步中數(shù)組[A]所有點(diǎn)的數(shù)值與橢圓參數(shù)[p，q，a]代入橢圓方程[E，]橢圓方程為：

然后在二維空間內(nèi)對(duì)參數(shù)[b，θ]進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到一組峰值大于一定閾值的參數(shù)即為橢圓的參數(shù)。

2.3 特征點(diǎn)三維坐標(biāo)求取

通過前面的分析可知，當(dāng)靶盤上圓的實(shí)際大小與圖像上橢圓長、短軸尺寸都知道時(shí)，攝像機(jī)與圓心間的距離為：

式中：[F]表示攝像機(jī)鏡頭的焦距；[P]表示圓半徑；[A]表示橢圓長軸長度，[A=μ×N，][μ]表示像元尺寸，[N]表示圖像中橢圓長軸的長度，單位為像素。

根據(jù)式（3）世界坐標(biāo)系與圖像坐標(biāo)系的關(guān)系，可以通過求解該方程得到特征點(diǎn)坐標(biāo)[（xw，yw，zw）。]此處選取測量靶盤中相距0.075 m的兩圓心的距離進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，攝像機(jī)拍到的照片如圖6所示。

3 四輪定位儀的工作流程及原理

3.1 工作流程

基于圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺的車輛四輪定位系統(tǒng)由兩臺(tái)數(shù)字?jǐn)z相機(jī)、計(jì)算機(jī)主機(jī)和四個(gè)靶盤組成，具體如圖7所示。

攝像機(jī)僅能獲取單側(cè)靶盤的圖像，紅外線由特制的光源發(fā)射，靶盤接收到紅外線后，將其反射至高性能數(shù)字?jǐn)z像機(jī)成像，攝像機(jī)依據(jù)獲取的圖像通過計(jì)算得出相機(jī)與目標(biāo)之間的距離，然后將數(shù)據(jù)處理后就能夠得出車輪的定位參數(shù)，車輪定位參數(shù)的測量流程具體如下：將汽車放置于舉升機(jī)上，使汽車進(jìn)入攝像機(jī)的拍攝視角范圍；打開攝像機(jī)，固定方向盤后推動(dòng)汽車行駛，然后拍攝行駛中的靶盤；根據(jù)攝像機(jī)拍攝到的圖像（三幅以上）計(jì)算出車輪的外傾角和前束角；將汽車整體固定使其無法前后移動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，獲取車輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中靶盤的圖像，然后計(jì)算出主銷后傾角和內(nèi)傾角。

3.2 建立測量基準(zhǔn)平面?車身平面

在汽車行駛過程中，靶盤本身是傾斜的，車輛前輪兩個(gè)旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)即為汽車前輪定位平面；同樣，車輛后輪兩個(gè)旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)即為后輪定位平面。這兩個(gè)面作為整個(gè)四輪定位測量系統(tǒng)的基準(zhǔn)平面，其優(yōu)點(diǎn)是該平面無需依賴于重力和重力傳感器。所以，在車輛行駛過程中，不論車輛是前后傾斜還是左右傾斜，都不會(huì)影響車輪定位參數(shù)的測量[7]。

3.3 汽車定位參數(shù)數(shù)學(xué)模型的建立

靶盤固定于車輪，所以可將靶盤和車輪當(dāng)做一個(gè)剛體來分析，車輪的運(yùn)動(dòng)可分解為平動(dòng)和旋轉(zhuǎn)兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)。由于車輪的旋轉(zhuǎn)軸與車輪輪面垂直，所以可將車輪前束角和外傾角看作是車輪旋轉(zhuǎn)軸與各坐標(biāo)軸間的夾角。

由于汽車前輪上安裝的兩靶盤是完全相同的，且其能夠與車輪共同當(dāng)做一個(gè)剛體處理[8]，汽車車輪運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)靶盤運(yùn)動(dòng)，將靶盤的運(yùn)動(dòng)分解成平移運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)假設(shè)靶盤先平移后旋轉(zhuǎn)。在靶盤的旋轉(zhuǎn)過程中，車輪滾動(dòng)一圈，則靶盤上所有白色圓心的運(yùn)動(dòng)軌跡均是圓。但在四輪定位儀的實(shí)際測量中，車輪滾動(dòng)軌跡達(dá)不到一圈，靶盤圓心軌跡是一段弧，但仍能夠通過圓弧上任意三點(diǎn)求出軌跡圓心。在車輪的平動(dòng)過程中，左右靶盤上同一位置的白色圓心的連線隨車輪平動(dòng)形成前輪定位平面，后輪則形成后輪定位平面。

在汽車轉(zhuǎn)向過程中，車輪繞主銷旋轉(zhuǎn)，通過旋轉(zhuǎn)前后靶盤特征點(diǎn)的坐標(biāo)變化就能夠得出主銷軸線本身與[X，Y，Z]軸間的夾角[α，β，γ，]進(jìn)一步就可求出主銷后傾角和內(nèi)傾角，具體求解示意圖如圖9所示。

4 實(shí) 驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的車輪定位儀的準(zhǔn)確性，選取車輪外傾角和前束角進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)通過車輪外傾角和前束角的變化，從四輪定位儀中輸出各定位參數(shù)的變化，同時(shí)選取手工測量作為對(duì)比數(shù)據(jù)。各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2～表4所示。

5 結(jié) 論

針對(duì)傳統(tǒng)四輪定位儀精度不高、操作復(fù)雜這一問題，設(shè)計(jì)了一套基于圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺的車輛四輪定位儀。給出了該儀器的設(shè)計(jì)方法并進(jìn)行了測量精度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的四輪定位儀操作簡單并具有較高的精度。但為了進(jìn)一步提高儀器的測量精度，后續(xù)還要對(duì)圖像質(zhì)量和圖像處理算法進(jìn)行改進(jìn)，并提高攝像機(jī)的定標(biāo)精度。

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