孔　明，王英軍，單　良，趙　軍，王道檔

(中國計量學(xué)院 計量測試工程學(xué)院， 杭州　310018)

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基于片光的貨車側(cè)面防護(hù)欄安裝尺寸測量

孔明，王英軍，單良，趙軍，王道檔

(中國計量學(xué)院 計量測試工程學(xué)院， 杭州310018)

提出了一種基于片光的貨車側(cè)面防護(hù)裝置安裝尺寸的測量方法；將線激光光源和攝像機(jī)固定在線性傳動機(jī)構(gòu)上，通過裝置的線性移動，使激光光束在貨車側(cè)表面上產(chǎn)生移動，并用相機(jī)采集運(yùn)動過程中的圖像，利用激光三角法原理，對采集到的時序圖像進(jìn)行處理，實現(xiàn)對貨車側(cè)表面輪廓的三維重建，從而實現(xiàn)對貨車側(cè)面防護(hù)裝置安裝尺寸的測量；該方法避免了在普通視覺二維測量過程中，由于防護(hù)欄與前后輪胎不共面而造成的測量誤差；通過對搭建的實驗平臺進(jìn)行的研究表明，測量誤差小于1 mm，遠(yuǎn)小于原二維測量方案測量精度10 mm，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。

貨車側(cè)面防護(hù)裝置；激光三角法；片光；尺寸測量

0　引言

貨車側(cè)面防護(hù)裝置在我國特有的人-車混行道路環(huán)境下起到了重要的作用。當(dāng)路上行人、電瓶車、摩托車與貨車發(fā)生側(cè)面碰撞時，貨車側(cè)面防護(hù)裝置起到緩沖吸力的作用，可有效防止行人或小型機(jī)動車鉆入貨車車底而造成更大的損失[1]。雖然國家對貨車側(cè)面防護(hù)裝置出臺了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范其安裝位置和尺寸[2]，但是目前對貨車側(cè)面防護(hù)裝置的檢測主要靠人工查驗，并且需要車輛定期到指定的地方，經(jīng)人工使用鋼尺或卷尺對其進(jìn)行直接測量，通過對比國家標(biāo)準(zhǔn)，看其是否達(dá)標(biāo)[3]。

本課題組前期通過機(jī)器視覺的方法，設(shè)計了實驗裝置，對經(jīng)過收費(fèi)站的所有貨車進(jìn)行側(cè)面拍照，利用圖像處理技術(shù)實現(xiàn)了對貨車側(cè)面防護(hù)裝置安裝尺寸的在線實時檢測，提高了檢測效率，降低了人工勞動強(qiáng)度。但是該方法基于二維視覺的圖像處理，獲取到的圖像只能表征物體反射回來的亮度信息，一是丟失了物體原有的深度信息，二是二維視覺檢測對成像質(zhì)量要求較高，這兩方面導(dǎo)致了測量誤差偏大，為10 mm[4]，甚至有時圖像處理算法的失效。

針對以上缺點(diǎn)，本文提出了一種基于片光技術(shù)的貨車側(cè)面防護(hù)裝置安裝尺寸檢測方法，可以有效避免由于防護(hù)欄與前后輪胎不共面而引起的二維視覺方法檢測中物體深度信息丟失造成的測量誤差，提高了檢測精度。

1　測量系統(tǒng)原理

1.1測量原理

片光測量系統(tǒng)主要由攝像機(jī)、線激光光源與線性傳動裝置組成，其中，攝像機(jī)與由線光源構(gòu)成的光平面成一定夾角，此線激光光源向物體表面投向一束細(xì)亮的激光，并且發(fā)出的光平面與物體表面相交，再采用攝像機(jī)從另一個角度拍攝光條紋圖像。

片光測量系統(tǒng)的測量基礎(chǔ)是激光三角法[5]，其原理圖如圖1所示。

(xl,yl,zl)T

圖1　片光測量基本原理

圖1中，Oc為攝像機(jī)鏡頭光心，Oi為圖像平面主點(diǎn)。光平面(灰色表示)坐標(biāo)系為(xl,yl,zl)T，攝像頭坐標(biāo)系為(xc,yc,zc)T，世界坐標(biāo)系為(xw,yw,zw)T，圖像坐標(biāo)系為(r,c)T，相機(jī)與光平面夾角為α。

假定一點(diǎn)P，存在于物體表面和光平面的交線上。設(shè)光平面在世界坐標(biāo)系下的平面方程為：

axw+byw+czw+d=0

(1)

點(diǎn)P在圖像中的像點(diǎn)為P’，則P與P’點(diǎn)的連線通過攝像機(jī)的光心Oc，Oc與Oi點(diǎn)的連線即為相機(jī)光軸。若已知相機(jī)的焦距以及攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，即可得知過Oc與Oi點(diǎn)直線的方程，繼而根據(jù)透視成像原理和圖像中P’點(diǎn)的坐標(biāo)，就可以得到過Oc與P’點(diǎn)的直線方程，如式(2)所示：

(2)

式(2)中，(xc,yc,zc)T與(xP,yP,zP)T分別為Oc與P’點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

聯(lián)立式(1)和(2)，求得直線OcP’與光平面的交點(diǎn)，即為P點(diǎn)坐標(biāo)。

線激光光源投射一束激光，形成光平面[6]，光平面與相機(jī)光軸的交點(diǎn)取決于物體的高度。物體高度變化，引起光平面與相機(jī)光軸交點(diǎn)的變化，被相機(jī)采集到的光條也就不再表現(xiàn)為直線，即其體現(xiàn)了物體的輪廓高度[7]。若使物體與光源、相機(jī)按一定步長成相對線性運(yùn)動，可以得到一系列輪廓條紋構(gòu)成的圖像，將條紋所在區(qū)域設(shè)置成大小合理的檢測區(qū)域(即感興趣區(qū)域，ROI)，依次讀取所有圖像，使用基于亞像素精度的邊緣提取算法提取條紋，檢測相鄰的圖像中x方向上的變化并分別將其縱橫坐標(biāo)保存下來。然后由通過標(biāo)定得到的片光光平面位姿和相機(jī)內(nèi)外參數(shù)，將上述坐標(biāo)映射到世界坐標(biāo)系中，即可得到物體輪廓的三維坐標(biāo)

1.2系統(tǒng)原理

測量系統(tǒng)示意圖如圖2所示。測量系統(tǒng)的裝置包括計算機(jī)、攝像機(jī)、線激光光源、線性移動裝置和兩個超聲波測距傳感器。超聲波向垂直于導(dǎo)軌的方向發(fā)射，當(dāng)貨車停下來進(jìn)行繳費(fèi)時，即進(jìn)入了檢測區(qū)域，當(dāng)貨車完全進(jìn)入到兩個超聲波傳感器的感應(yīng)范圍后，計算機(jī)接收到超聲波的發(fā)射脈沖，打開線激動光源和攝像機(jī)，并通過脈沖計數(shù)輸出驅(qū)動信號，驅(qū)動線性移動裝置按一定步距從貨車前部移動到后部，期間，線激光光源一直打開，相機(jī)進(jìn)行錄像。當(dāng)拍攝完畢后，線性移動裝置將相機(jī)和光源移動到貨車前部方位，計算機(jī)將錄的視頻解碼，提取每一幀圖片進(jìn)行處理，最終得到防護(hù)欄到前后車輪的距離、車輛上部構(gòu)件和地面的距離，并輸出顯示在屏幕上。

圖2　測量系統(tǒng)示意圖

2　實驗研究

為了驗證本文方法的可行性，在實驗室搭建了實驗平臺，進(jìn)行實驗研究。實驗系統(tǒng)中，CCD攝像機(jī)光軸垂直于防護(hù)欄所在平面，線激光光源的光平面與相機(jī)光軸的夾角約為60度，激光光束為豎直方向，即垂直于圖像的行方向。實驗程序流程圖如圖3所示。

圖3　實驗流程圖

圖3(a)為系統(tǒng)工作流程圖：在實驗過程中，打開軟件后首先進(jìn)行初始化工作，包括檢查相機(jī)與數(shù)據(jù)采集卡PCI1761是否能正常工作；然后監(jiān)聽數(shù)據(jù)采集卡的輸入端口，如果有接近信號，計算機(jī)控制打開相機(jī)和線激光光源，線性移動裝置按設(shè)定步長做線性移動，同時相機(jī)進(jìn)行錄像；當(dāng)?shù)竭_(dá)線性裝置的終點(diǎn)時，關(guān)閉相機(jī)和線光源，線性移動裝置回歸原位，開啟圖像處理，如果接收到結(jié)束信號，系統(tǒng)停止工作并退出。

圖3(b)為圖像處理流程圖：首先讀入通過標(biāo)定得到的光平面位姿參數(shù)和相機(jī)內(nèi)外參數(shù)，然后對錄取的視頻進(jìn)行解碼，得到每一幀圖像，逐張讀取并旋轉(zhuǎn)90度，設(shè)定光條所在的盡可能小區(qū)域為ROI區(qū)域，提取條紋中心，并保存其坐標(biāo)；基于這些坐標(biāo)和標(biāo)定數(shù)據(jù)構(gòu)建防護(hù)欄和輪胎的三維模型，再根據(jù)顏色映射模型[8]將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)映射到二維平面，經(jīng)由Blob分析、邊緣檢測、Hough算法檢測圓和直線[9]、橢圓和直線擬合等算法提取防護(hù)欄和輪胎邊緣，由邊緣點(diǎn)的三維坐標(biāo)得到實際的距離信息并輸出。

實驗完成的前提是完成測量裝置的標(biāo)定，即片光光平面位姿的標(biāo)定和相機(jī)內(nèi)外參數(shù)的標(biāo)定

2.1片光測量裝置的標(biāo)定

為得到物體輪廓的三維參數(shù)，在實驗前，需要對片光測量裝置進(jìn)行標(biāo)定，片光測量裝置的標(biāo)定包括：相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)和光平面位姿。

1)相機(jī)標(biāo)定：

相機(jī)標(biāo)定是為了得到世界坐標(biāo)系到圖像坐標(biāo)系的映射關(guān)系。根據(jù)相機(jī)標(biāo)定原理[10]，采用自制的Halcon標(biāo)定板進(jìn)行標(biāo)定實驗。標(biāo)定板的寬度和高度均為20 mm，共7×7個黑圓點(diǎn)，每個黑圓點(diǎn)的直徑為12.5 mm，黑圓點(diǎn)圓心之間的距離為2.5 mm。從不同角度拍攝，共拍攝16幅圖像，如圖4所示。利用Halcon標(biāo)定算法進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果如表1所示。

圖4　標(biāo)定實驗圖

項值項值f0.00799tx0.00778κ-731.947ty-0.31261sx2.751×10-6tz0.29659sy2.750×10-6α359.104cx1342.91β359.107cy1006.45γ0.47653

表 1中，f,tx,ty,tz的單位是米，α,β,γ的單位是度。κ無量綱。

2)光平面位姿標(biāo)定：

光平面的標(biāo)定是指在攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)已知的前提下，利用式(1)和式(2)，通過計算光平面上特征點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)，求得光平面位姿的過程。光平面位姿包括一個平移向量Tl和一個旋轉(zhuǎn)向量Rl。使用三點(diǎn)法標(biāo)定的過程示意圖如圖5所示。(xl,yl,zl)，(xc,yc,zc)，(xw,yw,zw) 分別是光平面、攝像機(jī)、世界坐標(biāo)系。P1和P2是世界坐標(biāo)系上位于z=0平面上的點(diǎn)，P3是位于物體上輪廓上的點(diǎn)，選取P3時注意要盡量處于物體輪廓的最大高度處。分別在這3個點(diǎn)上放置標(biāo)定板(此處采用自制的Halcon標(biāo)定板)，并采集兩次圖像。一次是關(guān)閉線光源拍攝，一次是打開線光源拍攝帶有線光束的圖像。

圖5　三點(diǎn)法標(biāo)定示意圖

第一次拍攝的圖像作為參考圖像，根據(jù)放置的標(biāo)定板和已標(biāo)定的相機(jī)內(nèi)外參數(shù)得到標(biāo)定板的準(zhǔn)確位姿，第二次拍攝的帶有線光束的圖像為靶標(biāo)圖像，利用已得到的精確位姿求解激光束的世界坐標(biāo)。P1，P2，P3這三點(diǎn)可以聯(lián)結(jié)成一個平面，求解平面方程即可確定光平面的位姿。

光平面位姿標(biāo)定參數(shù)如表 2所示。

表2　光平面位姿標(biāo)定參數(shù)

3　實驗結(jié)果

采取本系統(tǒng)方法采集的圖像如圖6(a)所示。對CCD采集到的視頻進(jìn)行解碼[10]，提取每一幀，旋轉(zhuǎn)90度后設(shè)定ROI區(qū)域(圖6中矩形區(qū)域)，然后進(jìn)行基于亞像素的光束條紋中心提取[11]，并保存其坐標(biāo)，構(gòu)建防護(hù)欄和車輪的表面輪廓，如圖6(b)。通過已標(biāo)定的相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)和光平面位姿，將這些坐標(biāo)映射到世界坐標(biāo)系中，從而得到車輪到防護(hù)欄的邊緣之間的距離。

Xw

圖6　采集與重建后的圖像

表3是圖6(a)中A，B兩點(diǎn)的世界坐標(biāo)，A點(diǎn)表示防護(hù)欄的邊緣，B點(diǎn)表示輪胎的邊緣。

表3　三維空間坐標(biāo)

通過表3中的車輪和防護(hù)欄的三維坐標(biāo)，可以計算出車輪到防護(hù)欄的距離Δx，并用白光三維掃描儀測得實際距離作為真實值進(jìn)行對比。由于實際情況中，貨車停靠的位置和角度都有些許偏差，為了模擬實際情況，進(jìn)行10組的處理與測量，結(jié)果如表 4所示。由表 4可以看出10次測量結(jié)果中，最大偏差為0.97 mm，最小偏差為0.13 mm，10次測量的平均測量偏差為0.62 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.70 mm。

表4　重復(fù)性實驗數(shù)據(jù)

表5為課題組已有的基于二維視覺測量技術(shù)[4]，對貨車側(cè)面防護(hù)裝置尺寸進(jìn)行測量的結(jié)果統(tǒng)計。10次測量中，最大偏差為9.85 mm，最小偏差為1.08 mm，10次測量的平均測量偏差為5.76 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為6.44 mm。

表5　二維視覺方法測量數(shù)據(jù)

通過以上表格可以看出本文采用的基于激光三角法的片光技術(shù)，實驗精度小于1 mm，而先前使用二維視覺測量方法由于空間深度尺寸信息丟失而引起的誤差可達(dá)10 mm。相比之下，前者大大提高了測量精度，測量誤差小于原方法的10%。

4　結(jié)束語

本文提出的基于片光技術(shù)的貨車側(cè)面防護(hù)裝置安裝尺寸檢測方法，從原理上避免了由于貨車防護(hù)欄與車輪不共面而造成的誤差，通過搭建實驗平臺，并對模擬實驗進(jìn)行處理和結(jié)果分析，表明該方法的測量結(jié)果精確可控制在1 mm以內(nèi)。后期擬通過減小線性移動裝置步距、或采用高精度標(biāo)定板進(jìn)行片光系統(tǒng)的標(biāo)定，來進(jìn)一步減小測量誤差。

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Measurement of Truck Side Guards Based on Sheet-of-Light

Kong Ming, Wang Yingjun, Shan Liang, Zhao Jun, Wang Daodang

(College of Metrology & Measurement Engineering, China Jiliang University, HangZhou310018，China)

A method of measuring the installation size of the truck side guards based on the sheet-of-light is presented. The laser line projector and the camera are fixed on the linear transmission mechanism. Through the linear movement of the device, the laser line moves on the side of the trucks. The images in motion collected by camera are processed to reconstruct the surface of the truck side guards, by using the laser triangulation principle. As a result, the measurement of the installation size of truck side guard is realized. This method avoids the error of measurement caused by the side guards not coplanar with the front and rear tires in the ordinary visual two-dimensional measurement process. The research on setting up the experimental platform shows that the measurement error is less than 1 mm, is far less than 10 mm which is the measurement precision of the original two-dimensional solution. It completely satisfies the requirements of system design.

truck side guards; laser triangulation method; sheet-of-light; size measurement

2015-07-13；

2015-08-25。

國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局公益性行業(yè)科研專項 (201310116)。

孔明(1978-)，男，江蘇吳江人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事機(jī)器視覺、精密儀器、光電檢測方向的研究。

趙軍(1960-)，男，黑龍江哈爾濱人，教授級高工，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事精密儀器、光電檢測方向的研究。

1671-4598(2016)01-0028-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.007

TP291

A