浙江金融職業(yè)學(xué)院 劉 斯

杭州電子科技大學(xué) 孫 茜 方回歸

基于相機(jī)陣列的車輛尺寸測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

浙江金融職業(yè)學(xué)院 劉 斯

杭州電子科技大學(xué) 孫 茜 方回歸

本文提出一種基于相機(jī)陣列的車輛尺寸測(cè)量方案。該系統(tǒng)以雙面相機(jī)為基礎(chǔ)，在車輛周圍布置豐富的相機(jī)陣列，每個(gè)相機(jī)與相鄰其他相機(jī)組成多個(gè)雙目相機(jī)，根據(jù)雙目立體視覺(jué)原理和特征匹配原理恢復(fù)三維空間尺度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛尺寸的測(cè)量。詳細(xì)闡述系統(tǒng)相機(jī)標(biāo)定、測(cè)量布局、相機(jī)陣列等誤差。對(duì)該車輛幾何尺寸測(cè)量系統(tǒng)的研究表明：用4臺(tái)相機(jī)組成兩個(gè)雙目測(cè)量單元，在距離相機(jī)2m深度范圍內(nèi)的視場(chǎng)內(nèi)，兩臺(tái)相機(jī)的尺寸測(cè)量誤差小于2mm，完全可以達(dá)到相關(guān)政策對(duì)車輛尺寸所要求的精度。

照相機(jī)陣列；車輛尺寸；立體視覺(jué)；特征提取

0 引言

車輛幾何尺寸參數(shù)的檢測(cè)是運(yùn)行安全檢測(cè)的重要內(nèi)容之一，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》和《汽車外廓尺寸界限》中對(duì)車輛尺寸參數(shù)均做出了明確規(guī)定。

目前，傳統(tǒng)方法都是用鋼卷尺等長(zhǎng)度測(cè)量工具和離地間隙儀、角度儀進(jìn)行手工測(cè)量汽車的尺寸參數(shù)。人工手動(dòng)接觸性測(cè)量的消耗時(shí)間長(zhǎng)、測(cè)量精度受操作員主管因素影響，并強(qiáng)大勞動(dòng)強(qiáng)度容易出現(xiàn)人為偏差，已不適應(yīng)于現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的需要。

本項(xiàng)目采用多組雙目立體相機(jī)對(duì)，利用雙目立體視覺(jué)原理恢復(fù)特征點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，有對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)運(yùn)算可以得到車輛尺寸參數(shù)。高精度CCD可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，測(cè)量方案具有通用性等特點(diǎn)。

1 測(cè)量方案

如圖1所示，在車輛周圍布置18臺(tái)相機(jī)，其中部分為照相機(jī)，剩下的是照相機(jī)，合理布置相機(jī)的位置使視區(qū)內(nèi)的任一特征點(diǎn)至少被兩臺(tái)相機(jī)測(cè)得。每?jī)膳_(tái)相機(jī)構(gòu)成一對(duì)雙目立體，與此同時(shí)每個(gè)相機(jī)還可與周邊其他相機(jī)構(gòu)成多對(duì)雙目立體。根據(jù)雙目立體視覺(jué)和特征匹配原理可以恢復(fù)特征點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，坐標(biāo)運(yùn)算后可以得到車輛各部尺寸。各相機(jī)位置相對(duì)固定在欄桿上，相機(jī)的內(nèi)參數(shù)和外參數(shù)經(jīng)過(guò)標(biāo)定后，可以實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量。

圖1 相機(jī)布局結(jié)構(gòu)示意圖

整套測(cè)量系統(tǒng)除相機(jī)外，計(jì)算機(jī)為系統(tǒng)的核心，控制相機(jī)的運(yùn)作、圖像數(shù)據(jù)的處理和信號(hào)的指示；鋼軌測(cè)量平臺(tái)為待測(cè)車輛提供水平支承，為標(biāo)定工作鋪墊；相機(jī)支架及固定裝置，用來(lái)安裝相機(jī)；輔助光源可以提高攝像圖片質(zhì)量。

根據(jù)圖2所要求的尺寸，提出具體測(cè)量方案如下：

總長(zhǎng)L：由4、5號(hào)相機(jī)測(cè)得車輛的最前端特征點(diǎn)，由17、18號(hào)相機(jī)測(cè)得汽車最后端特征點(diǎn)。最前端坐標(biāo)減去最后端坐標(biāo)得到總長(zhǎng)。

總寬W：由6、9號(hào)相機(jī)測(cè)量車輛左側(cè)突出部位的特征點(diǎn)，由3、7號(hào)相機(jī)測(cè)量車輛右側(cè)突出部位的最外側(cè)點(diǎn)。左側(cè)坐標(biāo)減去右側(cè)坐標(biāo)得到總寬。

總高H：由1、2號(hào)相機(jī)測(cè)量汽車頂部，對(duì)比數(shù)據(jù)最大值為總高。

輪距W1：由7，8，9號(hào)相機(jī)測(cè)量?jī)汕拜?，?5、16號(hào)相機(jī)測(cè)得兩后輪。測(cè)量得到的前后輪論據(jù)值可能略有不同。

圖2 汽車主要尺寸

實(shí)際測(cè)量軟件算法中，由于特征點(diǎn)不夠明顯需要對(duì)車體的局部進(jìn)行曲線或曲面的擬和，這樣才能精確搜尋到測(cè)量點(diǎn)。車輛縱向?qū)ΨQ平面是基準(zhǔn)平面，需要把所有測(cè)量特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)投影到縱向?qū)ΨQ平面中去計(jì)算。整套系統(tǒng)是自行上下測(cè)量平臺(tái)，若車身相對(duì)坐標(biāo)系有偏轉(zhuǎn)，則必須計(jì)算車輛縱向?qū)ΨQ平面的位置。

2 系統(tǒng)構(gòu)建

相機(jī)選用Canon Power Shot，320萬(wàn)像素（2048×1536）。為獲得大視場(chǎng)相機(jī)的焦距為最小值f=5mm，此時(shí)在距相機(jī)1.5m處視場(chǎng)可見(jiàn)范圍約為1.5m×1.1m；啟用自動(dòng)快門(mén)可以獲得最適當(dāng)?shù)钠毓饬?；同時(shí)關(guān)閉自動(dòng)對(duì)焦，可以避免鏡頭有效焦距的輕微變動(dòng)；光圈設(shè)為最小值F8.0，可以獲得大景深。相機(jī)參數(shù)的配置是由計(jì)算機(jī)軟件控制實(shí)現(xiàn)的，無(wú)需人為配置。

在車輛周圍布置豐富的相機(jī)時(shí)，還需要考慮到車輛尺寸參數(shù)的特點(diǎn)以及各種車型的長(zhǎng)寬比不同，避免由于車體部件遮擋而造成特征點(diǎn)未進(jìn)入相機(jī)視場(chǎng)，或特征點(diǎn)難以識(shí)別。

3 系統(tǒng)誤差

3.1 鏡頭畸變

實(shí)際情況下，透鏡成像系統(tǒng)不嚴(yán)格滿足中心投影關(guān)系，即產(chǎn)生了鏡頭畸變，線性模型不能準(zhǔn)確的描述成像的幾何關(guān)系。當(dāng)相機(jī)鏡頭是廣角鏡頭時(shí)，在遠(yuǎn)離圖像中心處會(huì)產(chǎn)生較大的畸變。因此在測(cè)量中應(yīng)采用非線性模型利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力實(shí)時(shí)修正成像幾何關(guān)系。

3.2 成像幾何畸變

實(shí)際的成像系統(tǒng)即使經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的標(biāo)定任然存在著幾何畸變，包括徑向畸變、離心畸變、薄棱鏡畸變等。成像系統(tǒng)不能使圖像與實(shí)際景物在整個(gè)視場(chǎng)嚴(yán)格滿足線性關(guān)系，造成像點(diǎn)、光心和物點(diǎn)在同一條直線上的前提假設(shè)不再成立。因此在標(biāo)定過(guò)程中中必須采用非線性模型來(lái)對(duì)攝像系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。

3.3 標(biāo)定誤差

雙目標(biāo)定一個(gè)基本測(cè)量單元的兩臺(tái)相機(jī)后，即可建立一個(gè)局部測(cè)量坐標(biāo)系，包括圖像坐標(biāo)系、世界坐標(biāo)系等。但整個(gè)相機(jī)陣列要實(shí)現(xiàn)最后的高精度測(cè)量，全局標(biāo)定的必不可少而且精度必須達(dá)到所要求指標(biāo)。把所有測(cè)量單元的局部坐標(biāo)系統(tǒng)一到相同的基準(zhǔn)坐標(biāo)系中的全部標(biāo)定過(guò)程必須在系統(tǒng)搭建完成后的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。最后軟件上將每個(gè)測(cè)量單元的測(cè)量結(jié)果通過(guò)標(biāo)定關(guān)系式變換到基準(zhǔn)坐標(biāo)系中進(jìn)行尺寸計(jì)算。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從理論上對(duì)相機(jī)陣列在車輛尺寸測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)行了一定的研究和分析。在對(duì)系統(tǒng)原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，將掃描時(shí)得到的汽車各部分圖像（邊界處須有部分重疊）進(jìn)行無(wú)縫拼接，可以得到汽車的正視圖和側(cè)視圖數(shù)據(jù)。本文介紹的車輛尺寸測(cè)量方法具有非接觸測(cè)量、精度高等的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)方法相比具有較大的優(yōu)越性，有望在未來(lái)獲得廣泛應(yīng)用。

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