基于單目視覺的車輛測(cè)距系統(tǒng)研究

王連桂 杜俊賢

【摘要】本文，針對(duì)智能汽車單目視覺提出了通過鏡頭跟隨汽車移動(dòng)導(dǎo)致圖像放大倍數(shù)的改變，然后根據(jù)圖像大小的變化和移動(dòng)距離來計(jì)算車輛與前方障礙物之間距離的方法，有效提高了車距測(cè)量的精確度。

【關(guān)鍵詞】單目視覺;汽車測(cè)距系統(tǒng)

隨著現(xiàn)代汽車智能化程度不斷提高，利用機(jī)器視覺獲取路況環(huán)境信息，進(jìn)而對(duì)汽車實(shí)時(shí)控制是實(shí)現(xiàn)汽車智能化的重要方法之一，而通過單目視覺系統(tǒng)來監(jiān)測(cè)本車與前方障礙物的距離是為汽車智能化縱向控制提供輸入?yún)?shù)最常用的方法。

單目視覺系統(tǒng)通常使用對(duì)應(yīng)點(diǎn)標(biāo)定法來獲取相關(guān)的參數(shù)，但由于汽車行駛過程中攝像機(jī)位置經(jīng)常發(fā)生變化，進(jìn)而引起系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，使得本方法的精確度經(jīng)常發(fā)生變化。本文提出通過鏡頭跟隨汽車移動(dòng)導(dǎo)致圖像放大倍數(shù)的改變，然后根據(jù)圖像大小的變化和移動(dòng)距離來計(jì)算車輛與前方障礙物之間的距離。

一、障礙物距離計(jì)算方法

本測(cè)量方法的理論依據(jù)是物體成像關(guān)系，汽車帶動(dòng)攝像頭移動(dòng)，攝像頭對(duì)前方障礙物進(jìn)行拍攝，拍攝圖片由圖像處理機(jī)處理，計(jì)算出障礙物距離。

假設(shè)汽車行駛在相對(duì)平整的路面上，我們采用計(jì)算機(jī)視覺中常用的透視投影，路況的光線均通過透鏡的中心。經(jīng)過透鏡的中心且垂直于圖像平面的直線可稱之為光軸。下面我們分平行和垂直于光軸移動(dòng)兩種情況計(jì)算障礙物的移動(dòng)。

1.障礙物平行于光軸移動(dòng)的計(jì)算

圖1 障礙物向鏡頭移動(dòng)成像圖

障礙物在AB位置時(shí)成像為CD;隨著障礙物與攝像頭距離變化后，障礙物在AB位置成像為CD;CD/CD=k;k為障礙物的圖像放大率。假設(shè)障礙物在AB位置時(shí)的物距為U，像距為V，障礙物在AB位置時(shí)的物距為U，像距仍然為V，則有式①和式②。

① ? ? ? ②

②式除以①式得：

③

因?yàn)锳B=AB，由③式得：

④

其中，鏡頭的移動(dòng)距離可以通過車速計(jì)算得到，為障礙物到透鏡中心的距離，其為正值，圖像放大率大于1，說明障礙物靠近鏡頭;其為負(fù)值，說明障礙物遠(yuǎn)離鏡頭。障礙物距離鏡頭的遠(yuǎn)近只和物體相對(duì)移動(dòng)的距離及其圖像放大率有關(guān)。

2.障礙物垂直于光軸移動(dòng)

物體垂直于光軸移動(dòng)，設(shè)障礙物在AB位置成像為CD，當(dāng)障礙物垂直向上移動(dòng)到位置AB，成像為CD。

圖2 障礙物AB垂直移動(dòng)

由圖2，令，有：

⑤

⑥

由⑤、⑥式得 ：，

因此，我們得到以下結(jié)論：障礙物在光軸垂直方向做相對(duì)移動(dòng)時(shí)，所成圖像放大率保持不變。

二、障礙物的檢測(cè)

本文的障礙物檢測(cè)是基于灰度梯度的原則，一般可以認(rèn)為障礙物的灰度變化是比較平緩的，但是在障礙物與環(huán)境相交處會(huì)形成灰度由亮到暗的水平邊緣。假設(shè)道路上車輛為障礙物，對(duì)所拍攝定灰度圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，通過一般邊緣檢測(cè)可以得到障礙物圖像邊緣，即確定了物體的大小，便能根據(jù)前文中障礙物距離的計(jì)算方法來計(jì)算距離。

一般障礙物的邊緣都是通過Sobel邊緣檢測(cè)算子獲得，結(jié)果如下：

也可通過計(jì)算每行灰度的平均值，按水平線或豎直線逐行掃描，由上而下，由左到右，當(dāng)灰度值急劇發(fā)生變化時(shí)，認(rèn)為檢測(cè)到障礙物的邊緣，獲得障礙物圖像的長(zhǎng)度。最后，計(jì)算圖像的放大倍數(shù)，根據(jù)式④求出此時(shí)障礙物距離車輛的距離。

三、結(jié)論

本文提出了利用單目視覺測(cè)量障礙物與車輛之間距離的測(cè)量方法。在車輛運(yùn)行帶動(dòng)攝像頭鏡頭的移動(dòng)引起了圖像放大倍數(shù)變化，然后根據(jù)圖像放大倍數(shù)的變化和相對(duì)移動(dòng)的距離就可以計(jì)算出汽車與障礙物之間的距離。本方法可以獲取比較精確的障礙物距離，為了提高障礙物的識(shí)別及距離檢測(cè)的可靠性，在今后的工作中，應(yīng)對(duì)更復(fù)雜環(huán)境下車輛檢測(cè)、距離測(cè)試進(jìn)行研究，提高本方法的適用性。

基金項(xiàng)目：本文為煙臺(tái)汽車工程職業(yè)學(xué)院院級(jí)課題（課題編號(hào)：2014YTQK03）。

作者簡(jiǎn)介：

王連桂（1981—），女，山東濱州人，煙臺(tái)汽車工程職業(yè)學(xué)院講師。

杜俊賢（1980—），男，山東濟(jì)南人，煙臺(tái)汽車工程職業(yè)學(xué)院講師。