基于相機(jī)陣列的車輛尺寸測量系統(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

基于相機(jī)陣列的車輛尺寸測量系統(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)對車輛尺寸的測量。詳細(xì)闡述系統(tǒng)相機(jī)標(biāo)定、測量布局、相機(jī)陣列等誤差。對該車輛幾何尺寸測量系統(tǒng)的研究表明：用4臺相機(jī)組成兩個(gè)雙目測量單元，在距離相機(jī)2m深度范圍內(nèi)的視場內(nèi)，兩臺相機(jī)的尺寸測量誤差小于2mm，完全可以達(dá)到相關(guān)政策對車輛尺寸所要求的精度。

照相機(jī)陣列；車輛尺寸；立體視覺；特征提取

0 引言

車輛幾何尺寸參數(shù)的檢測是運(yùn)行安全檢測的重要內(nèi)容之一，國家標(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度測量工具和離地間隙儀、角度儀進(jìn)行手工測量汽車的尺寸參數(shù)。人工手動(dòng)接觸性測量的消耗時(shí)間長、測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，利用雙目立體視覺原理恢復(fù)特征點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，有對應(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)非接觸測量，測量方案具有通用性等特點(diǎn)。

1 測量方案

如圖1所示，在車輛周圍布置18臺相機(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)至少被兩臺相機(jī)測得。每兩臺相機(jī)構(gòu)成一對雙目立體，與此同時(shí)每個(gè)相機(jī)還可與周邊其他相機(jī)構(gòu)成多對雙目立體。根據(jù)雙目立體視覺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)位置相對固定在欄桿上，相機(jī)的內(nèi)參數(shù)和外參數(shù)經(jīng)過標(biāo)定后，可以實(shí)現(xiàn)在線測量。

圖1 相機(jī)布局結(jié)構(gòu)示意圖

整套測量系統(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)的處理和信號的指示；鋼軌測量平臺為待測車輛提供水平支承，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，提出具體測量方案如下：

總長L：由4、5號相機(jī)測得車輛的最前端特征點(diǎn)，由17、18號相機(jī)測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。

總寬W：由6、9號相機(jī)測量車輛左側(cè)突出部位的特征點(diǎn)，由3、7號相機(jī)測量車輛右側(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號相機(jī)測量汽車頂部，對比數(shù)據(jù)最大值為總高。

輪距W1：由7，8，9號相機(jī)測量兩前輪，由15、16號相機(jī)測得兩后輪。測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)際測量軟件算法中，由于特征點(diǎn)不夠明顯需要對車體的局部進(jìn)行曲線或曲面的擬和，這樣才能精確搜尋到測量點(diǎn)。車輛縱向?qū)ΨQ平面是基準(zhǔn)平面，需要把所有測量特征點(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)是自行上下測量平臺，若車身相對坐標(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，320萬像素（2048×1536）。為獲得大視場相機(jī)的焦距為最小值f=5mm，此時(shí)在距相機(jī)1.5m處視場可見范圍約為1.5m×1.1m；啟用自動(dòng)快門可以獲得最適當(dāng)?shù)钠毓饬浚煌瑫r(shí)關(guān)閉自動(dòng)對焦，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，或特征點(diǎn)難以識別。

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)定過程中中必須采用非線性模型來對攝像系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。

3.3 標(biāo)定誤差

雙目標(biāo)定一個(gè)基本測量單元的兩臺相機(jī)后，即可建立一個(gè)局部測量坐標(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)定過程必須在系統(tǒng)搭建完成后的現(xiàn)場進(jìn)行。最后軟件上將每個(gè)測量單元的測量結(jié)果通過標(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

本文從理論上對相機(jī)陣列在車輛尺寸測量中的應(yīng)用進(jìn)行了一定的研究和分析。在對系統(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量方法具有非接觸測量、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，有望在未來獲得廣泛應(yīng)用。

[1]閔新力,朱訓(xùn)生,萬德安.應(yīng)用CMM實(shí)現(xiàn)非接觸視覺測量的改造[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2003,16(1):23-25.

[2]周維虎.大尺寸空間坐標(biāo)測量系統(tǒng)精度理論若干問題的研究[D][博士學(xué)位論文].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)精密儀器及機(jī)械專業(yè),2000:9-13.

[3]榮烈潤.三坐標(biāo)測量機(jī)的現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)向[J].機(jī)電一體化,2001(6): 8-11.

[4]中國汽車技術(shù)研究中心標(biāo)準(zhǔn)化研究所.汽車標(biāo)準(zhǔn)匯編[S].長春:中國汽車技術(shù)研究中心汽車標(biāo)準(zhǔn)化研究所出版,2000.

[5]曾令云,王煥然,李慶.汽車焊接車體尺寸精度控制[J].電焊機(jī),2001,31(4):28-29.