基于相機陣列的車輛尺寸測量系統設計

浙江金融職業學院 劉 斯

杭州電子科技大學 孫 茜 方回歸

基于相機陣列的車輛尺寸測量系統設計

浙江金融職業學院 劉 斯

杭州電子科技大學 孫 茜 方回歸

本文提出一種基于相機陣列的車輛尺寸測量方案。該系統以雙面相機為基礎，在車輛周圍布置豐富的相機陣列，每個相機與相鄰其他相機組成多個雙目相機，根據雙目立體視覺原理和特征匹配原理恢復三維空間尺度，從而實現對車輛尺寸的測量。詳細闡述系統相機標定、測量布局、相機陣列等誤差。對該車輛幾何尺寸測量系統的研究表明：用4臺相機組成兩個雙目測量單元，在距離相機2m深度范圍內的視場內，兩臺相機的尺寸測量誤差小于2mm，完全可以達到相關政策對車輛尺寸所要求的精度。

照相機陣列；車輛尺寸；立體視覺；特征提取

0 引言

車輛幾何尺寸參數的檢測是運行安全檢測的重要內容之一，國家標準《機動車運行安全技術條件》和《汽車外廓尺寸界限》中對車輛尺寸參數均做出了明確規定。

目前，傳統方法都是用鋼卷尺等長度測量工具和離地間隙儀、角度儀進行手工測量汽車的尺寸參數。人工手動接觸性測量的消耗時間長、測量精度受操作員主管因素影響，并強大勞動強度容易出現人為偏差，已不適應于現代社會發展的需要。

本項目采用多組雙目立體相機對，利用雙目立體視覺原理恢復特征點的三維空間坐標，有對應點的坐標運算可以得到車輛尺寸參數。高精度CCD可以實現非接觸測量，測量方案具有通用性等特點。

1 測量方案

如圖1所示，在車輛周圍布置18臺相機，其中部分為照相機，剩下的是照相機，合理布置相機的位置使視區內的任一特征點至少被兩臺相機測得。每兩臺相機構成一對雙目立體，與此同時每個相機還可與周邊其他相機構成多對雙目立體。根據雙目立體視覺和特征匹配原理可以恢復特征點的三維空間坐標，坐標運算后可以得到車輛各部尺寸。各相機位置相對固定在欄桿上，相機的內參數和外參數經過標定后，可以實現在線測量。

圖1 相機布局結構示意圖

整套測量系統除相機外，計算機為系統的核心，控制相機的運作、圖像數據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，為標定工作鋪墊；相機支架及固定裝置，用來安裝相機；輔助光源可以提高攝像圖片質量。

根據圖2所要求的尺寸，提出具體測量方案如下：

總長L：由4、5號相機測得車輛的最前端特征點，由17、18號相機測得汽車最后端特征點。最前端坐標減去最后端坐標得到總長。

總寬W：由6、9號相機測量車輛左側突出部位的特征點，由3、7號相機測量車輛右側突出部位的最外側點。左側坐標減去右側坐標得到總寬。

總高H：由1、2號相機測量汽車頂部，對比數據最大值為總高。

輪距W1：由7，8，9號相機測量兩前輪，由15、16號相機測得兩后輪。測量得到的前后輪論據值可能略有不同。

圖2 汽車主要尺寸

實際測量軟件算法中，由于特征點不夠明顯需要對車體的局部進行曲線或曲面的擬和，這樣才能精確搜尋到測量點。車輛縱向對稱平面是基準平面，需要把所有測量特征點的三維坐標投影到縱向對稱平面中去計算。整套系統是自行上下測量平臺，若車身相對坐標系有偏轉，則必須計算車輛縱向對稱平面的位置。

2 系統構建

相機選用Canon Power Shot，320萬像素（2048×1536）。為獲得大視場相機的焦距為最小值f=5mm，此時在距相機1.5m處視場可見范圍約為1.5m×1.1m；啟用自動快門可以獲得最適當的曝光量；同時關閉自動對焦，可以避免鏡頭有效焦距的輕微變動；光圈設為最小值F8.0，可以獲得大景深。相機參數的配置是由計算機軟件控制實現的，無需人為配置。

在車輛周圍布置豐富的相機時，還需要考慮到車輛尺寸參數的特點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未進入相機視場，或特征點難以識別。

3 系統誤差

3.1 鏡頭畸變

實際情況下，透鏡成像系統不嚴格滿足中心投影關系，即產生了鏡頭畸變，線性模型不能準確的描述成像的幾何關系。當相機鏡頭是廣角鏡頭時，在遠離圖像中心處會產生較大的畸變。因此在測量中應采用非線性模型利用計算機的運算能力實時修正成像幾何關系。

3.2 成像幾何畸變

實際的成像系統即使經過嚴格的標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。成像系統不能使圖像與實際景物在整個視場嚴格滿足線性關系，造成像點、光心和物點在同一條直線上的前提假設不再成立。因此在標定過程中中必須采用非線性模型來對攝像系統進行標定。

3.3 標定誤差

雙目標定一個基本測量單元的兩臺相機后，即可建立一個局部測量坐標系，包括圖像坐標系、世界坐標系等。但整個相機陣列要實現最后的高精度測量，全局標定的必不可少而且精度必須達到所要求指標。把所有測量單元的局部坐標系統一到相同的基準坐標系中的全部標定過程必須在系統搭建完成后的現場進行。最后軟件上將每個測量單元的測量結果通過標定關系式變換到基準坐標系中進行尺寸計算。

4 結語

本文從理論上對相機陣列在車輛尺寸測量中的應用進行了一定的研究和分析。在對系統原理進行分析的基礎上，將掃描時得到的汽車各部分圖像（邊界處須有部分重疊）進行無縫拼接，可以得到汽車的正視圖和側視圖數據。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，與傳統方法相比具有較大的優越性，有望在未來獲得廣泛應用。

[1]閔新力,朱訓生,萬德安.應用CMM實現非接觸視覺測量的改造[J].機械研究與應用,2003,16(1):23-25.

[2]周維虎.大尺寸空間坐標測量系統精度理論若干問題的研究[D][博士學位論文].合肥:合肥工業大學精密儀器及機械專業,2000:9-13.

[3]榮烈潤.三坐標測量機的現狀和發展動向[J].機電一體化,2001(6): 8-11.

[4]中國汽車技術研究中心標準化研究所.汽車標準匯編[S].長春:中國汽車技術研究中心汽車標準化研究所出版,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,2001,31(4):28-29.