基于3D成像和激光輪廓傳感技術的共享汽車非事故損傷檢測系統設計與應用

顧赫 李泓宣 楊佳男 王怡 馮美寧

摘 要：繼共享打車、共享單車后，節能環保的共享汽車應運而生。在擁有便利性的同時，共享汽車在自助歸還模式下如發生非事故損傷，因無法正確得到車輛實時信息，將導致無法或錯誤追責等后果。鑒于此，設計了共享汽車非事故損傷檢測系統，通過激光輪廓傳感器和高清攝像頭測量得到汽車輪廓、車漆及內飾的圖像信息，基于整體與局部的圖像對比識別技術判斷車輛是否存在損壞。該系統可代替人工檢測，解決人工檢測還車花費時長的問題，簡化還車步驟，并提高準確度、節省時間，以適應快節奏的社會現狀。

關鍵詞：共享汽車;非事故損傷;線激光輪廓掃描技術;3D圖像合成;對比定損

1? ? 研究背景

共享汽車起源于歐洲，由于其對減緩交通堵塞，減少大氣污染，改善城市環境有所貢獻，故世界上其他國家如美國等也在發展共享汽車服務。20世紀80年代末，瑞士首先出現了通過商業性組織向有車或無車者提供汽車共享的服務，隨后這種服務在歐洲、北美、亞洲等地快速發展[1]。

如今，用戶通過手機便可自助預定共享汽車，并進行選擇、付款、還車等一系列操作，具有極高的便捷性。共享汽車為居民出行、道路擁堵問題的緩解及環境改善做出了不小的貢獻，但是當前共享汽車也面臨著一定的問題：

（1）部分共享汽車平臺，不僅要支付汽車購買的費用，后期汽車的保養方面也需投入成本，甚至需要為事故責任方模糊的損傷車輛買單。

（2）用戶還車時若選擇停放在公共停車區域，難免會遇到目的地附近無停車位的情況;而若停放在停車場，停車費用的支付方將成為一個爭議點。

（3）在使用過程中，面對可能出現的刮蹭或其他事故，責任認定又成為一大難題。

針對以上問題，提出設計一種基于3D成像和激光輪廓傳感技術的共享汽車非事故損傷檢測系統，該系統針對車輛損傷后事故責任方模糊而導致共享汽車平臺承擔損失這一問題給出了應對方案。針對共享汽車發生非事故損傷，自助歸還模式下無法準確得到車輛實時信息，將導致一系列糾紛的問題，該系統可以全面反映車輛歸還時的車身外部與內飾情況，并及時反饋給租賃人與平臺，使自助還車系統代替人工檢測，解決了人工檢測還車花費時長的問題，簡化了還車步驟，可適應快節奏的社會現狀。

2? ? 系統設計

2.1? ? 共享汽車非事故損傷的類型

調查發現，目前市場上的還車檢查步驟完全依據手機上傳圖片進行核查，具體過程是將車輛停到指定地點后，按標準例圖拍照，上傳照片即可完成還車。該方式對照片清晰度具有比較高的要求，還車時主要檢查汽車的外部和內飾是否出現損傷。常見的非事故損傷有車身外部（包括保險杠、后視鏡、玻璃等）出現擦刮掉漆、變形和破損，車內儀表盤、座椅和內飾等受損，整車出現變形（如底盤變為菱形），車內存在難以清洗的油漬污染等。

針對以上車輛損傷情況，按照損傷性質進行分類：

（1）車輛外部輪廓變形：車身外部出現的變形破損、整車的變形都劃分為輪廓變形。

（2）車漆擦刮：車漆擦刮掉落存在易于區分的顏色變化。

（3）內飾損傷：包括固定的內飾與形狀易于改變的內飾（座椅會因為使用存在形狀變化，故不適用于用輪廓變化測量）。

2.2? ? 系統檢測項目分類與原理設計

2.2.1? ? 檢測項目的分類

（1）針對車身外部輪廓變形，將使用前后檢測到的車身外形輪廓進行對比，從而分析出車身外部與底盤是否出現變形和破損。

（2）車漆擦刮發生時，該損傷會導致車身顏色變化，且在一定程度上出現微小形變。由于同一車型的車完全相同，故可采用圖像對比的方式檢測車身外部車漆情況。

（3）內飾損傷的檢測采用局部外形比對和顏色比對，由于車內裝飾物等可能存在不屬于破壞的外形變化，所以鑒別嚴重污染和破損時就不能用整體圖片比對的方法，可以先得到整體圖片，再智能識別物件進行局部對比檢測。

2.2.2? ? 系統工作原理

通過車牌識別系統檢測到待檢測車輛時喚醒系統，進入工作狀態后各部分檢測器對車輛進行檢測，再將檢測得到的車輛圖像信息等進行比對處理得到車輛的損傷信息，指導用戶還車并定損。

2.2.2.1? ? 車牌識別系統

智能識別車輛牌號可從數據庫中得到車輛租借前的車況信息，具體步驟如下：

（1）牌照定位，定位圖片中的牌照位置;

（2）牌照字符分割;

（3）牌照字符識別，將分割好的字符進行識別，組成牌照號碼。

通過以上步驟得到車輛的車牌信息，將車牌信息傳輸至數據庫就能得到租賃前的車況信息。

2.2.2.2? ? 各檢測部位的檢測原理

激光輪廓傳感器可采集到車輛的輪廓信息，利用可移動攝像頭采集車輛內飾等圖像信息，外部固定攝像頭采集車身外部圖像信息。將采集到的相應信息傳輸至計算中心，計算機進行相應信息對比，檢測車輛是否出現損傷。

目前有許多不同技術可用于圖像對比，如Matlab和C++等。通過調查分析，本系統的汽車輪廓圖像識別對比采用C語言編譯程序，基本原理是將3D圖像放置于一個x-y-z的三維空間中，其中每點都有自己獨立的坐標，在兩圖片的同一位置上設定一個穩定的基點，通過比較圖片各點的對應坐標來識別圖片的不同并標記，將不同的地方在三維坐標內展示出來，這樣就能得到汽車輪廓的變形信息。

車身外部車漆和內飾仍利用圖像對比進行識別，首先固定攝像頭采集完整的汽車外部圖像信息，用戶通過可移動攝像頭采集汽車內飾信息。汽車內飾的位置與狀態不穩定性導致不能通過固定的整體圖像對比，可先利用已經成熟的物體智能識別技術將內飾各部件獨立分割開（如座椅、儀表盤、方向盤、車內面等），再利用各部件的外形特點進行分類，如儀表盤、方向盤、車內表面等可利用圖片對比輪廓識別損傷。車身外部車漆與外形易變化的內飾可通過圖片對比顏色的變化來識別破損與污損，原理是將顏色單一的部件或一定范圍內的區域標記為一個顏色區域，進行區域的顏色對比，若顏色不同則存在損傷情況，通過存在差異區域的大小來判定損傷的程度。

由于以上判定存在誤差，故引入判定結果權重系數x，當存在污損和破損的情況時，無疑后者的損失更大，該權重系數x會以汽車的損傷程度與客戶的歷史使用損傷情況以及市場上整體共享汽車內飾的損傷情況為依據初步得到一個數據，從而得到一個大致的損傷金額，判斷用戶是否需要賠償。信息將反饋至用戶和平臺處，用戶若認為判定存在錯誤可以反饋給平臺，平臺再派區域負責人進行人工復檢。

2.2.2.3? ? 各技術性能與適用范圍

針對系統主要考慮的指標，對各技術進行綜合分析，如表1所示。

圖1從左至右分別展示了線激光輪廓掃描技術、3D成像技術、點激光輪廓掃描技術的性能。

由圖1分析可知：

（1）檢測汽車外形和輪廓：車身外部出現的變形和破損、車輛外部輪廓變形的檢測對任一方面的性能要求都很高，故選擇線激光輪廓掃描技術。

（2）檢測汽車車漆：車漆擦刮掉落會有刮痕導致的車身顏色變化，車內存在垃圾和污染也會使拍攝的圖片與原圖數據不符。由于此方面的檢查對精度要求不高，所以不以P3作為主要參考，選擇使用攝像頭的3D成像技術。

（3）車內的內飾檢查與衛生：車內檢查需使用可移動的攝像頭對車內進行掃描攝像，故選擇使用攝像頭的3D成像技術。

點激光輪廓測量與線激光輪廓測量技術原理相似。點激光輪廓掃描利用同樣的原理進行測量，每次可測量一個點，將各點整合得到線和平面的形狀，但不適用于本系統，故淘汰。

2.2.3? ? 系統的裝置配備

檢測后的信息反饋至系統、租賃平臺和顧客后，若無須索賠則系統判定還車成功;若存在意外情況，則提示顧客將車輛停放至指定的故障車輛區完成還車，后續問題經平臺調查后再進行協商。

針對上述功能，整個系統需要具備的裝置如下：

（1）車牌識別系統（車牌識別攝像機、補光設備、車輛檢測器）。

（2）線激光輪廓傳感器（測量范圍：寬2 000 mm，高2 000 mm;精度5 mm）。

（3）高清攝像頭（可轉動的攝像頭安裝基座、補光設備）。

（4）可移動小型攝像頭（放置箱體儲存攝像頭）。

（5）攝像頭與傳感器管理設備、系統管理電腦系統。

2.3? ? 損傷檢測技術

2.3.1? ? 輪廓及底盤變形檢測識別

輪廓及底盤變形通過線激光輪廓掃描，可將車身外形轉換為輪廓實際圖形進行檢測。線激光輪廓掃描技術測量精度高、速度快、參數多，對環境和測量目標要求不高，超大景深，大縱深檢測，無須照明和矯正。

激光輪廓傳感器通過以下兩個步驟對物體進行3D測量：

（1）采集點云數據：移動物體或傳感器，每隔一段距離進行一次輪廓測量，得到一系列輪廓，這些輪廓組成了物體表面3D數據。類似于將物體切成若干薄片，得到每片的表面輪廓，這些輪廓共同組成了3D表面。

（2）通過3D分析軟件進行分析后可以對物體表面進行凹凸缺陷檢測。

激光輪廓傳感器測量原理：激光輪廓傳感器采用激光三角反射式原理，激光束被放大形成一條激光線投射到被測物體表面上，反射光透過高質量光學系統被投射到成像矩陣上，經過計算得到傳感器到被測表面的距離（Z軸）和沿著激光線的位置信息（X軸）。移動被測物體或輪廓儀探頭，就可以得到一組三維測量值。

激光輪廓傳感器在測量中具備的優勢：

（1）非接觸測量：利用激光束在被測目標表面產生的輪廓線來實現輪廓測量，因此是典型的非接觸測量傳感器，具有無測量力、無磨損、長壽命等特點。

（2）測量精度高：目前激光輪廓傳感器分辨率高達

±0.1%FS。

（3）測量速度快：測量速度可達幾萬赫茲級。

（4）測量參數多：可以測量眾多三維參數，如高度、高度差、點—點距離、點—線距離、半徑、夾角、標準輪廓偏差等。

（5）適用范圍廣：由于激光輪廓傳感器以激光作為測量媒介實現目標輪廓參數的準確測量，因此它對被測目標沒有太多的限制，包括軟硬、冷熱、黑白、明暗等，尤其適用于一些柔軟目標、狹小空間。

2.3.2? ? 車漆與內飾損傷檢測識別

車漆與內飾損傷采用高清攝像頭合成3D圖像進行檢測，3D成像技術成本低廉、結構簡單、測量精度高。

攝像頭的3D成像原理：攝像頭的成像原理與人眼成像原理類同，眼睛是光的感知器官，類似攝像頭，角膜和晶狀體相當于鏡頭，能夠聚焦成像，眼內的視網膜相當于感光芯片，能夠接收物象。外界景物發出的光線經過角膜、晶狀體等聚焦后投影到視網膜上，就能顯示景物的影像。同理，外界景物發出的光線，經過鏡頭等聚焦后投影到感光芯片上，顯示出景物的影像。攝像頭的感光芯片將影像變成電荷脈沖，通過信號轉換傳遞給DSP和放大電路，然后將輸出視頻影像信號顯示出來。

2.4? ? 系統結構設計

結合傳感器技術和圖像處理技術，設計了一種適合室內、室外使用，支持動態或靜態測量汽車的輪廓、內飾和車漆的測量系統，該系統通過圖片拼接技術和傳感器技術獲取帶有標尺的車輛全照圖片以及車輛輪廓尺寸參數，裝置整體構成如圖2所示。

圖中設備分別為測量支架、輪廓傳感器（激光掃描儀）、外輪廓攝像裝置（3D攝像頭）、可移動攝像裝置（手持攝像頭操作箱）、車牌識別裝置（車牌識別器），另外還包括計算機、無線傳輸設備和測量裝置等。該系統占地面積小，經擴展后可測量任意尺寸大小的車輛，不受場地限制，安裝方便。系統測量過程部分具有動態性和實時性，為了保證測量的準確性，在測量外部輪廓和車漆時，被測車輛需要以不高于5 km/h的速度通過。內飾的檢測需要使用者將車輛停穩，從圖中的手持攝像頭操作箱中拿出可移動攝像頭，手持攝像頭進行內飾環攝。

車輛進入測量區域時首先觸發車牌識別系統，使檢測系統進入工作狀態，各設備啟動;當車輛駛出測量區域時，光電傳感器監測到車輛駛出車輛范圍后關閉各測量設備，計算并輸出測量結果，經過處理后判定該車是否符合規定。

3? ? 系統應用分析

共享汽車歸還損傷檢測儀器分為車身檢測器、內飾檢測器兩部分，采取非接觸方式檢測汽車損傷情況，并將檢測情況上傳至平臺和用戶手機端。結合成本分析，該系統適用于室內外共享汽車略多的停車場。

車身檢測儀安裝在停車場的入口，與車牌檢測器形成一個功能復合體。當車牌檢測器錄取汽車的車牌后，車身檢測儀開始工作，該設定大幅降低了電能消耗。同時，車身檢測器會把相應車牌的測量信息通過網絡傳輸到平臺，并與同一輛車前一次的數據進行比對，經過集成后的數據低于某一閾值時判定該車正常，而后才可執行還車。汽車停好后，用戶使用附近的手持式3D掃描儀，通過掃描平臺發出的二維碼確認車輛信息;按照相應步驟，詳細、完整地對汽車內飾進行掃描;數據傳輸至平臺，經相應軟件進行比較;最后將數據反饋至用戶和平臺，并留有備份。車牌檢測器和車身檢測器都按照《民用建筑電氣設計規范》（JGJ/T 16—1992）、《建筑與建筑群綜合布線系統工程設計規范（修訂版）》（CECS 72：97）、《建筑與建筑群綜合布線系統工程施工及驗收規范》（CECS 89：97）、《建筑智能化系統工程設計管理暫行規定》（建設〔1997〕290號）的要求進行布置。

公共設施應長遠考慮，留有發展余地，故每個車牌檢測器和車身檢測器都留有接口，以備后續完善功能或增加設備。車身檢測器安置于道路兩旁，手持式掃描儀與手持式攝像儀用龍門架安裝，占地極小。設備用電由停車場的配電房提供，不需要額外改建。在歸還汽車的過程中，租車人僅需用手持式掃描儀按規定流程對車輛的內飾進行檢測，具有極高的便捷性。

4? ? 結語

共享汽車的應用普及提高了居民生活的便捷度，然而，由于其行業制度的不完善，造成其所附加的對于共享汽車非事故損傷后責任方的認定及損傷程度的監測成為大眾關注的焦點。共享汽車非事故損傷無論是對用戶還是共享汽車公司來說都是不小的損失，因此當下亟需健全及規范行業制度。共享汽車非事故損傷后責任方的認定及損傷程度的監測作為阻礙當前共享汽車產業發展的重要因素之一，應尋找合理的解決方案。本文所述系統將有效減少共享汽車平臺投入成本，同時提高歸還汽車的效率，讓平臺能及時掌握旗下每一輛共享汽車的狀態信息。

[參考文獻]

[1] 閆慧蘭，姚博文.關于汽車共享服務的研究綜述[J].華章，2014（24）：382.

收稿日期：2021-08-18

作者簡介：顧赫（1999—），男，寧夏銀川人，研究方向：車輛工程。