基于機(jī)器視覺的車輛幾何尺寸測量系統(tǒng)研究.pdf

1、本文研究的目的是建立一套自動(dòng)化程度高、測試技術(shù)先進(jìn)的車輛幾何尺寸參數(shù)測量系統(tǒng)。從軍用車輛幾何尺寸測量的實(shí)際需要出發(fā)，根據(jù)車輛尺寸參數(shù)所具有的特點(diǎn)，在綜合比較了各種類型的大尺寸空間坐標(biāo)測量方法之后，本文結(jié)合近年來新興的機(jī)器視覺技術(shù)，提出了兩套設(shè)計(jì)方案——基于立體視覺的照相機(jī)陣列系統(tǒng)方案和基于視覺伺服的大型視覺坐標(biāo)測量機(jī)方案。這兩套方案均具有自動(dòng)化、非接觸、高精度、通用性的特點(diǎn)，并且具有系統(tǒng)功能上的擴(kuò)展性。除設(shè)計(jì)指標(biāo)所要求的尺寸參數(shù)外，系統(tǒng)

2、還可溶入對(duì)汽車前照燈的檢測。在車輛整車尺寸參數(shù)及通過性幾何參數(shù)測量領(lǐng)域中，目前還未見類似技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用研究報(bào)道，本文提出的測量方案具有一定的創(chuàng)新性。目前，照相機(jī)陣列系統(tǒng)作為首選方案，已通過總裝汽車試驗(yàn)場組織的專家組評(píng)審，并即將進(jìn)入系統(tǒng)的現(xiàn)場構(gòu)建階段。 本文從理論和實(shí)踐上對(duì)機(jī)器視覺技術(shù)在幾何尺寸測量中的應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究和探討。在對(duì)各種視覺技術(shù)的原理進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，本文的研究立足于實(shí)際應(yīng)用技術(shù)問題的解決，并對(duì)車輛幾何尺寸測

3、量系統(tǒng)的工程構(gòu)建、測量方法等問題作了具體的闡述。文中涉及的大量算法均通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測試，以驗(yàn)證其作為應(yīng)用技術(shù)的可行性。 本文具有創(chuàng)新性的研究工作概括如下：1. 提出基于立體視覺的照相機(jī)陣列系統(tǒng)方案。該方案用多臺(tái)數(shù)碼相機(jī)分布于車輛周圍，以兩臺(tái)相機(jī)為一基本測量單元，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)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛各部分幾何尺寸的測量。介紹了系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)，結(jié)合圖示論述了各項(xiàng)尺寸的具體測量方法，對(duì)系統(tǒng)構(gòu)建中的若干問題

4、如軟件設(shè)計(jì)、相機(jī)設(shè)置、測量布局及相機(jī)固定方式也作了闡述。 2. 研究并實(shí)現(xiàn)了立體視覺技術(shù)中的各個(gè)環(huán)節(jié)。在一些具體實(shí)施策略上，對(duì)車輛幾何尺寸測量中運(yùn)用到的特征提取算法作出了改進(jìn)，有效的提高了算法的性能和時(shí)效。提出了一個(gè)高精度的靶標(biāo)圖像角點(diǎn)提取算法。提出基于灰度和邊緣梯度方向及幅值的圖像相關(guān)性評(píng)價(jià)函數(shù)，并依據(jù)若干約束設(shè)計(jì)了一套立體匹配算法；該算法簡單實(shí)用，運(yùn)算速度快，對(duì)邊緣清晰的立體圖對(duì)能達(dá)到較高的匹配率，在實(shí)際使用時(shí)獲得了較好的效

5、果。 3. 提出基于視覺伺服的大型視覺坐標(biāo)測量機(jī)方案。該方案將攝像機(jī)置于垂直平面內(nèi)的正交導(dǎo)軌組上，使攝像機(jī)可作二維運(yùn)動(dòng)，利用視覺伺服技術(shù)，自動(dòng)識(shí)別被測點(diǎn)并控制瞄準(zhǔn)；瞄準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)可由導(dǎo)軌上的磁柵尺獲得。從而將車輛各部分尺寸的測量轉(zhuǎn)化為在相應(yīng)投影面內(nèi)二維尺寸的直接測量。論述了系統(tǒng)的測量原理、組成、結(jié)構(gòu)和尺寸測量方法，介紹了系統(tǒng)標(biāo)定及校準(zhǔn)的方法，并對(duì)測量精度作出了分析。 4. 研究了電動(dòng)鏡頭自動(dòng)聚焦算法。首先對(duì)一些典型的圖像清

6、晰度判據(jù)進(jìn)行了分析比較，并指出了其局限性；提出了基于梯度變換的圖像清晰度判據(jù)，具有魯棒性高、清晰度評(píng)價(jià)特性好的特點(diǎn)；針對(duì)電動(dòng)鏡頭的特性，提出用爬山法與全局搜索法相結(jié)合的聚焦控制算法，避免了傳統(tǒng)算法的缺陷。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用以上判據(jù)及控制算法的自動(dòng)聚焦系統(tǒng)可靠性好、聚焦精度高、速度快，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 5. 研究了在車輛幾何尺寸測量系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)汽車前照燈檢測的方法，包括遠(yuǎn)、近光光束照射方向及發(fā)光強(qiáng)度的檢測。另外，還對(duì)利用機(jī)器視覺

7、技術(shù)檢測前照燈配光性能的方法進(jìn)行了理論分析。 此外，本文主要還完成了以下幾方面的工作：1. 系統(tǒng)的研究了照相機(jī)陣列系統(tǒng)的標(biāo)定問題，包括單目相機(jī)的標(biāo)定、雙目相機(jī)的標(biāo)定和整個(gè)相機(jī)陣列的全局標(biāo)定。在這一部分中，對(duì)實(shí)現(xiàn)標(biāo)定算法的各個(gè)具體步驟進(jìn)行了詳細(xì)的描述；對(duì)相機(jī)標(biāo)定過程中的實(shí)際問題，如參考點(diǎn)對(duì)應(yīng)問題及出現(xiàn)的標(biāo)定失敗情況作出了分析，并給出了分別對(duì)六臺(tái)相機(jī)的實(shí)際標(biāo)定結(jié)果及分析；對(duì)矯正畸變圖像生成非畸變圖像的方法進(jìn)行了介紹；詳細(xì)描述了雙目標(biāo)定

8、及相機(jī)陣列系統(tǒng)全局標(biāo)定的方法，全局標(biāo)定借助于經(jīng)緯儀坐標(biāo)測量系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)標(biāo)定的整個(gè)流程和尺寸計(jì)算的方法也在最后作了介紹。2. 對(duì)雙目立體視覺方法的各種測量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了深入的分析，包括6種空間點(diǎn)三維重建算法的精度比較、相機(jī)及雙目標(biāo)定靶標(biāo)的相對(duì)位置對(duì)精度的影響、對(duì)游標(biāo)卡尺測量的實(shí)驗(yàn)、用4臺(tái)相機(jī)對(duì)大尺寸測量的實(shí)驗(yàn)和物體的三維表面恢復(fù)及立體顯示，并列出了詳實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)照相機(jī)陣列系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究表明：在距離相機(jī)2 m深度范圍內(nèi)的公共視場內(nèi)，兩臺(tái)