基于紅外結構光的汽車輪轂參數測量技術

王寶剛 莊嚴 趙艷麗

摘 要：本文介紹了以機器視覺的方式來實現非接觸式車輛四輪定位功能，其視覺裝置以計算機視覺進行車輪轂拍攝，并通過局域網傳輸到控制臺計算機上，控制臺計算機對圖像進行處理并通過圖像處理技術和Steger算法獲取結構光中心線并對應車輪空間信息進行識別獲取，經過計算得到四輪的空間位置信息。定位系統得到四輪定位信息與數據庫中同款車輛的出廠參數進行比對，給出誤差和調整參考信息。車輛維護人員可以根據四輪定位系統的提示對車輛進行調教。

關鍵詞：四輪定位;結構光;Steger算法;Hough橢圓檢測

1 四輪定位技術的基本原理

四輪定位是以車輛的四輪參數為依據，通過調整以確保車輛良好的行駛性能并具備一定的可靠性。轎車的轉向車輪、轉向節和前軸三者之間的安裝具有一定的相對位置，這種具有一定相對位置的安裝叫做轉向車輪定位，也稱前輪定位。前輪定位包括主銷后傾（角）、主銷內傾（角）、前輪外傾（角）和前輪前束四個內容。這是對兩個轉向前輪而言，對兩個后輪來說也同樣存在與后軸之間安裝的相對位置，稱后輪定位。后輪定位包括車輪外傾（角）和逐個后輪前束。這樣前輪定位和后輪定位總起來說叫四輪定位。傳統的四輪定位儀通過專業人員安裝在輪轂上的定位器來測定輪轂的水平方位以及相互關系。通過這種方式來實現參數測量往往需要依靠操作人員的水平，而且接觸式測量可能會損壞車體表面，因此采用基于紅外結構光的測量技術，依據機器視覺對高清攝像所采集到的圖像進行圖像識別，獲得汽車輪轂參數的方法，相比較于傳統的四輪定位儀有不需要安裝，非接觸式，測量速度快等優點。

本論文所描述的光柵測量功能所采用的集成開發環境為Visual Studio 2010，采用VC++語言和OpenCV機器視覺庫來實現機器視覺軟件功能的開發工作，所其中包括圖像的讀取、處理、光柵識別和所測量對象空間位置的計算功能的實現。所設定的應用的場景為汽車維護，在停車區域的四個固定測量機位固定安裝四個集成了高清圖像采集鏡頭和結構光柵發射器的裝置，當待測量的車輛停入固定的車位后，四個高清圖像采集鏡頭會采集照射在車輪的結構光圖像，所采集的光柵圖像經過軟件處理識別出輪轂的橢圓輪廓，根據橢圓輪廓的空間信息與軟件中的圖案庫所保存的橢圓進行比對，得到四個輪胎的傾角信息，進而實現對車輛的四輪定位標定功能。

2 Steger光柵檢測技術的實現

紅外線結構光通過平行直線光柵對輪胎進行投射，而用結構光進行掃描檢測時，需要提取結構光條紋的中心線，本文所包含的關鍵技術為對結構光中心線的獲取功能采用Steger算法來實現。Steger算法基于Hessian矩陣，能夠實現光條中心亞像素精度定位：首先通過Hessian矩陣能夠得到光條的法線方向，然后在法線方向利用泰勒展開得到亞像素位置。對于圖像中激光條紋上的任意一點（x，y），Hessian矩陣可以表示為兩行兩列的矩陣：

H（x，y） = [ rxx， rxy， rxy， ryy ]

其中rxx表示圖像沿x的二階偏導數，其他參數類似。需要注意的是在求Hessian矩陣之前需要對圖像進行高斯濾波，高斯濾波時，設置高斯方差ρ<ω/1.732，其中ω為光條寬度。Hessian矩陣最大特征值對應的特征向量對應于光條的法線方向，用（nx，ny） 表示，以點（x0，y0）為基準點，則光條中心的亞像素坐標為：（px，py）=（x0+tnx，y0+tny）。在公式中如果參數取值范圍（tnx，tny）∈[?0.5，0.5]×[?0.5，0.5]，即一階導數為零的點位于當前像素內，且（nx，ny） 方向的二階導數大于指定的閾值，則該點（x0，y0）為光條的中心點，則為亞像素坐標。

上面介紹了結構光條紋的中心線的Steger算法的基本理論，在具體功能實現中采集裝置首先采集得到的為彩色高清圖像，在程序中首先需要轉化為灰度圖像。轉化之后的灰度圖像采用高斯濾波進行去噪處理，調用函數OpenCV函數cv：：GaussianBlur來實現，其中濾波參數Ksize設置為Size（0，0），SigmaX為6，SigmaY為6濾波效果最適合后續的Steger算法對結構光柵的圖像處理。經過Steger算法得到紅外光柵圖像由于投影光柵為平行直線因此在輪胎表面會形成平行的比較清晰的線段圖案，而在非輪胎位置投影比較雜亂不明顯。在輪胎與輪轂的交界處和輪胎邊緣可以很明顯的看到平行線段的完全和斷裂圖案。因此調用OpenCV函數通過曲線擬合的最小二乘法對光柵中心線中點進行擬合為線段集合。根據平行線段的區域和斷點位置，通過霍夫橢圓擬合的算法將斷點集合擬合為一個橢圓。從而確定照片中輪胎輪轂的空間位置。

3 橢圓的檢測算法的實現

本文采用隨機Hough變換橢圓檢測算法，隨機橢圓檢測結合使用了了最小二乘法和Hough變換算法。第一步預處理，獲得較理想的邊緣圖。第二步隨機選取三個點，取這三點為中心相同大小的鄰域中所有點，用最小二乘法把它們擬合成一個橢圓。第三步從邊緣點中再隨機選取第四個點，判斷此點是否在擬合出的圓上。若是，則認為該橢圓是真實橢圓的可能性較大，接著收集證據，驗證該橢圓的真實性。

算法具體過程如下（從第二步開始）：

（1）把邊緣檢測得到的點收進集合V中，失敗計數器f初始值設為0。設定5個閾值，分別是能容忍的失敗次數最大值Tf，檢測進行時對V中邊緣點數量的要求閾值Tem，隨機選取的三點之間兩兩距離最小值Ta，隨機選取的第四點到可能橢圓邊界距離的最大值Td，以及橢圓殘缺比率閾值Tr。

（2）np表示集合V中剩余的點的數量，當np小于Tem時或當失敗次數f大于Tf時停止檢測，算法終止;否則從V中隨機取四點，并從V中刪除這四點。

（3）若用來求解橢圓參數的三個點兩兩之間距離都大于Ta，擬合出橢圓，計算第四個點到該橢圓邊界的距離，若距離小于Td，執行第4步;若不滿足兩者之一，將這四個點返回到V中，失敗次數加一，回到第2步執行。

（4）設E為第3步擬合出來的橢圓，初始化滿足閾值Td的點的個數num。遍歷V中點，計算并判斷它們到橢圓E的邊界的距離是否小于Td，若是則num=num+1，并將該點從V中除去，直到遍歷完成。

（5）若num>=Tr*K，其中K為橢圓E的周長，那么跳轉到第6步;否則認為橢圓E不是真實的橢圓，將第4步和第2步中刪除的num+4個點返回V中，并跳轉到第2步。

（6）認為橢圓E是一個真實存在的橢圓，f置0，并跳轉到第2步。

經過以上步驟擬合出來的橢圓會與系統中以及保存好的橢圓數據進行比對，搜索對應的橢圓信息對應輪胎空間和傾角信息，根據系統所包含的空間信息既可以完成對汽車輪轂測量信息的獲取和校準功能。

參考文獻：

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