基于机器视觉及激光光幕车辆外轮廓尺寸测量系统与方法
【专利摘要】本发明属于测试计量【技术领域】，为在不影响车辆正常行驶状态下，实现车辆的长、宽、高的特征尺寸的高精度、实时快速测量。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是，基于机器视觉及激光光幕的车辆外轮廓尺寸测量系统与方法，包括：第一部分为车辆外轮廓长度尺寸测量模块；第二部分为车辆外轮廓宽度尺寸测量模块；第三部分为车辆外轮廓高度尺寸测量模块；进一步地，同时待检测车辆行驶测量区域的另一侧，相对于横向激光光幕相同高度的位置上安装一组一维激光探测器阵列，用以检测未被待检测车辆遮挡的横向激光光幕输出的激光光束。本发明主要应用于车辆检测。
【专利说明】基于机器视觉及激光光幕车辆外轮廓尺寸测量系统与方法
【技术领域】
[0001]本发明属于测试计量【技术领域】，特别是针对车辆外轮廓尺寸测量技术中的行进车辆的高度尺寸、宽度尺寸及长度尺寸的实时动态测量系统的设计方法，即基于机器视觉及激光光幕的车辆外轮廓尺寸测量系统。
技术背景
[0002]近年来，随着经济的快速发展及国内各类机动车辆保有量逐年快速增长，由大型运输车辆引起的重大交通事故频频发生，从而导致了大量的人员伤害及财产损失。其主要原因为:由于车辆运营企业竞争激烈，过剩的运输能力不断挤压有限的市场空间，运营者为压缩成本，常常在运输车辆超限的条件下运营以增加利润，从而增大的出现重大交通事故概率，给人民生活和社会经济带来了安全隐患。但目前国内对于车辆外轮廓尺寸检测与测量还没有完全达到自动化程度，主要测量方法为手工卷尺法，即根据车辆外廓在地面以及墙壁上的垂直投影，通过卷尺以人工方式对车辆的长、宽、高等特征尺寸进行测量；或者利用卷尺直接在车体上测量，且该方法需要在车辆处于静止状态下，还有一些采用目视的方法来估测，存在测量效率较低，人为误差大，不利于信息管理等局限。
【发明内容】
[0003]为克服现有技术的不足，本发明旨在在不影响车辆正常行驶状态下，实现车辆的长、宽、高的特征尺寸的高精度、实时快速测量。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是，基于机器视觉及激光光幕的车辆外轮廓尺寸测量系统，包括:
[0004]第一部分为车辆外轮廓长度尺寸测量模块；
[0005]在待检测车辆行驶测量区域的左侧，设置4个激光发射器，并发射激光光束，其中第一个激光发射器的位置距离横向与竖向激光光幕架为a，0m < a < 10m，其余激光发射器随激光发射器后每隔I放置一个，2m< I ( 5m ;同时在待检测车辆行驶路径区域的右侧，对应激光发射器与横向与竖向光幕架的等距离且相同高度的位置上分别安装4个激光探测器，用以接收激光发射器输出的激光光束；
[0006]第二部分为车辆外轮廓宽度尺寸测量模块；
[0007]在待检测车辆行驶测量区域内，在与地面平行方向上设置一组激光光幕，即将多个激光发射器以一维排列形式构建一组一维分布的激光发射器阵列，且每两个激光发射器间隔为n, 5mm ≤ n ≤15mm,从而投射与地面垂直的激光光束面,形成竖向激光光幕,该一维激光发射器阵列安装于待检测车辆行驶测量区域的正上方；
[0008]在该竖向激光光幕的一侧的一定高度上安装2台面阵或线阵CXD相机，在竖向激光光幕投射至地面的区域内设置散射体，用以反射激光光幕投射至地面的区域内的激光光条;
[0009]当待检测车辆行驶至竖向激光光幕下时，部分激光光幕中的激光光束被待检测车辆遮挡无法投射至地面区域内的散射体上，而未被待检测车辆遮挡的竖向激光光束投射于地面散射体上后，反射至2部面阵或线阵CXD相机内成像，然后输入至计算机内；
[0010]第三部分为车辆外轮廓高度尺寸测量模块；
[0011]与车辆外轮廓宽度尺寸测量模块相同，在与地面垂直方向上设置一组激光光幕，即将多个激光发射器以一维排列形式构建一组一维分布的激光发射器阵列，且每两个激光发射器间隔为n,5_ < η < 15mm,从而投射与地面平行的激光光束面,形成横向激光光幕，该一维激光发射器阵列安装于待检测车辆行驶测量区域的一侧；
[0012]进一步地，同时待检测车辆行驶测量区域的另一侧，相对于横向激光光幕相同高度的位置上安装一组一维激光探测器阵列，用以检测未被待检测车辆遮挡的横向激光光幕输出的激光光束。
[0013]基于机器视觉及激光光幕车辆外轮廓尺寸测量方法，包括如下步骤:
[0014]步骤I为借助于车辆外轮廓长度尺寸测量模块检测车辆长度尺寸，当车辆的车头部分触碰到横、竖向激光光幕时，触发激光探测器工作，当激光探测器接收到任意激光发射器输出激光光束信号时，则对应面阵CCD相机组对待检测车辆车身图像进行拍摄，并将车身图像传输到计算机上，根据每组面阵CCD相机拍摄的待检测车辆车身图像进行匹配及分害I]，通过图像处理分析算法计算出车辆尾部相对于对该拍摄区域的长度，记为X(m)，结合面阵CXD相机组合标号K，从而计算得出各种车辆型号的长度尺寸L，为L=a+(K-1) X 1+X(m)，K=1、2、3,单位:m ；
[0015]步骤2为借助于车辆外轮廓宽度尺寸测量模块对待检测车辆宽度尺寸测量:竖向激光光幕中每相邻两个激光发射器以间隔n,5mm n ≤ 15mm安装，由于待检测车辆I存在最小宽度，以光幕架中点位置的±0.5m的范围内不设置激光发射器；当待检测车辆I穿过光幕时，部分激光光束被车辆遮挡，而车辆两边未被遮挡的激光光束经由散射体反射后，在面阵或线阵CCD相机内成像，对激光光束成像图像进行处理及计算得出拍摄到的激光反射点数量，设待测车辆两侧的激光反射点数量分别为N1、N2，则待检测车辆的宽度为W=D-(N1+N2) XnX0.001，，单位:m ；
[0016]步骤3为借助于车辆外轮廓高度尺寸测量模块对待检测车辆高度尺寸的测量，横向激光光幕中的一维激光发射器阵列中每个激光发射器以n，5mm≤η≤15mm间隔安装，当待检测车辆驶过横向激光光幕时，部分激光光束被待检测车辆遮挡，从而横向一维激光探测器阵列中的部分激光探测器将无法接收激光光束信号，而未被遮挡的激光光束将由一维激光探测器阵列接收，通过计算处理得出受待检测车辆I遮挡而未接收到横向激光光束的一维激光探测器阵列中激光探测器数量N，从而得出待检测车辆的高度尺寸H，即H=NXnX0.001，单位:m。
[0017]当待检测车辆行驶方向与激光光幕垂直方向存在一定角度时，通过3组面阵CCD相机组中的顶部相机同时拍摄待检测车辆车身与地面图像，通过相机交叉区域实现图像拼接，经拼接后图像分析计算出车辆相对于地面标志线的实时偏斜角度Θ，根据偏斜角度Θ可以修正出车辆实际尺寸，则待检测车辆实际长度为:L’ =L/cos Θ。
[0018]本发明具备下列技术效果:
[0019]本发明是一种基于机器视觉及激光光幕的车辆外轮廓尺寸的测量系统设计方法，该系统简单，成本低，因为采用机器视觉和光投影相结合的方法，使得系统简单化，而且相较于采用二维激光扫描仪，成本得到降低，测量时间短，可测车辆范围较大，本方案利用多台相机对待检测车辆车身进行同步拍摄图像进行图像拼接与匹配处理，大大降低了系统的响应时间和运算时间，可以实现实时检测输出的功能；同时也可实现待检测车辆在正常行驶下外轮廓尺寸的准确测量；由于本发明采用机器视觉技术结合激光光幕检测方式，使得本系统有很强的灵活性和延伸性。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1不出本发明车辆外轮廓尺寸测量系统结构图。
[0021]图2示出本发明车辆外轮廓长度尺寸测量模块原理图。
[0022]图3示出本发明车辆行进角度测量结构图。
[0023]图4示出本发明车辆外轮廓宽度尺寸测量模块原理图。
[0024]图5示出本发明车辆外轮廓高度尺寸测量模块原理图。
[0025]图1中:1为待检测车辆；2为一维激光探测器阵列；3为横向激光光幕；4为竖向激光光幕；5为线阵或面阵CCD相机(I) ；6为线阵或面阵CCD相机(2) ;7为激光光幕架；8为散射体；9为激光发射器(I) ；10为面阵CCD相机组合(I)中相机(a) ;11为面阵CCD相机组合⑴中的相机(b) ；12为激光发射器(2) ;13为面阵CCD相机组合⑵相机(a) ;14为面阵C⑶相机组合⑵相机(b) ;15为激光发射器(3) ;16为面阵C⑶相机组合(3)相机
(a);17为面阵CCD相机组合(3)相机(b) ;18为激光发射器(4) ;19为地面标志线⑴；20为地面标志线(2) ;21为车辆行进路径区域左侧挡板；22为车辆行进路径区域右侧挡板；23为激光探测器(I) ；24为激光探测器(2) ;25为激光探测器(3) ；26为激光探测器(4)。
[0026]图2中:1为待检测车辆；7为激光光幕架；9为激光发射器(I) ；10为面阵CCD相机组合⑴中相机(a) ;11为面阵CXD相机组合⑴中相机(b) ；12为激光发射器(2) ;13为面阵C⑶相机组合⑵中相机(a) ;14为面阵C⑶相机组合⑵中相机(b) ;15为激光发射器⑶；16为面阵CCD相机组合(3)中相机(a) ; 17为面阵CCD相机组合(3)中相机
(b)；18为激光发射器⑷；26为激光探测器⑷。
[0027]图3中:1为待检测车辆；19为地面标志线(I) ；20为地面标志线⑵。
[0028]图4中:1为待检测车辆；5为面阵CCD相机⑴；6为面阵CCD相机⑵；7为激光光幕架；8为散射体；27为面阵CCD相机⑴的光轴；28为面阵CCD相机⑵的光轴。
[0029]图5中:1为待检测车辆；2为一维激光探测器阵列；29为一维激光发射器阵列。
【具体实施方式】
[0030]本发明采用的技术方案是，设计一套基于机器视觉及激光光幕车辆外轮廓尺寸测量系统，本发明由机器视觉技术结合激光光幕分别设计了车辆外轮廓长度尺寸测量模块、车辆外轮廓宽度尺寸测量模块和车辆外轮廓高度尺寸测量模块；
[0031]第一部分为车辆外轮廓长度尺寸测量模块；
[0032]在待检测车辆行驶测量区域的左侧，设置4个激光发射器，并发射激光光束，分别编号激光发射器(I)、(2)、(3)、(4)，其中激光发射器(I)的位置距离横向与竖向激光光幕架为a(其中Om ≤ a≤10m),激光发射器⑵、(3)、⑷随激光发射器(I)后每隔I (2m ≤ a≤5m)放置一个；同时在待检测车辆行驶路径区域的右侧，在激光发射器(I)、
(2)、(3)、(4)与横向与竖向光幕架的等距离且相同高度的位置上分别安装4个激光探测器(I)、(2)、(3)、(4)，用以接收激光发射器(1)、(2)、(3)、⑷输出的激光光束；
[0033]进一步地，分别在激光发射器(I)、(2)，激光发射器(2)、(3)，激光发射器(3)、(4)的中间位置安装3组面阵CCD相机组合(1)、(2)、(3)，以实现对待检测车辆侧面车身图像的米集；
[0034]进一步地，在待检测车辆正常行驶与横向与竖向激光光幕接触时，触发4个激光探测器(I)、(2)、(3)、(4)工作，分别检测4个激光发射器(I)、(2)、(3)、(4)输出的激光光束是否被待检测车辆遮挡，当激光探测器(2)、(3)、(4)中检测到有激光光束未被车身遮挡时，则对应的面阵CCD相机组合(I)、(2)、(3)同时同步对待检测车辆的车身上下两个位置进行拍摄；
[0035]进一步地，将拍摄到的车身图像输入至计算机内通过图像处理算法进行匹配及轮廓提取，从而获取图像内待检测车辆的长度尺寸L，最终实现对待检测车辆的长度测量；同时待检测车辆的行驶测量区域画有地面标志线，通过对拍摄图像获得待检测车辆行驶方向与地面标志线的角度Θ，从而实现待检测车辆长度尺寸L’的准确测量；
[0036]第二部分为车辆外轮廓宽度尺寸测量模块；
[0037]在待检测车辆行驶测量区域内，在与地面平行方向上设置一组激光光幕，即将多个激光发射器以一维排列形式构建一组一维分布的激光发射器阵列，且每两个激光发射器间隔为n (5mm ≤ n ≤ 15mm),从而投射与地面垂直的激光光束面,形成竖向激光光幕,该一维激光发射器阵列安装于待检测车辆行驶测量区域的正上方；
[0038]进一步地，在该竖向激光光幕的一侧的一定高度上安装2台面阵或线阵CXD相机，在竖向激光光幕投射至地面的区域内设置散射体，用以反射激光光幕投射至地面的区域内的激光光条。
[0039]进一步地，当待检测车辆行驶至竖向激光光幕下时，部分激光光幕中的激光光束被待检测车辆遮挡无法投射至地面区域内的散射体上，而未被待检测车辆遮挡的竖向激光光束投射于地面散射体上后，反射至2部面阵或线阵CXD相机内成像，然后输入至计算机内；
[0040]进一步地，通过计算机对2部面阵或线阵CXD相机采集的激光光束图像分别进行分析处理，通过成像系统标定的参数获得2个实际投射至散射体上的激光光束宽度尺寸，利用实际竖向激光光幕宽度尺寸D减去2个未被待检测车辆遮挡的激光光束宽度尺寸,实现对待检测车辆的实际宽度W获取；
[0041]第三部分为车辆外轮廓高度尺寸测量模块；
[0042]与车辆外轮廓宽度尺寸测量模块相同，在与地面垂直方向上设置一组激光光幕，即将多个激光发射器以一维排列形式构建一组一维分布的激光发射器阵列，且每两个激光发射器间隔为n (5mm ≤ n ≤ 15mm),从而投射与地面平行的激光光束面,形成横向激光光幕，该一维激光发射器阵列安装于待检测车辆行驶测量区域的一侧；
[0043]进一步地，同时待检测车辆行驶测量区域的另一侧，相对于横向激光光幕相同高度的位置上安装一组一维激光探测器阵列，用以检测未被待检测车辆遮挡的横向激光光幕输出的激光光束；
[0044]进一步地，当待检测车辆行驶至横向激光光幕内时，部分横向激光光幕中的激光光束被待检测车辆遮挡无法投射至待检测车辆行驶区域另一侧的一维激光探测器阵列上，通过检测未接收到横向激光光幕投射出的激光光束的激光探测器数量N，实现对待检测车辆的高度H的准确测量。
[0045]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作详细描述。
[0046]步骤I为待检测车辆长度尺寸测量，测量过程如图1，2所示，当待检测车辆I行正常驶入待检测车辆行进路径区域挡板(I)、(2)之间区域内，即待检测车辆行驶测量区域，当车辆的车头部分触碰到横、竖向激光光幕I时，触发激光探测器(I)、(2)、(3)、(4)工作，当激光探测器(I)、(2)、(3)、(4)接收到任意激光发射器(2)、(3)、(4)输出激光光束信号时，则对应面阵CCD相机组(I)、(2)、(3)对待检测车辆车身图像进行拍摄，并将车身图像传输到计算机上，根据每组面阵CCD相机拍摄的待检测车辆车身图像进行匹配及分割，通过图像处理分析算法计算出车辆尾部相对于对该拍摄区域的长度，记为X(m)，结合面阵CCD相机组合标号K，从而计算得出各种车辆型号的长度尺寸L，为L=a+(K-1) Xl+X(m)，K=1、2、
3,(单位:m)。
[0047]当待检测车辆I行驶方向与激光光幕垂直方向存在一定角度时，通过3组面阵CCD相机组(I)、(2)、(3)中的顶部相机(a)同时拍摄待检测车辆车身与地面图像，通过相机交叉区域实现图像拼接，经拼接后图像分析计算出车辆相对于地面标志线的实时偏斜角度Θ，如图3所示，根据偏斜角度Θ可以修正出车辆实际尺寸，则待检测车辆实际长度为:L，=L/cos Θ。
[0048]步骤2为对待检测车辆宽度尺寸测量:测量过程如图4所示，竖向激光光幕4中每相邻两个激光发射器以间隔n(5mm<η<15mm)安装，由于待检测车辆I存在最小宽度，以光幕架中点位置的±0.5m的范围内不设置激光发射器；当待检测车辆I穿过光幕时，部分激光光束被车辆遮挡，而车辆两边未被遮挡的激光光束经由散射体8反射后,在面阵或线阵CCD相机5，6内成像，对激光光束成像图像进行处理及计算得出拍摄到的激光反射点数量，设待测车辆两侧的激光反射点数量分别为N1、N2，则待检测车辆的宽度为ff=D-(Nl+N2) XnX0.001，(单位:m);本方法采用面阵或线阵CXD相机成像方法，且地面散射体受灰尘及污溃影响较小，更换较为方便，因此很好地解决了路面污溃干扰问题。
[0049]如图3所示，经过待检测车辆长度测量步骤I中得出的车辆行驶偏斜角度Θ，同理可以求出待检测车辆I的实际长度为r =WXcos θ。
[0050]步骤3为对待检测车辆I高度尺寸的测量，如图4所示，横向激光光幕中的一维激光发射器阵列3中每个激光发射器以n(5mm<η<15mm)间隔安装，当待检测车辆I驶过横向激光光幕时，部分激光光束被待检测车辆I遮挡，从而横向一维激光探测器阵列2中的部分激光探测器将无法接收激光光束信号，而未被遮挡的激光光束将由一维激光探测器阵列2接收，通过计算处理得出受待检测车辆I遮挡而未接收到横向激光光束的一维激光探测器阵列中激光探测器数量N，从而得出待检测车辆的高度尺寸H，即H=NXnX0.001，(单位:m)。
【权利要求】
1.一种基于机器视觉及激光光幕的车辆外轮廓尺寸测量系统，其特征是，包括: 第一部分为车辆外轮廓长度尺寸测量模块； 在待检测车辆行驶测量区域的左侧，设置4个激光发射器，并发射激光光束，其中第一个激光发射器的位置距离横向与竖向激光光幕架为a，Om < a < 10m，其余激光发射器随激光发射器后每隔I放置一个，2m < I ( 5m ;同时在待检测车辆行驶路径区域的右侧，对应激光发射器与横向与竖向光幕架的等距离且相同高度的位置上分别安装4个激光探测器，用以接收激光发射器输出的激光光束； 第二部分为车辆外轮廓宽度尺寸测量模块； 在待检测车辆行驶测量区 域内，在与地面平行方向上设置一组激光光幕，即将多个激光发射器以一维排列形式构建一组一维分布的激光发射器阵列，且每两个激光发射器间隔为n，5mm < η < 15mm,从而投射与地面垂直的激光光束面，形成竖向激光光幕，该一维激光发射器阵列安装于待检测车辆行驶测量区域的正上方；在该竖向激光光幕的一侧的一定高度上安装2台面阵或线阵CCD相机，在竖向激光光幕投射至地面的区域内设置散射体，用以反射激光光幕投射至地面的区域内的激光光条；当待检测车辆行驶至竖向激光光幕下时，部分激光光幕中的激光光束被待检测车辆遮挡无法投射至地面区域内的散射体上，而未被待检测车辆遮挡的竖向激光光束投射于地面散射体上后，反射至2部面阵或线阵CXD相机内成像，然后输入至计算机内； 第三部分为车辆外轮廓闻度尺寸测量模块； 与车辆外轮廓宽度尺寸测量模块相同，在与地面垂直方向上设置一组激光光幕，即将多个激光发射器以一维排列形式构建一组一维分布的激光发射器阵列，且每两个激光发射器间隔为η < 15mm,从而投射与地面平行的激光光束面,形成横向激光光幕,该一维激光发射器阵列安装于待检测车辆行驶测量区域的一侧； 进一步地，同时待检测车辆行驶测量区域的另一侧，相对于横向激光光幕相同高度的位置上安装一组一维激光探测器阵列，用以检测未被待检测车辆遮挡的横向激光光幕输出的激光光束。
2.一种基于机器视觉及激光光幕的车辆外轮廓尺寸测量方法，其特征是，包括如下步骤: 步骤I为借助于车辆外轮廓长度尺寸测量模块检测车辆长度尺寸，当车辆的车头部分触碰到横、竖向激光光幕时，触发激光探测器工作，当激光探测器接收到任意激光发射器输出激光光束信号时，则对应面阵CCD相机组对待检测车辆车身图像进行拍摄，并将车身图像传输到计算机上，根据每组面阵CCD相机拍摄的待检测车辆车身图像进行匹配及分割，通过图像处理分析算法计算出车辆尾部相对于对该拍摄区域的长度，记为X(m)，结合面阵CXD相机组合标号K，从而计算得出各种车辆型号的长度尺寸L，为L=a+(K-1) X 1+X(m)，K=1、2、3,单位:m ； 步骤2为借助于车辆外轮廓宽度尺寸测量模块对待检测车辆宽度尺寸测量:竖向激光光幕中每相邻两个激光发射器以间隔n, 5mm ^ n ^ 15mm安装，由于待检测车辆I存在最小宽度，以光幕架中点位置的±0.5m的范围内不设置激光发射器；当待检测车辆I穿过光幕时，部分激光光束被车辆遮挡，而车辆两边未被遮挡的激光光束经由散射体反射后，在面阵或线阵CCD相机内成像，对激光光束成像图像进行处理及计算得出拍摄到的激光反射点数量，设待测车辆两侧的激光反射点数量分别为A、N2，则待检测车辆的宽度为W=D-(N+N2) XnX0.001,,单位:m ； 步骤3为借助于车辆外轮廓高度尺寸测量模块对待检测车辆高度尺寸的测量，横向激光光幕中的一维激光发射器阵列中每个激光发射器以n，5mm≤n≤15mm间隔安装，当待检测车辆驶过横向激光光幕时，部分激光光束被待检测车辆遮挡，从而横向一维激光探测器阵列中的部分激光探测器将无法接收激光光束信号，而未被遮挡的激光光束将由一维激光探测器阵列接收，通过计算处理得出受待检测车辆I遮挡而未接收到横向激光光束的一维激光探测器阵列中激光探测器数量N，从而得出待检测车辆的高度尺寸H，即H=NXnX0.001，单位:m。 当待检测车辆行驶方向与激光光幕垂直方向存在一定角度时，通过3组面阵CCD相机组中的顶部相机同时拍摄待检测车辆车身与地面图像，通过相机交叉区域实现图像拼接，经拼接后图像分析计算出车辆相对于地面标志线的实时偏斜角度Θ，根据偏斜角度Θ可以修正出车辆实际尺寸，则待检测车辆实际长度为:L’ =L/cos Θ。
【文档编号】G01B11/24GK103453836SQ201310396183
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月3日 优先权日:2013年9月3日
【发明者】段发阶, 段晓杰, 吴韡, 徐赢, 吕昌荣, 蒋佳佳 申请人:天津大学