CN104268884B - 一种基于车联网的车道偏离预警的标定系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于车联网的车道偏离预警的标定系统和标定方法，系统包括：车道偏离预警系统、实现数据无线传输的车联网系统和标定板；其中，所述车道偏离预警系统包括：一控制器单元和一摄像头，摄像头安装于车辆前方挡风玻璃处，且摄像头光轴与地平面的俯仰夹角θ，摄像头离地高度H，与前保险杠距离S，其中，θ、H与S为待标定值；所述车联网系统包括：车载终端和车联网平台、后台电脑；所述标定板为一黑白相间的棋盘格，并位于所述摄像头的正前方，标定板的棋盘左上角的第一个角点距地面高度h，h为固定值，且所述标定板垂直于车身纵向中轴线，标定板的棋盘纵向直线又垂直于地面，其中，所述角点是指相邻的黑白方格的交点。

Description

一种基于车联网的车道偏离预警的标定系统和方法

技术领域

本发明涉及汽车电子技术领域，特别是涉及一种基于车联网的车道偏离预警系统标定方法。

背景技术

车联网是物联网在智能交通领域的运用，它将汽车视为一个超级传感器节点，集成了上百只传感器，通过移动通讯技术、汽车导航系统、智能终端设备与信息网络平台，使车与路、车与车、车与人、车于城市之间实时联网，实现信息互联互通，从而对车、人、物、路、位置等进行有效的智能监控、调度、管理的网络系统。

车道偏离预警系统是一种驾驶辅助系统，该系统利用安装在车辆前方的前视摄像头对路况进行实时监控，在汽车发生车道偏离现象时进行报警，及时提醒司机修正驾驶状态。为了使成像更加准确，需要对摄像头的内部参数和外部参数进行标定，以得到准确的图像坐标系和世界坐标系的转换关系。

通常地，车道偏离预警系统中的摄像头标定需要用到的主要设备有笔记本电脑、CAN总线分析仪、视频采集设备等，这种标定车道偏离预警系统的方法采用了较多的通信设备，不仅效率较低，使用不方便，成本也比较高。

在标定车道偏离预警系统的过程中需要拍摄距摄像头不同距离的标定板的图片，为得到高质量标定结果，需精确移动标定板的位置，对操作人员的要求较高。此外，这种标定车道偏离预警系统的方法需要较长时间，车辆要等到标定完成后才能进入下一工位，生产效率较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种标定精度高、速度快、操作简便的车道偏离预警系统标定方法和系统。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

一种基于车联网的车道偏离预警的标定系统，包括：

车道偏离预警系统、实现数据无线传输的车联网系统和标定板；

其中，所述车道偏离预警系统包括：一控制器单元和一摄像头，摄像头安装于车辆前方挡风玻璃处，且摄像头光轴与地平面的俯仰夹角θ，摄像头离地高度H，与前保险杠距离S，其中，θ、H与S为待标定值；

所述车联网系统包括：车载终端和车联网平台、后台电脑；

所述标定板为一黑白相间的棋盘格，并位于所述摄像头的正前方，标定板的棋盘左上角的第一个角点距地面高度h，h为固定值，且所述标定板垂直于车身纵向中轴线，标定板的棋盘纵向直线又垂直于地面，其中，所述角点是指相邻的黑白方格的交点。

进一步地，优选的是，所述标定板的棋盘左上角的第一个角点距地面高度h为1.2～1.7m。

进一步地，优选的是，所述标定板的尺寸如下：

整体尺寸：横500mmx纵700mm，单个方格尺寸：横80mmx纵80mm，完整方格数：2x8，且边缘都为不完整方格。

进一步地，优选的是，所述车联网平台包括：一云计算处理平台和数据分析平台，所述车载终端安装在车辆的中控台。

进一步地，优选的是，所述摄像头，用于在汽车开到标定板与车辆的前保险杠距离s1时，拍摄一张标定板的图片，并将图片传到控制器单元；

所述控制器单元，用于将收到的图片通过车载终端发送到车联网平台；所述车联网平台，用于将图片发送至后台电脑；

所述后台电脑，用于读取所述标定板的图片并判断是否检测到标定板的全部角点，并输出标定是否成功的消息。

进一步地，优选的是，所述标定板与车辆的前保险杠距离s1为0.5～2m。

进一步地，优选的是，所述控制器单元，进一步在标定成功后，生成参数文件，并发送至车载终端；

其中，参数文件里包括θ、H与S的数值，每参数最终生成的是一个32bit的2进制数，三个参数以2进制文件格式，并保存到控制器的flash闪存中；

所述车载终端，收到参数文件后，将参数文件发送给控制器单元，所述控制器单元根据参数文件修改控制器参数，并把参数保存至flash闪存中，完成标定。

进一步地，优选的是，所述参数文件的计算方法如下：

W(X,Y,Z)——C(x,y,z)——I(x’,y’)——E(x”,y”)——F(M,N)，具体包括：

(1)从世界坐标系W(X,Y,Z)到摄像机3D坐标系C(x,y,z)之间的变换；

(2)从到摄像机3D坐标系C(x,y,z)到无奇变的像平面坐标系I(x’,y’)之间的变换；

(3)从无奇变的像平面坐标系I(x’,y’)到存在光学成像奇变的实际像平面坐标系E(x”,y”)之间的变换；

(4)从存在光学成像奇变的实际像平面坐标系E(x”,y”)到计算机数字图像存储器坐标系F(M,N)之间的变换；包括：

将世界坐标系固结于标定板左上角点，记为O_w，摄像头坐标系固结于摄像头光轴中心，记为O_c，图像的成像坐标系为忽略摄像头的畸变(小角度摄像头可认为是针孔模型，无畸变)，坐标系映射关系如下:

其中，

上式即通过摄像头外参变换矩阵R建立了图像坐标系和棋盘坐标系的映射关系；

将旋转矩阵R简化为R_y，即仅考虑俯仰夹角的旋转矩阵为：

考虑摄像头到棋盘的平移向量，合并后的外参矩阵为：

其中，t1、t2、t3为摄像头中心到棋盘左上角的角点的偏移量；由上述公式整理得到：

对①式整理后有：X_w·cosθ-xX_w·sinθ+t1+x·t3＝0

利用sinθ与cosθ关系进行归一化处理，并用所有角点坐标数据循环迭代，求解上式，最终得到θ，t1，t3的数值解，得到摄像头相对于车辆前保险杠的与前保险杠距离S和离地高度H分别为

一种基于车联网的车道偏离预警的标定方法，包括：

步骤1)在平坦路面情况下，基于摄像头拍摄一张平坦的前方道路图片，并将图片发送至后台控制电脑，该图片中包含道路的车道线；前方道路图片是平面的，整幅图片的像素点共720*480个；

步骤2)以图片中的车道线为依据并向前方延长，并获取延长车道线汇聚交点与图像中心的垂直像素偏移量；

步骤3)根据摄像头的参数和所述垂直像素偏移量计算摄像头俯仰夹角，其公式如下：

tanθ＝y/f_y；

其中，y为地平线的垂直偏移像素，f_y为摄像头垂直方向的等效焦距，θ值为摄像头俯仰夹角。

进一步地，优选的是，所述平坦路面的长度大于200米。

与现有标定方法相比，本发明具有以下优点：

1、标定精度高，本发明中标定板与摄像头的距离是固定的，不需要频繁移动标定板的位置，标定结果更加精确；

2、标定速度快，本发明中车辆只需在标定工位由摄像头采集一张图片即可进入下一工位，标定过程均在后台控制器进行，标定速度更快；

3、标定成本低，本发明所需的标定设备减少，成本大大降低。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

下面结合附图对本发明进行详细的描述，以使得本发明的上述优点更加明确。其中，

图1是本发明实施例中基于车联网的车道偏离预警系统标定系统的方法示意图；

图2是本发明实施例中基于车联网的车道偏离预警系统标定系统的标定方法示意图；

图3是本发明实施例中基于车联网的车道偏离预警系统标定系统的拍摄图像示意图；

图4是本发明实施例中基于车联网的车道偏离预警系统标定系统的对拍摄图像进行检测的效果示意图；

图5是本发明实施例中基于车联网的车道偏离预警系统标定系统的标定方法原理示意图；

图6是本发明实施例中基于车联网的车道偏离预警系统标定系统的各个参照物的坐标示意图；

图7是本发明实施例中基于车联网的车道偏离预警系统标定方法的拍摄图像示意图；

图8是是本发明实施例中基于车联网的车道偏离预警系统标定方法的坐标示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

本发明结合车联网无线传输技术优势，提供了一种基于车联网的车道偏离预警系统标定方法，以实现对车道偏离预警系统中摄像机精确、快速、简便地标定。如图1-图8所示。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于车联网的车道偏离预警系统标定方法，包括待标定的车道偏离预警系统，用于实现数据无线传输的车联网系统，以及标定用的标定板；所述的车道偏离预警系统包括一控制器单元和一摄像头；所述的车联网系统包括车载终端和车联网平台(云计算处理平台和数据分析平台)；所述标定板为标准棋盘格式标定板(如图2所示)，标定板放置在距离摄像头前方一定距离的位置；

所述摄像头安装在车辆前方挡风玻璃处，如图3所示，其车载终端安装在车辆的中控台，能实现对车辆所有工作情况和静、动态信息的采集、存储并发送；

所述车联网平台能实现对车载终端传至后台数据库的信息的筛选、总结并将数据提交给管理人员。

具体来说，一种基于车联网的车道偏离预警的标定系统，包括：

车道偏离预警系统、实现数据无线传输的车联网系统和标定板；

其中，所述车道偏离预警系统包括：一控制器单元和一摄像头，摄像头安装于车辆前方挡风玻璃处，且摄像头光轴与地平面的俯仰夹角θ，摄像头离地高度H，与前保险杠距离S，其中，θ、H与S为待标定值；

所述车联网系统包括：车载终端和车联网平台、后台电脑；

所述标定板为一黑白相间的棋盘格，并位于所述摄像头的正前方，标定板的棋盘左上角的第一个角点距地面高度h，h为固定值，且所述标定板垂直于车身纵向中轴线，标定板的棋盘纵向直线又垂直于地面，其中，所述角点是指相邻的黑白方格的交点。

进一步地，优选的是，所述标定板的棋盘左上角的第一个角点距地面高度h为1.2～1.7m。

进一步地，优选的是，所述标定板的尺寸如下：

整体尺寸：横500mmx纵700mm，单个方格尺寸：横80mmx纵80mm，完整方格数：2x8，且边缘都为不完整方格。

进一步地，优选的是，所述车联网平台包括：一云计算处理平台和数据分析平台，所述车载终端安装在车辆的中控台。

进一步地，优选的是，所述摄像头，用于在汽车开到标定板与车辆的前保险杠距离s1时，拍摄一张标定板的图片，并将图片传到控制器单元；

所述控制器单元，用于将收到的图片通过车载终端发送到车联网平台；所述车联网平台，用于将图片发送至后台电脑；

所述后台电脑，用于读取所述标定板的图片并判断是否检测到标定板的全部角点，并输出标定是否成功的消息。

进一步地，优选的是，所述标定板与车辆的前保险杠距离s1为0.5～2m。

进一步地，优选的是，所述控制器单元，进一步在标定成功后，生成参数文件，并发送至车载终端；

其中，参数文件里包括θ、H与S的数值，每参数最终生成的是一个32bit的2进制数，三个参数以2进制文件格式，并保存到控制器的flash闪存中；

所述车载终端，收到参数文件后，将参数文件发送给控制器单元，所述控制器单元根据参数文件修改控制器参数，并把参数保存至flash闪存中，完成标定。

进一步地，优选的是，所述参数文件的计算方法如下：

W(X,Y,Z)——C(x,y,z)——I(x’,y’)——E(x”,y”)——F(M,N)，具体包括：

(1)从世界坐标系W(X,Y,Z)到摄像机3D坐标系C(x,y,z)之间的变换；

(2)从到摄像机3D坐标系C(x,y,z)到无奇变的像平面坐标系I(x’,y’)之间的变换；

(3)从无奇变的像平面坐标系I(x’,y’)到存在光学成像奇变的实际像平面坐标系E(x”,y”)之间的变换；

(4)从存在光学成像奇变的实际像平面坐标系E(x”,y”)到计算机数字图像存储器坐标系F(M,N)之间的变换；包括：

将世界坐标系固结于标定板左上角点，记为O_w，摄像头坐标系固结于摄像头光轴中心，记为O_c，图像的成像坐标系为忽略摄像头的畸变(小角度摄像头可认为是针孔模型，无畸变)，坐标系映射关系如下:

其中，

上式即通过摄像头外参变换矩阵R建立了图像坐标系和棋盘坐标系的映射关系；

将旋转矩阵R简化为R_y，即仅考虑俯仰夹角的旋转矩阵为：

考虑摄像头到棋盘的平移向量，合并后的外参矩阵为：

其中，t1、t2、t3为摄像头中心到棋盘左上角的角点的偏移量；由上述公式整理得到：

对①式整理后有：X_w·cosθ-xX_w·sinθ+t1+x·t3＝0

利用sinθ与cosθ关系进行归一化处理，并用所有角点坐标数据循环迭代，求解上式，最终得到θ，t1，t3的数值解，得到摄像头相对于车辆前保险杠的与前保险杠距离S和离地高度H分别为

与现有标定方法相比，本发明具有以下优点：

1、标定精度高，本发明中标定板与摄像头的距离是固定的，不需要频繁移动标定板的位置，标定结果更加精确；

2、标定速度快，本发明中车辆只需在标定工位由摄像头采集一张图片即可进入下一工位，标定过程均在后台控制器进行，标定速度更快；

3、标定成本低，本发明所需的标定设备减少，成本大大降低；

下面结合附图1对本发明所涉及的标定流程进行详细说明。

S1图片采集，具体为：

S11、将汽车开到标定工位；

S12、启动标定流程，摄像头拍摄一张标定板的图片，并将拍摄到的图片传到控制器单元；

S13、控制器单元将收到的图片通过车联网终端发送到车联网平台；

S14、发送成功后，汽车即可开到下一工位。

S2后台标定，具体为：

S21、后台电脑通过车联网平台获得图片，将图片导入标定程序并完成标定；

S22、标定完成后，后台电脑生成参数文件，存档后通过车联网平台发送至相应的车载终端；

S3修改参数，具体为：

S31、车载终端收到参数文件后，将参数文件发送给控制器单元；S32、控制器单元自动根据参数文件修改控制器参数，完成标定。

因摄像头是黏贴在前挡风玻璃上的，在用户使用过程中由于某种原因(如碰撞等)，摄像头需要重新安装，就需要重新对摄像头进行标定。

标定过程如下：

一、标定参数

摄像头光轴与地平面的俯仰夹角θ(假定无其他两个方向的旋转，由安装精度保证)；

摄像头离地高度H，与前保险杠距离S(对于固定车型的两个参数也可通过车辆设计值直接获得)

参照图1，将标定板放在车辆前方正中央，尽可能靠近车身，同时保证棋盘在图像中能够完全显示，测量标定板与前保险杠距离s1(0.5～2m)，以及棋盘左上角第一个角点距地面高度h(1.2～1.7m)。

标定板摆放需求：标定板平面垂直于地面和车身纵向中轴线，棋盘纵向直线垂直于地面。

计算参数

后台电脑获得标定图像后，运行角点识别算法，自动计算参数。

若可将全部角点检测到，会输出如图2所示的检测结果，则可标定成功；若输出图像上无角点标识，说明无法检测到所有角点，提示标定失败。有两种应对措施如下：

前后或上下移动标定板，测量输入数据s1及h，重新采集图像进行标定；

后台电脑设置减少期望检测到的角点数。例如，原来的期望角点数为3x9，可改为3x8或3x7等，直至判定通过。

由于标定过程需要专业人员和设备，车主需将汽车开到标定场地进行标定，过程较为复杂。针对此种情形，本发明也有较好的解决方案。此种情况下的工作流程如下：

在平坦路面情况下，车主发出重新标定申请，控制器单元自动控制摄像头拍摄一张平坦的前方道路图片，通过车联网系统将图片发送至后台控制电脑，后台操作人员根据道路图片完成标定，并将标定参数文件通过车联网系统发送到相应控制器单元，控制器单元根据参数文件修改控制器参数即可完成标定。

此种标定方案主要是用于汽车出厂以后，4s店的保养维修或者控制器更换以后的摄像头俯仰夹角校正。摄像头离地高度H，与前保险杠距离S沿用车型默认参数，不作标定。

采集标定图像

将车辆开至有清晰车道线，平整度较高的路面，道路长度超过200m。利用车载终端发出拍照命令，控制器通过摄像头拍摄一张道路图片，并通过车联网平台传输至后台电脑。

计算水平线像素坐标

后台电脑获得标定图像后，运行车道线识别算法，自动计算车道线轨迹。延长车道线，将汇聚于一点，此交点即为实际地面水平线位置。记录下此交点的与图像中心的垂直像素偏移量y。

计算摄像头俯仰夹角θ

根据摄像头成像原理公式：tanθ＝y/fy。

y为地平线的垂直偏移像素，f为摄像头的焦距，由凸透镜设计值得到，从而计算得到θ值。

以上实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权力要求的保护范围为准。

需要说明的是，对于上述方法实施例而言，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。

而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于车联网的车道偏离预警的标定方法，包括：

步骤1)在平坦路面情况下，基于摄像头拍摄一张平坦的前方道路图片，并将图片发送至后台控制电脑，该图片中包含道路的车道线；前方道路图片是平面的，整幅图片的像素点共720*480个；

步骤2)以图片中的车道线为依据并向前方延长，并获取延长车道线汇聚交点与图像中心的垂直像素偏移量；

步骤3)根据摄像头的参数和所述垂直像素偏移量计算摄像头俯仰夹角，其公式如下：

tanθ＝y/f_y；

其中，y为地平线的垂直偏移像素，f_y为摄像头垂直方向的等效焦距，θ值为摄像头俯仰夹角。

2.根据权利要求1所述的基于车联网的车道偏离预警的标定方法，其特征在于，所述平坦路面的长度大于200米。

3.一种基于车联网的车道偏离预警的标定系统，用于执行权利要求1所述的标定方法，具体包括：

车道偏离预警系统、实现数据无线传输的车联网系统和标定板；

其中，所述车道偏离预警系统包括：一控制器单元和一摄像头，摄像头安装于车辆前方挡风玻璃处，且摄像头光轴与地平面的俯仰夹角θ，摄像头离地高度H，与前保险杠距离S，其中，θ、H与S为待标定值；

所述车联网系统包括：车载终端和车联网平台、后台电脑；

所述标定板为一黑白相间的棋盘格，并位于所述摄像头的正前方，标定板的棋盘左上角的第一个角点距地面高度h，h为固定值，且所述标定板垂直于车身纵向中轴线，标定板的棋盘纵向直线又垂直于地面，其中，所述角点是指相邻的黑白方格的交点。

4.根据权利要求3所述的基于车联网的车道偏离预警的标定系统，其特征在于，所述标定板的棋盘左上角的第一个角点距地面高度h为1.2～1.7m。

5.根据权利要求3或4所述的基于车联网的车道偏离预警的标定系统，其特征在于，所述标定板的尺寸如下：

整体尺寸：横500mmx纵700mm，单个方格尺寸：横80mmx纵80mm，完整方格数：2x8，且边缘都为不完整方格。

6.根据权利要求3所述的基于车联网的车道偏离预警的标定系统，其特征在于，所述车联网平台包括：一云计算处理平台和数据分析平台，所述车载终端安装在车辆的中控台。

7.根据权利要求3或4所述的基于车联网的车道偏离预警的标定系统，其特征在于，所述摄像头，用于在汽车开到标定板与车辆的前保险杠距离s1时，拍摄一张标定板的图片，并将图片传到控制器单元；

所述控制器单元，用于将收到的图片通过车载终端发送到车联网平台；所述车联网平台，用于将图片发送至后台电脑；

所述后台电脑，用于读取所述标定板的图片并判断是否检测到标定板的全部角点，并输出标定是否成功的消息。

8.根据权利要求7所述的基于车联网的车道偏离预警的标定系统，其特征在于，所述标定板与车辆的前保险杠距离s1为0.5～2m。

9.根据权利要求3或4所述的基于车联网的车道偏离预警的标定系统，其特征在于，所述控制器单元，进一步在标定成功后，生成参数文件，并发送至车载终端；

其中，参数文件里包括θ、H与S的数值，每参数最终生成的是一个32bit的2进制数，三个参数以2进制文件格式，并保存到控制器的flash闪存中；

所述车载终端，收到参数文件后，将参数文件发送给控制器单元，所述控制器单元根据参数文件修改控制器参数，并把参数保存至flash闪存中，完成标定。