CN107622500B - 一种基于视觉传感的重型车后方碰撞预警方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视觉传感的重型车后方碰撞预警方法及其装置，将改进的单目测距原理与图像处理技术结合，通过摄像头采集后方车辆图像，经MATLAB处理、定位、裁剪得到车牌，由于车牌高度与保险杠高度相同，可得到后方车辆保险杠高度和两车距离，从而有目的地调节货车保险杠高度，使追尾车辆与货车有较好的碰撞相容性。本发明不仅成本低，反应速度快，而且控制精度高，最重要的是避免后车追尾“钻入”前车车底事故的发生。

Description

一种基于视觉传感的重型车后方碰撞预警方法及其装置

技术领域

本发明涉及图像处理和机器视觉技术领域，更具体的说是涉及一种基于视觉传感的重型车后方碰撞预警方法，主要应用于面向重型货车的后方车辆碰撞预警。

背景技术

在交通事故中，小型汽车追尾碰撞重型载货汽车是一种十分危险的事故形态，往往会造成重大的人员伤亡和经济损失。由于重型货车车厢、车架刚度大，车厢高度高，小型汽车的受力点正好是前挡风玻璃下沿处，这就造成了碰撞相容性的恶化。如果货车安装了合适的后防护系统，则其后下部防护系统将对重型货车驾驶员做出预警并阻止小型汽车碰撞后钻入重型货车下部，达到减小对小型汽车驾驶人员伤害的目的。因此，基于车牌识别的车牌高度测量显得十分重要。

目前，车牌定位、字符识别和分割技术已经十分成熟，但国内外基于车牌识别的车牌高度测量方法很是少见。随着车辆的逐渐增多，交通安全显得尤为重要，其中测距技术则是保证车辆安全的关键。目前，用于汽车测距的方法主要有以下几种方式:(1)毫米波雷达测距：存在电磁干扰，测距时必须防止外界电磁波对测距装置的干扰；(2)超声波测距：此测距方法对环境要求比较严格，一是超声波波速受外界影响较大，二是距离越远，超声波损失越大；(3)激光测距：成像速度慢，成本高，对装置的平衡要求过于严格，一般不应用于移动物体的测距。(4)视觉测距：视觉具有丰富的可视信息，采用摄像机作为机器视觉手段，它是一种“基于图像的距离测量方法”，即把图像当作检测和传递信息的手段或载体，并从中获得距离、方位等环境信息。与单目视觉测距相比，多目测距成本高，成像速度慢，而传统的单目测距大都依靠车宽和车道线，对车辆位置要求比较严格，不能普及。

视觉车牌定位的主要方法有：①基于灰度图像的车牌定位方法；②基于小波变换的车牌定位方法；③基于形态学的车牌定位方法；④基于神经网络的车牌定位方法。这些算法在某些特定条件下识别效果较好，但在恶劣条件下，综合一些诸如天气、背景、车牌磨损和图像倾斜等干扰因素的影响，还不能完全满足实际应用的要求，有待进一步研究。

因此，如何提供一种定位准确、成像速度快的重型车后方碰撞预警方法及其装置是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种定位准确、成像速度快的重型车后方碰撞预警方法及其装置。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于视觉传感的重型车后方碰撞预警方法，包括步骤如下：

(1)先将图像采集器采集的图像进行感兴趣区域裁剪，再对图像进行预处理操作，包括降噪和自适应灰度拉伸；

(2)对预处理降噪后的图像进行边缘检测；

(3)将经过边缘检测的图像依次进行闭运算、均值滤波处理；

(4)采用图像特征提取的方法进行车牌定位；

(5)根据小孔成像原理，由车牌位置推导出实际距离；

(6)将实地测量数据经MATLAB拟合出距离-像素点曲线，实现两车距离与像素尺寸转换；

(7)将车牌中心对应的像素坐标与实际距离对应的像素坐标作差，即为车牌中心距地面高度对应的像素点数，因车牌平面垂直于地面，而竖直面在图像中比例不变，车牌中心X₁坐标，与车距对应在图像中的X₂坐标作差，根据比例关系可得车牌高度；

(8)将已知的车牌高度和两车距离信号传给预警系统，当预警系统检测后车即将发生追尾碰撞时，预警系统发出预警信号，并发出指令控制后保险杠下降相应高度并自锁。

需要说明的是：传统的单目测距方法都大多依靠车道线和车宽来测量两车距离，而本发明不需要依靠车道线和车宽，应用小孔成像原理及三角形相似原理来测量车距，从而依据特定距离在图像中对应长度成比例原理得到车牌高度；对采集的图像进行裁剪，由于图像处理中图像边缘环境复杂，且车牌出现概率极低，对图像进行裁剪以提高车牌的识别率。

优选的，一种基于视觉传感的重型车后方碰撞预警方法中，步骤(1)中，所述自适应灰度拉伸的公式：

其中，i为像素点所在行的行号；j为像素点所在列的列号；X(i,j)为原始图像灰度值；Y(i,j)为拉伸后的图像灰度值，X_min为输入图像数据的最小灰度值；X_max为输入图像数据的最大灰度值；Z_max为输出图像的最大灰度值；自适应灰度拉伸将线性拉伸区间自适应地分为[0,X_min)，[X_min,X_max]和(X_max,255]三个部分，这样能有效增强图像对比度，提高车牌定位准确率。其中，[0,X_min)和(X_max,255]两个灰度区间的像素灰度值分别被压缩为0和255。

本发明在对图像进行灰度化处理后进行了自适应灰度拉伸，增强了对比度，提高车牌定位准确率。

优选的，一种基于视觉传感的重型车后方碰撞预警方法中，步骤(2)中，所述边缘检测采用Robert边缘检测算子：

Δ_xf＝f(x,y)-f(x-1,y-1)，Δ_yf＝f(x-1,y)-f(x,y-1)

其中，f(x,y)是图像灰度分布函数。

本发明中Robert算子定位比较精确，但由于不包括平滑处理，对于噪声比较敏感。因本发明在图片预处理阶段已对图片进行降噪处理，且边缘检测后进行了平滑处理，故选择较为精确的Robert边缘算子检测方法。

优选的，一种基于视觉传感的重型车后方碰撞预警方法中，步骤(4)中，所述车牌定位包括：

1)横向定位:

首先对闭运算和平滑处理后的图像进行逐行扫描，并统计每行白色像素点数目；然后将白色像素点数目最大值保存为temp，其索引保存为MaxY；之后由MaxY分别向上向下扫描，直至行白色像素点数小于参数temp/2，得上下边界分别为PY1和PY2；最后将感兴趣区域裁剪后图像中PY2-PY1之间的部分为“行方向合理区域”；

2)纵向定位：

首先对上述横向定位裁剪得到的图像进行扫描，并统计每列白色像素点数目；然后将白色像素点数目最大值保存为temp2，其索引保存为MaxX；之后由MaxX分别向左向右扫描，直至列白色像素点数小于参数temp2/2，得左右边界分别为PX1和PX2；最后裁剪本图PX2-PX1之间的部分区域即为定位的车牌区域，可以得出车牌位置和其长度的像素点数l。

本发明判定车牌区域主要依据是车牌区域连续且与周围有明显边界，同时车牌长宽比一定，经实验验证，此方法定位较为准确，能够有效排除干扰。

优选的，一种基于视觉传感的重型车后方碰撞预警方法中，步骤(5)中，所述实际车距：

其中，H为车牌实际长度，h为车牌在图像中长度，D为实际车距，f为摄像头焦距；

优选的，一种基于视觉传感的重型车后方碰撞预警方法中，步骤(7)中，所述车牌高度：

其中，X₁为车牌中心坐标，X₂为对应车距在步骤(7)曲线上的坐标，l为车牌长度像素点个数，A为标准车牌真实长度，H为车牌高度。

本发明基于幂逼近原理建立了真实距离-像素点的曲线模型，并依据比例关系得到车牌高度即前保险杠高度。

一种基于视觉传感的重型车后方碰撞预警方法的装置，包括：PC机、与PC机相连的图像采集器；其特征在于，还包括：台架、执行部、传动部、以及控制器；

其中，所述台架包括横梁和立柱；所述执行部、传动部和控制器安装固定在所述台架上；

所述执行部包括：驱动电机和减速器；所述驱动电机固定在所述台架的两根所述横梁上；所述驱动电机的驱动轴带动所述减速器的两个输出轴转动，所述输出轴顶端固定有第一锥齿轮；

所述传动部包括：传动轴、曲柄、和保险杠；所述传动轴的一端固定有第二锥齿轮，另一端与所述曲柄的一端进行连接；所述曲柄的另一端安装有滑块I；所述滑块I固定在所述保险杠的滑杆上；所述曲柄带动所述滑块在所述滑杆上作相向或相背运动，同时带动所述保险杠作上下运动；

所述第一锥齿轮与所述第二锥齿轮啮合传动；

所述控制器包括双转角传感器、信号传输装置和处理器；其中所述信号传输装置接收PC机处理的图像得到的预警信号，经所述处理器处理预警信号，控制所述驱动电机动作带动所述保险杠上下移动；转角传感器检测驱动电机的转动角度，与目标位置进行对比，判断保险杠是否在正确的高度。

本发明基于上述方法处理得到的预警信号，经由处理器处理，控制所述驱动电机动作带动所述保险杠上下移动。

优选的，一种基于视觉传感的重型车后方碰撞预警方法的装置中，所述保险杠两端安装有滑块II，所述滑块II在所述台架两侧的滑槽内滑动。

本发明滑槽作为保险杠的支撑轨道，可提高保险杠的支撑强度。

优选的，一种基于视觉传感的重型车后方碰撞预警方法的装置中，所述驱动电机内置有相背式光电编码器。

本发明驱动电机内置的相背式光电编码器与电机驱动器配合实现精确的电机转速、力矩和转角控制。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于视觉传感的重型车后方碰撞预警方法及其装置，首先，本发明在对图像进行灰度化处理后进行了自适应灰度拉伸，增强了对比度，提高车牌定位准确率；其次采用闭运算和平滑处理，能用来填充物体内细小空洞、连接邻近物体、平滑其边界的同时不明显改变面积；进一步传统的单目测距方法都大多依靠车道线和车宽来测量两车距离，而本发明不需要依靠车道线和车宽，应用小孔成像原理及三角形相似原理来测量车距，从而依据特定距离在图像中对应长度成比例原理得到车牌高度；最后本发明中车牌定位及单目测距所用算法运行速度快，满足实时性的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明的测距原理图；

图2附图为本发明的方法流程图；

图3附图为本发明的距离像素点拟合曲线；

图4附图为本发明的装置工作流程图；

图5附图为本发明的装置主视图；

图6附图为本发明的装置后视图；

图7附图为本发明的装置执行部爆炸图；

图8附图为本发明的装置传动部爆炸图。

在图5中：1、台架、11横梁、12立柱、21驱动电机、22减速器、23第一锥齿轮、31第二锥齿轮、32传动轴、33曲柄、34滑块I、37滑槽、38保险杠；

在图6中：21驱动电机、22减速器、34滑块I、35滑杆、36滑块II、38保险杠、4控制器、41信号传输装置、42转角传感器；

在图7中：2执行部、21驱动电机、22减速器、23第一锥齿轮；

在图8中：3传动部、31第二锥齿轮、32传动轴、33曲柄、34滑块I、35滑杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种基于视觉传感的重型车后方碰撞预警方法的装置，成本低，反应速度快，控制精度高，最重要的是大大避免了后车追尾“钻入”前车车底事故的发生。

如图1-3所示，一种基于视觉传感的重型车后方碰撞预警方法，其特征在于，包括步骤如下：

(1)先将图像采集器采集的图像进行感兴趣区域裁剪，再对图像进行预处理操作，包括降噪和自适应灰度拉伸，自适应灰度拉伸的公式：

其中，i为像素点所在行的行号；j为像素点所在列的列号；X(i,j)为原始图像灰度值；Y(i,j)为拉伸后的图像灰度值，X_min为输入图像数据的最小灰度值；X_max为输入图像数据的最大灰度值；Z_max为输出图像的最大灰度值；

(2)对步骤(1)中的图像进行边缘检测，边缘检测采用Robert边缘检测算子：

Δ_xf＝f(x,y)-f(x-1,y-1)，Δ_yf＝f(x-1,y)-f(x,y-1)

其中，f(x,y)是图像灰度分布函数；

(3)将经过边缘检测的图像进行闭运算，再进行均值滤波处理；

(4)采用图像特征提取的方法进行车牌定位，先进行横向定位，然后进行纵向定位；

(5)根据小孔成像原理，由车牌位置推导出实际车距：

其中，H为车牌实际长度，h为车牌在图像中长度，D为实际车距，f为摄像头焦距；

(6)将实地测量数据经MATLAB拟合出距离-像素点曲线，实现两车距离与像素尺寸转换，将摄像头高度固定为70cm，镜头轴线与地面平行，经实地测量得到实际距离-像素点数对应关系如表1。将坐标点经MATLAB工具箱CFtool拟合，最佳拟合为Power(幂逼近)，R-square(确定系数)达0.9998，拟合结果如图3所示，拟合曲线方程为：

f(x)＝-634.3x^-0.9554+231.9

其中，x为实际车距，f(x)为车距对应像素点数；

表1

(7)将车牌中心对应的像素坐标与实际距离对应的像素坐标作差，即为车牌中心距地面高度对应的像素点数，因车牌平面垂直于地面，而竖直面在图像中比例不变，车牌中心X₁坐标，与车距对应在图像中的X₂坐标作差，根据比例关系可得车牌高度：车牌高度：

其中，X₁为车牌中心坐标，X₂为对应车距在步骤7曲线上的坐标，l为车牌长度像素点个数，A为标准车牌真实长度，H为车牌高度；

(8)将已知的车牌高度和两车距离信号传给预警系统，当预警系统检测后车即将发生追尾碰撞时，预警系统发出预警信号，并发出指令控制后保险杠下降相应高度并自锁。

如图4-8所示，一种基于视觉传感的重型车后方碰撞预警方法的装置，包括：PC机、与PC机相连的图像采集器；其中还包括：台架、执行部、传动部、以及控制器；

所述台架包括横梁和立柱；所述执行部、传动部和控制器安装固定在所述台架上；

所述执行部包括：驱动电机和减速器；所述驱动电机固定在所述台架的两根所述横梁上；所述驱动电机的驱动轴带动所述减速器的两个输出轴转动，所述输出轴顶端固定有第一锥齿轮；

所述传动部包括：传动轴、曲柄、和保险杠；所述传动轴的一端固定有第二锥齿轮，另一端与所述曲柄的一端进行连接；所述曲柄的另一端安装有滑块I；所述滑块I固定在所述保险杠的滑杆上；所述曲柄带动所述滑块在所述滑杆上作相向或相背运动，同时带动所述保险杠作上下运动；

所述第一锥齿轮与所述第二锥齿轮啮合传动；

所述控制器包括转角传感器、蓝牙装置和处理器；其中所述蓝牙装置接收PC机处理的图像得到的预警信号，经所述处理器处理预警信号，控制所述驱动电机动作带动所述保险杠上下移动；转角传感器检测驱动电机的转动角度，与目标位置进行对比，判断保险杠是否在正确的高度。

为了进一步优化上述技术方案，所述保险杠两端安装有滑块II，所述滑块II在所述台架两侧的滑槽内滑动。

为了进一步优化上述技术方案，所述驱动电机内置有相背式光电编码器。

工作过程：图像采集器将采集的图像传送给PC机，PC机经上述预警方法判断是否发送预警信号，预警信号通过有线或无线方式传输给控制器，进一步控制驱动电机动作，驱动电机输出的动力经双输出减速器减速增扭后，分解为两个同步转动但转向相反的旋转运动，再经左右两侧的第一锥齿轮传动转换为沿整车x轴的旋转运动，进而驱动与第二锥齿轮刚性连接的左右两侧的曲柄运动，最终通过滑块机构带动保险杠向下或向上运动。

实验测试

对基于视觉传感的重型车后方碰撞预警方法的装置进行整体测试，在接收到指令后，保险杠从最高位置(距离地面500mm)下降至最低位置(距离地面300mm)用时约1s。图像采集器取图经PC机处理，通过信号传输装置传送给控制器，从而控制保险杠调整到相应高度，整个过程用时不超过1.5s，能够满足实时性要求。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相背应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于视觉传感的重型车后方碰撞预警方法，其特征在于，包括步骤如下：

(1)先将图像采集器采集的图像进行感兴趣区域裁剪，再对图像进行预处理操作，包括降噪和自适应灰度拉伸；

(2)对步骤(1)的图像进行边缘检测；

(3)将经过边缘检测的图像依次进行闭运算、均值滤波处理；

(4)对经过步骤(3)处理的图像采用图像特征提取的方法进行车牌定位；

(5)根据小孔成像原理，由车牌位置推导出两车之间的实际车距；

(6)将实地测量的距离数据经MATLAB拟合出距离-像素点曲线，实现两车距离与像素尺寸关系的转换；

(7)将车牌中心对应的像素坐标与实际距离对应的像素坐标作差，车牌中心X1坐标，与车距对应在图像中的X2坐标作差，根据比例关系可得车牌高度；

(8)将步骤(7)中计算得出的车牌高度和两车距离信号传给预警系统，当预警系统检测后车即将发生追尾碰撞时，预警系统发出预警信号，并发出指令控制后保险杠下降相应高度并自锁。

2.根据权利要求1所述的一种基于视觉传感的重型车后方碰撞预警方法，其特征在于，步骤(1)中，所述自适应灰度拉伸的公式：

其中，i为像素点所在行的行号；j为像素点所在列的列号；X(i,j)为原始图像灰度值；Y(i,j)为拉伸后的图像灰度值，Xmin为输入图像数据的最小灰度值；Xmax为输入图像数据的最大灰度值；Zmax为输出图像的最大灰度值；

自适应灰度拉伸将线性拉伸区间自适应地分为[0,Xmin)，[Xmin,Xmax]和(Xmax,255]三个部分；其中，[0,Xmin)和(Xmax,255]两个灰度区间的像素灰度值分别被压缩为0和255。

3.根据权利要求1所述的一种基于视觉传感的重型车后方碰撞预警方法，其特征在于，步骤(2)中所述边缘检测采用Robert边缘检测算子：

Δxf＝f(x,y)-f(x-1,y-1)，Δyf＝f(x-1,y)-f(x,y-1)

其中，f(x,y)是图像灰度分布函数。

4.根据权利要求1所述的一种基于视觉传感的重型车后方碰撞预警方法，其特征在于，步骤(4)中所述车牌定位包括：

1)横向定位:

首先对闭运算和平滑处理后的图像进行逐行扫描，并统计每行白色像素点数目；其次将白色像素点数目最大值保存为temp，其索引保存为MaxY；然后由MaxY分别向上向下扫描，直至行白色像素点数小于参数temp/2，得上下边界分别为PY1和PY2；最后将感兴趣区域裁剪后的图像中PY2-PY1之间的部分为“行方向合理区域”；

2)纵向定位：

首先对步骤1)中横向定位裁剪得到的图像进行扫描，并统计每列白色像素点数目；其次将白色像素点数目最大值保存为temp2，其索引保存为MaxX；然后由MaxX分别向左向右扫描，直至列白色像素点数小于参数temp2/2，得左右边界分别为PX1和PX2；最后裁剪本图PX2-PX1之间的部分区域即为定位的车牌区域，从而得出车牌位置和其长度的像素点数l。

5.根据权利要求1所述的一种基于视觉传感的重型车后方碰撞预警方法，其特征在于，步骤(5)中，所述实际车距：

其中，H为车牌实际长度，h为车牌在图像中长度，D为实际车距，f为摄像头焦距。

6.根据权利要求1所述的一种基于视觉传感的重型车后方碰撞预警方法，其特征在于，步骤(7)中，所述车牌高度：

其中，X1为车牌中心坐标，X2为对应车距在步骤(6)距离-像素点曲线上的坐标，l为车牌长度像素点个数，A为标准车牌真实长度，H为车牌高度。

7.一种实现如权利要求1所述的一种基于视觉传感的重型车后方碰撞预警方法的装置，包括：PC机、与PC机相连的图像采集器；其特征在于，还包括：台架(1)、执行部(2)、传动部(3)、以及控制器(4)；

其中，所述台架(1)包括横梁(11)和立柱(12)；所述执行部(2)、所述传动部(3)和所述控制器(4)均安装在所述台架(1)上；

所述执行部(2)包括：驱动电机(21)和减速器(22)；所述驱动电机(21)固定在所述台架(1)的两根所述横梁(11)上；所述驱动电机(21)的驱动轴带动所述减速器(22)的两个输出轴转动，所述输出轴顶端固定有第一锥齿轮(23)；

所述传动部(3)包括：传动轴(32)、曲柄(33)和保险杠(38)；所述传动轴(32)的一端固定有第二锥齿轮(31)，另一端与所述曲柄(33)的一端进行连接；所述曲柄(33)的另一端安装有滑块I(34)；所述滑块I(34)固定在所述保险杠(38)的滑杆(35)上；所述曲柄(33)带动所述滑块I(34)在所述滑杆(35)上作相向或相背运动，同时带动所述保险杠(38)作上下运动；

所述第一锥齿轮(23)与所述第二锥齿轮(31)啮合传动；

所述控制器(4)包括转角传感器(41)、信号传输装置(42)和处理器；其中所述信号传输装置(42)接收所述PC机处理的图像得到的预警信号，经所述处理器处理预警信号；控制所述驱动电机(21)动作并带动所述保险杠(38)上下移动；所述转角传感器(41)检测所述驱动电机(21)的转动角度，与目标位置进行对比，判断所述保险杠(38)是否在正确的高度。

8.根据权利要求7所述的一种基于视觉传感的重型车后方碰撞预警方法的装置，其特征在于，所述信号传输装置(42)采用有线或无线方式传输。

9.根据权利要求7所述的一种基于视觉传感的重型车后方碰撞预警方法的装置，其特征在于，所述保险杠(38)两端安装有滑块II(36)，所述滑块II(36)在所述台架(1)两侧的滑槽(37)内滑动。

10.根据权利要求7所述的一种基于视觉传感的重型车后方碰撞预警方法的装置，其特征在于，所述驱动电机(21)内置有相背式光电编码器。

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