CN107677223A - 一种非接触四轮定位仪的车轮拍摄测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本专利提供一种非接触四轮定位仪车轮拍摄测量装置，该装置包括：计算机、标定目标板、侧拍摄装置，所述侧拍摄装置包括测量摄像机、辅助摄像机、运算处理单元、数据传输单元和LED辅助照明灯，并且所述测量摄像机平行放置并且二者的相对位置固定，所述辅助摄像机与测量摄像机相对位置固定。本专利也提供一种非接触四轮定位仪车轮测量方法，运用计算机视觉的方法，先通过图像处理找到轮毂边缘，然后对提取的轮毂边缘进行立体校正，使得左、右视域图像中提取的轮毂边缘统一到同一平面且行对准，从而校正后的左（右）图像中提取的轮毂边缘点在校正后的右（左）图像中提取的轮毂边缘的匹配点在同一行上，实现对车轮的非接触定位测量。

Description

一种非接触四轮定位仪的车轮拍摄测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及汽车四轮检测技术领域，具体涉及四轮定位仪中非接触车轮拍摄测量装置及实现车轮非接触定位的测量方法。

背景技术

汽车四轮定位在汽车检测与维修行业必不可少，检测的准确性影响到汽车使用的安全性。四轮定位检测技术经历了拉线式、激光式、CCD和3D四轮定位，在精度方面有了很大的提高。目前使用最多的是3D四轮定位仪，操作的过程中用到夹具、目标板等辅助设备，通过夹具间接测量车轮的定位参数，容易产生机械误差；而且夹具会导致车轮和轮毂不同程度的损伤；由于轮辋变形等导致测量误差，需要推车补偿，使操作过程较为麻烦。目前现有的非接触测量技术的精度和速度尚无法满足汽车车轮定位仪测量需求。

发明内容

为解决现有技术中的技术问题，实现非接触四轮定位，首先要在非接触的情况下实现车轮的检测，本发明目的之一是提供一种非接触四轮定位仪车轮拍摄测量装置；本发明目的之二是提供一种采用上述装置的非接触四轮定位仪车轮测量方法，运用计算机视觉的方法，检测车轮的空间位置，实现对车轮的非接触定位测量。

为实现本发明的目的之一，采用了以下技术方案：

一种非接触四轮定位仪的车轮拍摄测量装置，包括：计算机、标定目标板、侧拍摄装置，其中所述侧拍摄装置包括两台测量摄像机、一台辅助摄像机、运算处理单元、数据传输单元和LED辅助照明灯，

两台测量摄像机、一台辅助摄像机连接运算处理单元，所述运算处理单元通过数据传输单元将处理后的数据传输给计算机，所述计算机用于汇总若干所述侧拍摄装置的测量数据，并计算显示车轮定位参数，LED辅助照明灯靠近所述两台测量摄像机、一台辅助摄像安装，用于辅助照明，

所述两台测量摄像机平行放置并且二者的相对位置固定，用标定目标板标定所述两台测量摄像机间的相对位置，测量时，移动所述侧拍装置使待测车轮在两台测量摄像机的公共视域内，所述辅助摄像机与两台测量摄像机相对位置固定，用于拍摄公共参照物以标定该侧拍摄装置与其它侧拍摄装置的位置关系,所述侧拍装置同时获取的图像信息通过运算处理单元进行处理，处理完成得到的车轮位置信息通过数据传输单元传输到计算机进一步处理和显示。

优选，如果所述两台测量摄像机相对位置发生变化，则需通过所述标定目标板标定两台测量摄像机得到其新的相对位置关系，如果该辅助摄像机与所述两台测量摄像机相对位置变动需标定该辅助摄像机与所述两台测量摄像机得到其新的相对位置关系。

优选，所述数据传输单元为数据线或无线传输装置；进一步优选，所述无线传输装置采用蓝牙或外用wifi。

使用时，准备工作是借助标定目标板标定两台测量摄像机，得到其相对位置关系，该工作在两台测量摄像机相对位置没有变化的情况下不需要重做，在两台测量摄像机固定后做一次即可。所述一台辅助摄像机与两台测量摄像机相对位置固定，用于拍摄公共参照物以标定该侧拍摄装置与其它侧拍摄装置的位置关系,如果该辅助摄像机与所述两台测量摄像机相对位置变动需标定该辅助摄像机与所述两台测量摄像机得到其新的相对位置关系。为求取待测车轮的空间位置，侧拍摄装置的两台测量摄像机拍摄待测车轮时，待测车轮在两台摄像机的公共视域内。

本发明目的之二，提供一种采用上述装置的非接触四轮定位仪车轮测量方法。测量过程采用已标定的两台测量摄像机对待测车轮进行拍摄，得到左右视域图像，首先对视域图像进行图像处理，然后根据左右视域图像之间的关系，计算得到待测车轮的空间位置。具体技术方案如下所述：

一、双目摄像机标定。

两台测量摄像机平行放置并且二者的相对位置固定后，将标定目标板放置于两台测量摄像机公共视域内，所述两台测量摄像机分别按照不同角度、位置拍摄1-20幅图像，然后根据公式(1)，标定两台测量摄像机的相对位置，根据公式(2)得到重投影矩阵Q，即完成双目测量摄像机标定。

二、待测车轮定位测量

第1步：待测车轮图像采集

两台测量摄像机，即左右测量摄像机同时对待测车轮拍摄，分别获得所述待测车轮的左视域图像、右视域图像。

第2步：待测车轮图像处理

对获取的视域图像分别进行滤波，抑制图像中的噪声；

对滤波后的视域图像进行图像分割，将视域图像中待测车轮区域从图像中分割出来；

区域填充，填充视域图像中车轮轮毂内部区域以及外部干扰区域；

采用开运算和闭运算处理图像，填充待测车轮轮毂图像内细小区域空洞，平滑边界；

对填充后的视域图像去除轮毂周围的噪声并移除边界，将待测车轮的轮毂图像提取出来，得到较为完整的轮毂图像；

轮廓提取，从获取的轮毂图像中提取轮毂边缘。

第3步：车轮空间位置三维重建

a.车轮左右视域图像立体校正

由于所述两台测量摄像机安装不可能保证成像平面完全平行且像素行对齐，无法直接进行对第2步中提取的轮毂边缘进行匹配，将已经提取出的轮毂边缘图像，进行立体校正，得到左右视域立体校正图，使得两图像平面平行，并且图像行完全对准到前向平行的结构；

b.椭圆拟合，由步骤a所得左右视域立体校正图的轮毂边缘，分别拟合出左右图像轮毂所在圆心的二维坐标C_l(x_lo,y_lo)C_r(x_ro,y_ro)，得到轮毂所在圆心的视差d＝x_lo-x_ro,并根据公式(3)由重投影矩阵Q获得深度映射得到轮毂所在圆心的齐次坐标(X_wo，Y_wo，Z_wo，W)，三维坐标为(X_wo/W，Y_wo/W，Z_wo/W)，同时，得到左右视域图像轮毂点的二维坐标；

c.设置行匹配间隔δ，将所述左、右视域立体校正图中同一行的轮毂边缘点匹配，得到所述左、右视域立体校正图中的轮毂边缘匹配点p_l(x_l,y_l),p_r(x_r,y_r)，从而实现轮毂边缘点的匹配；

d.匹配点视差为d＝x_l-x_r，根据公式(3)由重投影矩阵Q获得深度映射，计算轮毂边缘匹配点三维坐标(X_w/W，Y_w/W，Z_w/W)。

e.根据上述轮毂边缘匹配点的三维坐标，找出轮毂边缘上的两个相交向量和从而得到待测车轮轮轴所在的方向向量最后，将获得的轮毂所在圆心的三维坐标及车轮轮轴所在的方向向量用于计算车辆待测车轮的定位参数。

由于车轮特征不明显、纹理重复，并且要求匹配的速度较快，现有的匹配技术无法准确提取车轮特征点，现有技术中的局部匹配对车轮这种低纹理图像处理效果不好，现有技术中的全局匹配的匹配速度较慢，且对车轮匹配的精确度较低，因此现有的匹配技术都无法满足需求。本发明的创新在于，首先对车轮图像进行数字图像处理，找到轮毂边缘，然后对提取的轮毂边缘进行立体校正，使得左、右视域图像中提取的轮毂边缘统一到同一平面且行对准，从而校正后的左(右)图像中提取的轮毂边缘点在校正后的右(左)图像中提取的轮毂边缘的匹配点在同一行上，因此校正后的左右图像只需在同一行内对找到的轮毂边缘点进行匹配，将二维匹配转化为一维局部点匹配，从而不需要对整幅图像匹配，大大降低了匹配范围，节约计算时间，提高计算精度。

本发明相对于现有技术的积极效果为：

1)设备采用双测量摄像机作为立体成像组件，将立体视觉成像技术应用到车轮定位领域，结合图像处理的方法以及立体视觉中求取三维信息的方法实现车轮定位检测，使设备更快速，更简便，更省时省力。

2)现有的立体视觉中的特征点立体匹配方法，不能满足车轮匹配的要求，本发明设计了车轮轮毂的立体匹配的方法，实现了快速准确的立体匹配。

3)本发明的非接触四轮定位仪车轮拍摄测量装置，提高车轮定位的速度和精确度，不需要通过夹具将目标板或传感器等夹在车轮上，实现真正的非接触测量，同时不需要推车计算补偿，使车轮定位检测更加方便快捷，也是四轮定位的发展方向。

附图说明

图1为实施例1一种非接触四轮定位仪的车轮拍摄测量装置。

图2为实施例1一种非接触四轮定位仪的车轮拍摄测量装置标定示意图。

图3为实施例2一种非接触四轮定位仪的车轮拍摄测量方法中的车轮图像立体校正图。

图1-3中，标定目标板1、侧拍摄装置2、待测车轮3、计算机4，其中，测量摄像机l、测量摄像机r、LED辅助照明灯21、运算处理单元22、辅助摄像机23、数据传输单元24。

具体实施方式

下面结合本发明附图及具体实例，对本发明的具体技术方案作进一步的描述。

实施例1

如图1所示，一种非接触四轮定位仪的车轮拍摄测量装置，包括：标定目标板1、侧拍摄装置2、待测车轮3、计算机4，其中所述侧拍摄装置2包括测量摄像机l和测量摄像机r、LED辅助照明灯21、运算处理单元22、辅助摄像机23、数据传输单元24，

测量摄像机l和r、辅助摄像机23连接运算处理单元22，所述运算处理单元22通过数据传输单元24将处理后的数据传输给计算机4，所述计算机4用于汇总若干所述侧拍摄装置2的测量数据，并计算显示待测车轮3的定位参数，LED辅助照明灯21靠近所述测量摄像机l和测量摄像机r、所述辅助摄像机23安装，用于辅助照明，

所述测量摄像机l和测量摄像机r平行放置并且二者的相对位置固定，用标定目标板1标定所述测量摄像机l和测量摄像机r间的相对位置，测量时，移动所述侧拍装置2使待测车轮3在所述测量摄像机l和测量摄像机r的公共视域内，所述辅助摄像机23与所述测量摄像机l和测量摄像机r相对位置固定，用于拍摄公共参照物以标定该侧拍摄装置2与其它侧拍摄装置的位置关系,所述侧拍装置2同时获取的图像信息通过运算处理单元22进行处理，处理完成得到的待测车轮3的位置信息通过数据传输单元24传输到计算机4进一步处理和显示。

本例中，如果所述测量摄像机l和测量摄像机r相对位置发生变化，则需通过所述标定目标板1标定所述测量摄像机l和测量摄像机r得到其新的相对位置关系，如果辅助摄像机23与所述测量摄像机l和测量摄像机r相对位置变动需标定所述辅助摄像机23与所述测量摄像机l和测量摄像机r得到其新的相对位置关系。

本例中，所述数据传输单元为外用wifi。

使用时，准备工作是借助标定目标板1标定所述测量摄像机l和测量摄像机r，得到其相对位置关系，该工作在所述测量摄像机l和测量摄像机r相对位置没有变化的情况下不需要重做，在所述测量摄像机l和测量摄像机r固定后做一次即可。所述辅助摄像机23与所述测量摄像机l和测量摄像机r相对位置固定，用于拍摄公共参照物以标定该侧拍摄装置2与其它侧拍摄装置的位置关系,如果辅助摄像机23与所述测量摄像机l和测量摄像机r相对位置变动需标定辅助摄像机23与所述测量摄像机l和测量摄像机r得到其新的相对位置关系。为求取待测车轮3的空间位置，侧拍摄装置2拍摄待测车轮3时，所述待测车轮3在所述测量摄像机l和测量摄像机r的公共视域内。

应用时，非接触四轮定位仪包括若干个本例中的车轮拍摄测量装置，其中，辅助摄像机23用于标定本例中的若干个所述车轮拍摄测量装置的相对位置，将数据汇总至计算机4，计算获得整个车辆的待测车轮3的定位参数。

实施例2

采用实施例1中的装置的立体视觉的非接触车轮拍摄测量方法，

如图1和图2所示，非接触四轮定位仪车轮拍摄测量装置包括标定目标板1，侧拍摄装置2、待测车轮3和计算机4，其中所述得侧拍摄装置2包括两个相互平行放置的测量摄像机l和r、LED辅助照明灯21、运算处理单元22、一台辅助摄像机23以及无线通信装置24。辅助摄像机23用于标定侧拍摄装置与四轮定位中其它侧拍摄装置的相对位置。

具体方法如下：

一、双目摄像机(测量摄像机)标定

摄像机坐标(X_c，Y_c，Z_c)与图像物理坐标(x_p，y_p)之间的换为：

式中f为物理焦距。

图像物理坐标(x_p，y_p)到图像像素坐标(u，v)之间的转换为：

式中(u₀，v₀)表示摄像机中心，dx，dy分别表示水平方向与竖直方向的像元间距。

世界坐标(X_w,Y_w,Z_w)与摄像机坐标(X_c，Y_c，Z_c)之间的转换为：

式中R为旋转矩阵，t为平移向量。

根据(4)(5)(6)可得，世界坐标系与图像像素坐标中的对应坐标的关系为下式(7)所示：

其中f_x，f_y为所求摄像机的焦距，u₀，v₀为所求摄像机的中心点。

空间点在左、右测量摄像机上的成像点分别为(x_l,y_l,z_l)，(x_r,y_r,z_r)，l、r指代所述左、右测量摄像机，左、右测量摄像机l、r的外部参数分别为R_l，t_l、R_r，t_r，根据公式(1)可得测量摄像机之间的旋转矩阵R₀、平移向量T₀，也就是双测量摄像机的相对位置。

两台测量摄像机平行放置，相对位置固定，将标定目标板1放置于两台测量摄像l和r的机公共视域内，所述两台测量摄像机l和r分别按照不同角度、位置拍摄10幅图像，求取两台摄像机之间相对位置(R₀、T₀)，并得到重投影矩阵Q，如下式(2)，即完成摄像机标定。

二、待测车轮3定位测量

1.车轮图像采集

如图1所示，侧拍摄装置2中测量摄像机l和测量摄像机r同时拍摄待测车轮3，获取待测车轮3左右视域图像。

2.待测车轮3图像处理

由于待测车轮3视域图像特征不明显，通过直接采集到的待测车轮3的图像，无法使用现有技术进行匹配，为实现本发明，所以首先需要对待测车轮3的左右视域图像进行图像处理，提取出待测车轮3的轮毂。图像处理如下：

1)中值滤波，对获取的视域图像分别进行中值滤波，消除孤立噪声点，去除图像中的噪声。

2)对滤波后的视域图像进行图像分割。

3)采用种子填充，填充待测车轮轮毂内部区域以及外部干扰区域。

4)采用开运算和闭运算处理图像，填充待测车轮轮毂图像内细小区域空洞，平滑边界。

5)对视域图像移除边界，将待测车轮3的轮毂从所在的视域图像中提取出来，得到较为完整的轮毂图像。

6)轮廓提取，对5)获取的轮毂图像提取轮毂边缘。

3.车轮空间位置三维重建

a.车轮左右视域图像立体校正

如图3所示，将已经提取出的轮毂边缘图像进行立体校正，得到左右视域立体校正图，使两图像平面平行，并且图像行完全对准到前向平行的结构，按照极线约束原则，图像上的特征点，在另一幅图像上的匹配的点一定在对应的极线上，校正后的两幅图像极线上的点在同一行上，左右视域图像匹配点在同一行中，进行匹配时，只需在另一幅图像的同一行上匹配即可；

b.椭圆拟合，由步骤a所得左右视域立体校正图的轮毂边缘，分别拟合出左右图像轮毂所在圆心的二维坐标C_l(x_lo,y_lo)C_r(x_ro,y_ro)，得到轮毂所在圆心的视差d＝x_lo-x_ro,并根据公式(3)由重投影矩阵Q获得深度映射得到轮毂所在圆心的三维坐标(X_wo/W，Y_wo/W，Z_wo/W)，同时，得到左右视域图像轮毂点的二维坐标；

c.如图3所示，设置行匹配间隔δ，将所述左、右视域立体校正图中同一行的轮毂边缘点匹配，得到所述左、右视域立体校正图中的轮毂边缘匹配点，即左视域立体校正图中的左边缘点p_l(x_l,y_l)与右视域立体校正图中同一行的左缘边点p_r(x_r,y_r)匹配，从而实现轮毂边缘点的匹配；

d.匹配点视差为d＝x_l-x_r，根据公式(3)由重投影矩阵Q获得深度映射，计算轮毂边缘匹配点三维坐标(X_w/W，Y_w/W，Z_w/W)。

e.根据上述轮毂边缘匹配点的三维坐标，找出轮毂边缘上的两个相交向量和从而得到待测车轮3轮轴所在的方向向量最后，将获得的轮毂所在圆心的三维坐标及车轮轮轴所在的方向向量用于计算车辆待测车轮的定位参数。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (5)

1.一种非接触四轮定位仪的车轮拍摄测量装置，包括：计算机、标定目标板、侧拍摄装置，其中所述侧拍摄装置包括两台测量摄像机、一台辅助摄像机、运算处理单元、数据传输单元和LED辅助照明灯，

其特征在于两台测量摄像机、一台辅助摄像机连接运算处理单元，所述运算处理单元通过数据传输单元将处理后的数据传输给计算机，所述计算机用于汇总若干所述侧拍摄装置的测量数据，计算显示待测车轮的定位参数，LED辅助照明灯靠近所述两台测量摄像机、一台辅助摄像机安装，用于辅助照明，

所述两台测量摄像机平行放置并且二者的相对位置固定，用标定目标板标定所述两台测量摄像机间的相对位置，测量时，移动所述侧拍装置使待测车轮在两台测量摄像机的公共视域内，所述辅助摄像机与两台测量摄像机相对位置固定，用于拍摄公共参照物以标定该侧拍摄装置与其它侧拍摄装置的位置关系,所述侧拍装置同时获取的图像信息通过运算处理单元进行处理，处理完成得到的待测车轮位置信息通过数据传输单元传输到计算机进一步处理和显示。

2.根据权利要求1所述的一种非接触四轮定位仪的车轮拍摄测量装置，其特征在于如果所述两台测量摄像机相对位置发生变化，则需通过所述标定目标板标定两台测量摄像机得到其新的相对位置关系，

如果该辅助摄像机与所述两台测量摄像机相对位置变动需标定该辅助摄像机与所述两台测量摄像机得到其新的相对位置关系。

3.根据权利要求1所述的一种非接触四轮定位仪的车轮拍摄测量装置，其特征在于所述数据传输单元为有线或无线传输装置。

4.根据权利要求3所述的一种非接触四轮定位仪的车轮拍摄测量装置，其特征在于所述无线传输装置为蓝牙或wifi。

5.一种使用权利要求1所述装置的非接触四轮定位仪的车轮定位测量方法，其特征在于使用权利要求1所述装置，按照下述步骤处理：

1)测量摄像机标定，

两台测量摄像机平行放置并且二者的相对位置固定后，将标定目标板放置于两台测量摄像机的公共视域内，所述两台测量摄像机分别按照不同角度、位置拍摄1幅以上标定目标板图像，并求取两台测量摄像机之间相对位置即完成所述两台测量摄像机标定；

2)待测车轮的图像处理，

所述两台测量摄像机，即左右测量摄像机同时对待测车轮拍摄，分别获得所述待测车轮的左视域图像、右视域图像，然后，对获取的视域图像滤波，抑制图像中的噪声，然后，对滤波后的视域图像进行图像分割，将图像中的待测车轮区域分割出来，填充视域图像中车轮轮毂内部区域以及外部干扰区域，采用开运算和闭运算处理图像，填充待测车轮轮毂图像内细小区域空洞，然后移除待测车轮轮毂图像边界，将待测车轮的轮毂图像提取出来，得到较为完整的轮毂图像，然后提取出轮毂图像中的轮毂边缘；

3)待测车轮轮毂边缘点匹配和测量

根据步骤1)获取的所述两台测量摄像机之间相对位置，对步骤2)提取的轮毂边缘立体校正，使得左、右视域图像中提取的轮毂边缘统一到同一平面且行对准，从而左、右视域图像的匹配点在同一行中；

同时，根据步骤2)提取的轮毂边缘拟合出轮毂所在圆的圆心二维图像坐标，得到轮毂所在圆心的视差，并通过三角测量由重投影矩阵深度映射得到轮毂所在圆心的三维坐标，

然后，将所述左、右视域立体校正图中同一行的轮毂边缘点匹配，得到所述左、右视域立体校正图中的轮毂边缘匹配点，即左视域立体校正图中的左边缘点与右视域立体校正图中同一行的左缘边点匹配，实现轮毂边缘点的匹配；

然后，计算轮毂边缘匹配点的视差深度映射得到轮毂边缘匹配点的三维坐标；

然后，根据轮毂边缘匹配点的三维坐标计算出待测车轮轮轴所在的方向向量；

最后，将获得的轮毂所在圆心的三维坐标及车轮轮轴所在的方向向量用于计算车辆待测车轮的定位参数。