CN108195291B - 一种基于差分光斑的运动车辆三维检测方法及检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及运动车辆检测的技术领域，更具体地，涉及一种基于差分光斑的运动车辆三维检测方法及检测装置，包括立方体分光棱镜、延时电路、控制单元以及两组成像单元和结构化光线发射器，通过在车辆内部可以观察到周围环境的位置上安装两个相互垂直、成像单元与两个平行的线结构光发射器。在驾驶过程中，成像单元对周围的车辆进行拍摄，通过延时电路精准控制两个成像单元与结构化光线的启动时间，控制两个成像单元的拍摄时间存在一个稳定的时间间隔；控制单元对同一次摄取的两张图像进行差分，通过提取差分图像中两线结构光之间的像素距离实现运动车辆的多目标点同步距离检测和三维断面构建，能够有效降低检测成本和操作复杂度，操作便捷。

Description

一种基于差分光斑的运动车辆三维检测方法及检测装置
技术领域
本发明涉及运动车辆检测的技术领域，更具体地，涉及一种基于差分光斑的运动车辆三维检测方法及检测装置。
背景技术
随着信息科技的进步，交通系统正在经历着跨越式发展，智能化程度越来越高，无人驾驶汽车、车路协同系统、智慧化交通管控的发展日新月异。但是，所有这些技术的实现都必须建立在交通运行状态的精准感知之上。对周围环境进行精准感知的重要一部分是检测车辆与周围其他车辆、障碍物等的距离，这样可以让车辆提前采取措施，重新规划路线或者采取相应的措施从而避免发生碰撞等。
现有的距离检测方法往往是对一个点进行测量，但是道路上的车辆、障碍物等往往是三维立体结构。以车辆为例，当检测车辆与前方车辆的距离时，当检测点是前方车辆的后挡玻璃与后备箱时，测量得到的与自身的距离会不一样。且目前的交通目标距离检测方法主要有雷达检测、激光检测、激光雷达检测和计算机视觉检测；但是这些方法都存在一定的局限：雷达检测法一般不能有效区分波束区间内的多个目标，在复杂交通环境下检测结果往往不够准确；激光雷达进行多点距离检测时需要进行逐点扫描，其各点检测时间不同步，且成本较高；使用传统的计算机双目视觉对交通目标进行多点距离同步测量时存在计算量大，识别可靠性低的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于差分光斑的运动车辆三维检测方法及检测装置，实现对运动车辆的多目标点同步距离检测和三维断面构建，能够提高对周围车辆的三维感知效能和感知准确性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种基于差分光斑的运动车辆三维检测方法，包括以下步骤：
S10.在车辆内部安装立方体分光棱镜以及两组成像单元和结构化光线发射器，其中，两组成像单元分别安装在立方体分光棱镜的反射面和穿透面，使在同一时刻两组成像单元拍摄得到的图像完全重合；两组结构化光线发射器并列安装，两组结构化光线发射器发出的光线平行，且发出的光线位于两组成像单元的重合区域内；
S20.调节两组成像单元的参数，使成像单元能够清晰地对周围环境进行拍摄，同时控制两组成像单元的启动时间形成时间间隔；
S30.调节结构化光线发射器发射的结构化光线的角度与光的强度，使两束结构化光线发射器发射的光线平行；
S40.将两组结构化光线发射器与其中一组成像单元连接，控制延时电路使两组成像单元的启动时间形成时间间隔，且两组结构化光线发射器的启动时间与其电路相连的成像单元的启动时间同步，使得其中一组成像单元拍摄得到的图像含有结构化光线，而另一组成像单元拍摄得到的图像不含有结构化光线，且结构化光线位于两组成像单元拍摄所得图像的重合区域内；
S50.成像单元对周围的车辆进行拍摄获取车辆图像，并将拍摄所得的车辆图像发送至控制单元；
S60.控制单元对两组成像单元在同一时刻拍摄的含有结构化光线的图像与不含有结构化光线的图像进行差分运算和滤波处理，检测运动车辆的多目标点同步距离，构建三维断面。
本发明的基于差分光斑的运动车辆三维检测方法，在车内可以观测到周围车辆的位置安装立方体分光棱镜、两组成像单元和两组平行的结构化光线发射器，通过延时电路精准控制两组成像单元的启动时间和两组结构化光线发射器的启动时间，控制两组成像单元存在一个微小的拍摄时间差，同时使一个相机拍摄得到的图像含有结构化光线，另一个相机拍摄的到的图像不含有结构化光线。两组相机拍摄得到的图像做差分，采用基于边沿特征的滤波算法滤除差分图像中的残余光斑提取差分图像中的结构化光线。根据图像中结构化光线的像素距离，结合相机的成像原理可以计算得到交通目标的多点距离，实现三维断面构建。本发明能够有效降低检测成本和操作复杂度，操作便捷直接。
优选地，步骤S60中控制单元的分析计算过程包括以下步骤：
S61.控制单元对同一次拍摄中得到的含有结构化光线的图像与不含有结构化光线的图像进行差分计算，得到含有线结构光与残余光斑的差分图像；
S62.采用基于边沿特征的滤波算法对差分光斑进行滤波处理，滤除差分图像中的残余光斑，实现双图像传感器测量边沿残余误差的有效抑制；
S63.提取差分图像中的结构化光条纹的中心，测量图像中两条结构化光线之间的像素距离u；
S64.根据步骤S63中结构化光线的像素距离u，计算结构化光线所在截面与成像单元之间的拍摄距离Zc；结合相机的成像原理，实现运动车辆多目标点的同步距离检测和三维断面构建。
上述计算是基于以下工作原理进行的：如果两束平行的结构光照射在由面状结构组成的物体上，两束结构化光线之间的距离保持不变。使用相机在物体的正面对其进行拍摄，由于不同面与相机之间的距离不同，即拍摄距离不同，那么图像中不同面上的结构化光线之间的像素距离不同。
优选地，分别找出两束线结构光在每一行的条纹中心在图像中的位置，计算可以得到图像中每一行中两条线结构光之间的像素距离u，根据下式可以计算得到图像中光条所在的每一行与成像单元之间的距离Zc：
Figure BDA0001538595350000031
其中，ΔL为两束平行的线结构光之间的距离，N为成像单元拍摄得到的图像的列数，β为成像单元视角。
优选地，步骤S20中所述的时间间隔为1ms～10ms。由于两个成像单元同一次拍摄成像时刻相差极短，两幅图像中除结构光光斑外几乎完全一致，保证对两幅图像进行差分运算的准确性，且在时间间隔内被检车辆与成像单元之间的相对运动可以忽略不计。
本发明还提供一种基于差分光斑的运动车辆三维检测装置，包括立方体分光棱镜、延时电路、控制单元以及两组成像单元和结构化光线发射器：
所述立方体分光棱镜包括入射面、出射面、反射面以及穿透面，两组所述成像单元分别安装在立方体分光棱镜的反射面和穿透面；
所述结构化光线发射器与其中一组成像单元连接，发出稳定的线结构光线并照射在需要检测的车辆上；
所述成像单元安装在车辆内部，用于拍摄周围运动车辆得到含有结构化光线的图像与不含有结构化光线的图像，并将含有结构化光线的图像与不含有结构化光线的图像传输至所述控制单元；
所述延时电路与所述成像单元、结构化光线发射器连接，控制两组成像单元启动时间和拍摄时间差，以及控制结构化光线发射器的启动时间；
所述控制单元接收两组成像单元拍摄得到的含有结构化光线的图像与不含有结构化光线的图像，并进行分析处理和构建待检测车辆的三维断面。
本发明的基于差分光斑的运动车辆三维检测装置，不需要搭建复杂的传感器和成本高昂的高速摄像头，只需通过延时电路精准控制成像单元和结构化光线发射器的时间差；将符合要求的成像单元和结构化光线发射器安装在车辆内部进行检测，能够获得运动车辆多目标点同步距离检测和三维端面构建，提高对于周围车辆的三维感知效能，能够有效降低监测成本和操作复杂度。
进一步地，所述立方体分光棱镜的入射面和出射面镀有电介质膜。由于电介质膜几乎没有吸收，入射光的损失小。
进一步地，所述立方体分光棱镜由两块直角棱镜组成，将入射光按1:1的比例分为反射光和透射光，使得在同一时刻两组成像单元拍摄得到的图像完全重合。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用基于差分光斑的运动车辆三维检测装置及方法进行运动车辆多目标点同步距离检测和三维断面构建，不需要搭建复杂的传感器和成本高昂的高速摄像头，只需要能够通过延时电路精准控制时间差的成像单元和结构化光线发射器；将符合要求的成像单元和结构化光线发射器安装在车辆内部进行检测，能够获得运动车辆多目标点同步距离检测和三维断面构建，提高对于周围车辆的三维感知效能；能够克服运动车辆距离检测存在的多目标信息混杂、多点距离检测存在不同步或者计算量大等问题，有效降低检测成本和操作复杂度。
附图说明
图1为基于差分光斑的运动车辆三维检测方法的流程图。
图2为基于差分光斑的运动车辆三维检测装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例1
如图2所示为本发明的基于差分光斑的运动车辆三维检测装置的第一实施例，包括立方体分光棱镜、延时电路、控制单元以及两组成像单元和结构化光线发射器：
立方体分光棱镜，由两块直角棱镜组成，包括入射面、出射面、反射面以及穿透面，把入射光按1:1的比例分为反射光和透过光；在入射面和出射面，镀了防反射多层膜。由于电介质膜几乎没有吸收，入射光的损失小；将两组成像单元分别装在立方体分光棱镜对光的反射面和穿透面，使在同一时刻两组成像单元拍摄得到的图像完全重合。
结构化光线发射器，发出稳定的线结构光线并照射在需要检测的车辆上，同时使两组成像单元发出的光线在两组成像单元的重合区域内。将两组结构化光线发射器与其中一个成像单元相连，控制两组线结构光发射器与该成像单元同时启动，同时关闭。
成像单元，用于拍摄周围运动车辆的图像，将图像传输至控制单元。成像单元安装在车辆内部，通过延时电路精确控制两组成像单元启动时间，控制两组成像单元的拍摄时间差，在标定和设置后即可实现对周围的车辆进行拍摄。
延时电路与所述成像单元、结构化光线发射器连接，控制两组成像单元启动时间和拍摄时间差，以及控制结构化光线发射器的启动时间。
控制单元，用于对拍摄得到的车辆图像进行分析计算，根据图像中两束线结构光之间的像素距离与拍摄距离之间的关系，计算得到运动车辆多目标点的距离，同时构建车辆的三维断面。
基于本实施例的基于差分光斑的运动车辆三维检测装置，提供一种基于差分光斑的运动车辆三维检测方法，如图1所示，包括以下步骤：
S10.在车辆内部安装立方体分光棱镜以及两组成像单元和结构化光线发射器，其中，两组成像单元分别安装在立方体分光棱镜的反射面和穿透面，使在同一时刻两组成像单元拍摄得到的图像完全重合；两组结构化光线发射器并列安装，两组结构化光线发射器发出的光线平行，且发出的光线位于两组成像单元的重合区域内；
S20.调节两组成像单元的参数，使成像单元能够清晰地对周围环境进行拍摄，同时控制两组成像单元的启动时间形成时间间隔；两组成像单元的启动时间存在一个延时，成像单元启动后的每次拍摄间的时间间隔也能维持此延时，达到精确控制并稳定两组成像单元的拍摄时间；时间间隔为1ms～10ms。
S30.调节结构化光线发射器发射的结构化光线的角度与光的强度，使两束结构化光线发射器发射的光线平行；
S40.将两组结构化光线发射器与其中一组成像单元连接，控制延时电路使两组成像单元的启动时间形成时间间隔，在两组成像单元的拍摄时间间隔，被检车辆与成像单元之间的相对运动可以忽略不计；且两组结构化光线发射器的启动时间与其电路相连的成像单元的启动时间同步，使得其中一组成像单元拍摄得到的图像含有结构化光线，而另一组成像单元拍摄得到的图像不含有结构化光线，且结构化光线位于两组成像单元拍摄所得图像的重合区域内；
S50.成像单元对周围的车辆进行拍摄获取车辆图像，并将拍摄所得的车辆图像发送至控制单元；
S60.控制单元对两组成像单元在同一时刻拍摄的图像进行分析计算，实现运动车辆的多目标点同步距离检测和三维断面构建。
具体地，步骤S60中通过以下步骤实现：
S61.控制单元对同一次拍摄中得到的含有结构化光线的图像与不含有结构化光线的图像进行差分计算，得到含有线结构光与残余光斑的差分图像；
S62.采用基于边沿特征的滤波算法对差分光斑进行滤波处理，滤除差分图像中的残余光斑，实现双图像传感器测量边沿残余误差的有效抑制；
S63.提取差分图像中的结构化光条纹的中心，测量图像中两条结构化光线之间的像素距离u；
S64.根据步骤S63中结构化光线的像素距离u，计算结构化光线所在截面与成像单元之间的拍摄距离Zc；结合相机的成像原理，在差分图像中，距离相同的连续点代表这些点在同一个平面上，选取一个基准面，可以构建运动车辆的三维断面。
具体地，分别找出两束线结构光在每一行的条纹中心在图像中的位置，计算可以得到图像中每一行中两条线结构光之间的像素距离u，根据公式(1)可以计算得到图像中光条所在的每一行与成像单元之间的距离Zc：
Figure BDA0001538595350000071
其中，ΔL为两束平行的线结构光之间的距离，N为成像单元拍摄得到的图像的列数，β为成像单元视角。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于差分光斑的运动车辆三维检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10.在车辆内部安装立方体分光棱镜以及两组成像单元和结构化光线发射器，其中，两组成像单元分别安装在立方体分光棱镜的反射面和穿透面，使在同一时刻两组成像单元拍摄得到的图像完全重合；两组结构化光线发射器并列安装，两组结构化光线发射器发出的光线平行，且发出的光线位于两组成像单元的重合区域内；
S20.调节两组成像单元的参数，使成像单元能够清晰地对周围环境进行拍摄，同时控制两组成像单元的启动时间形成时间间隔，所述的时间间隔为1ms～10ms；
S30.调节结构化光线发射器发射的结构化光线的角度与光的强度，使两束结构化光线发射器发射的光线平行；
S40.将两组结构化光线发射器与其中一组成像单元连接，控制延时电路使两组成像单元的启动时间形成时间间隔，且两组结构化光线发射器的启动时间与其电路相连的成像单元的启动时间同步，使得其中一组成像单元拍摄得到的图像含有结构化光线，而另一组成像单元拍摄得到的图像不含有结构化光线，且结构化光线位于两组成像单元拍摄所得图像的重合区域内；
S50.成像单元对周围的车辆进行拍摄获取车辆图像，并将拍摄所得的车辆图像发送至控制单元；
S60.控制单元对两组成像单元在同一时刻拍摄的含有结构化光线的图像与不含有结构化光线的图像进行差分运算和滤波处理，检测运动车辆的多目标点同步距离，构建三维断面；
步骤S60中控制单元的分析计算过程包括以下步骤：
S61.控制单元对同一次拍摄中得到的含有结构化光线的图像与不含有结构化光线的图像进行差分计算，得到含有线结构光与残余光斑的差分图像；
S62.采用基于边沿特征的滤波算法对差分光斑进行滤波处理，滤除差分图像中的残余光斑；
S63.提取差分图像中的结构化光条纹的中心，测量图像中两条结构化光线之间的像素距离u；
S64.根据步骤S63中结构化光线的像素距离u，计算结构化光线所在截面与成像单元之间的拍摄距离Zc；结合相机的成像原理，实现运动车辆多目标点的同步距离检测和三维断面构建；
步骤S64中像素距离u根据公式(1)计算拍摄距离Zc：
Figure FDA0002326498480000021
其中，ΛL为两束平行的线结构光之间的距离，N为成像单元拍摄得到的图像的列数，β为成像单元视角。
2.一种基于差分光斑的运动车辆三维检测装置，其特征在于，包括立方体分光棱镜、延时电路、控制单元以及两组成像单元和结构化光线发射器：
所述立方体分光棱镜包括入射面、出射面、反射面以及穿透面，两组所述成像单元分别安装在立方体分光棱镜的反射面和穿透面；
所述结构化光线发射器与其中一组成像单元连接，发射稳定的线结构光线并照射在需要检测的车辆上；
所述成像单元安装在车辆内部，用于拍摄周围运动车辆得到含有结构化光线的图像与不含有结构化光线的图像，并将含有结构化光线的图像与不含有结构化光线的图像传输至所述控制单元；
所述延时电路与所述成像单元、结构化光线发射器连接，控制两组成像单元启动时间和拍摄时间差，以及控制结构化光线发射器的启动时间；
所述控制单元接收两组成像单元拍摄得到的含有结构化光线的图像与不含有结构化光线的图像，并进行分析处理和构建待检测车辆的三维断面。
3.根据权利要求2所述的基于差分光斑的运动车辆三维检测装置，其特征在于，所述立方体分光棱镜的入射面和出射面镀有电介质膜。
4.根据权利要求2所述的基于差分光斑的运动车辆三维检测装置，其特征在于，所述立方体分光棱镜由两块直角棱镜组成。
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