CN118009883A - 一种光电三坐标测量方法及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电三坐标测量方法，将被测灯放置在承载台上，通过以下步骤确定被测灯光度中心的空间位置坐标：S1：使用三个位置成像单元分别从不同方向进行拍摄，分别获得第一图像信息、第二图像信息和第三图像信息；所述三个位置成像单元的主光轴不共面，且至少两个位置成像单元的测量视场覆盖被测灯；S2：数据收发控制单元根据三个图像信息计算分析得到被测灯光度中心在世界坐标系下的三维位置坐标。本发明应用于整车灯光性能试验中，通过合理设计三个位置成像单元，结合图像识别和深度学习算法有效获得前照灯的三维坐标，结构简单，易于操作，测量成本低且测量准确度高。

Description

一种光电三坐标测量方法及测量系统

技术领域

本发明涉及光电测试领域，具体涉及一种光电三坐标测量方法及测量系统。

背景技术

机动前照灯灯光质量对夜间安全行驶意义重大，目前中国新车规程(C-NCAP)提出采用整车级静态室内的评测方法对机动车前照灯性能进行评价，《C-NCAP管理规则(2024年版)》也对整车灯光性能试验方法做出了说明，将车辆停放在承载台上，承载台一般设置在转台上，光学测试屏幕位于距离车辆道路零线原点25m处的位置，首先通过三坐标测量仪测量车身与前照灯光度中心的空间位置，获得车辆位置与承载台转动中心空间位置的相对关系；随后分别遮蔽左右前照灯进行灯光性能测量得到一定距离下光学测试屏幕上的照度分布，再结合前照灯光度中心的空间位置，进行数据合成和换算，最终得到以前照灯光度中心为中心的空间光强分布。可见，前照灯光度中心的准确定位十分关键。

现有车辆前照灯光度中心的定位有两种方式，第一种是人工手动测量，由于前照灯的设计存在曲面等特殊不规则形状，这种测量方式主要依赖于人的主观判断，测量精度和效率低，且可操作性差；第二种是使用三坐标测量仪测量，三坐标测量仪是通过三维取点来进行测量的一种仪器，主要由机械系统(X、Y、Z三轴等)、探测传感器、控制系统以及数据处理系统等构成，测量原理是通过探测传感器与机械系统测量空间轴线运动相配合，对待测单元进行空间点位置的获取，通过一系列的数学计算，获得待测点的空间坐标(x,y,z)，这种测量方式测量精度较高，但仪器价格昂贵。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种光电三坐标测量方法及测量系统，应用于整车灯光性能试验中，通过合理设计三个位置成像单元，结合图像识别和深度学习算法有效计算得到前照灯在世界坐标系下的三维位置坐标，结构简单，操作方便，测量成本低且测量准确度高。

本发明公开了一种光电三坐标测量方法，将被测灯放置在承载台上，被测灯前方设置用于接收被测灯发出光束的光学测试屏幕，使用光辐射成像单元测量光学测试屏幕的光斑图像；通过以下步骤确定被测灯光度中心的空间位置坐标：

S1：使用第一位置成像单元、第二位置成像单元和第三位置成像单元分别从不同方向进行拍摄，分别获得第一图像信息、第二图像信息和第三图像信息；所述三个位置成像单元的主光轴不共面，且在三个位置成像单元中至少有两个位置成像单元的测量视场覆盖被测灯，第一位置成像单元的测量视场一般覆盖承载台和/或被测灯；

S2：数据收发控制单元根据三个图像信息计算分析得到被测灯光度中心在世界坐标系下的三维位置坐标。

本发明中所述数据收发控制单元对于三个位置成像单元获取的图像信息进行处理，通过计算得到被测灯光度中心在世界坐标系下的三维位置坐标，其中所述三维位置坐标包括高度、纵向和侧向坐标。需要说明的是，一般的，所述世界坐标系以承载台上的某一点为坐标原点，过该位置点垂直于光学测试屏幕方向为x轴方向(即世界坐标系的纵向轴线)，水平面内垂直于x轴的方向为y轴方向(即世界坐标系的侧向轴线)，垂直方向为z轴方向(对应高度)。在灯具光分布测试中，被测灯发出的光束照射到光学测试屏幕上形成光斑，使用光辐射成像单元拍摄光学测试屏幕上的光斑，进而可获得被测灯的空间光分布信息。

在上述技术方案中，具体可将第一位置成像单元置于被测灯上方，第一位置成像单元的测量视场覆盖所述承载台，根据所述第一位置成像单元得到的第一图像信息，通过图像识别的方式，计算得到被测灯光度中心相对于承载台的水平面位置信息；将第二位置成像单元、第三位置成像单元置于被测灯的两个侧前方，第二位置成像单元、第三位置成像单元的测量视场均覆盖所述被测灯，根据所述第二位置成像单元、第三位置成像单元得到的第二图像信息和第三图像信息，计算得到被测灯光度中心相对承载台的垂直面位置信息。

进一步的，上述技术方案可用于整车车灯的三维位置坐标测量。所述的被测灯安装在车辆上，将车辆停放在承载台上；在步骤S1中，第一位置成像单元设置于承载台上方并且测量视场覆盖所述承载台，第二位置成像单元和第三位置成像单元设置于承载台的两个侧前方其测量视场覆盖被测灯，从两个方向对车辆侧拍。需要说明的是，所述第一位置成像单元可以设置在承载台上方，第二位置成像单元和第三位置成像单元设置在承载台的两个侧前方，可以左右设置，也可以一高一低设置，三个位置成像单元具体的位置可以根据车辆大小、位置成像单元的参数、车辆前照灯的安装位置等，结合实际需要设计。所述的位置成像单元可以是摄像头或者相机。通过以上位置设计，结合图像识别算法能够有效获得被测灯在世界坐标系下的三维位置坐标，操作方便且测量准确度高。在整车灯光性能试验中，光学测试屏幕一般设置在距离承载台10m或25m处的位置。

进一步的，所述承载台可绕水平轴和/或垂直轴旋转，根据不同旋转角度下光辐射成像单元获得的光斑图像反馈调节承载台的转动，并进一步使用所述步骤S1和S2确定被测灯光度中心的位置。在上述技术方案中，一般以承载台的转动中心为世界坐标系的坐标原点。使用面向光学测量屏幕布置的光辐射成像单元测量光学测试屏幕的光斑图像，数据收发控制单元对光斑图像进行分析，得到光斑中心位置，进而反馈调节承载台转动，对被测灯光轴方向进行修正，使得被测灯光轴线同世界坐标系纵向轴线平行或重合。

在上述技术方案中，可以使用十字激光器对准被测灯的光度中心，或者使用标签方式标记被测灯的光度中心，便于在第一位置成像单元、第二位置成像单元、第三位置成像单元拍摄的图像中快速找到光度中心对应像素点位。

进一步的，还可以使用照明光源对被测灯进行照明，采用图像识别的方式，对车灯轮廓信息进行提取，得到光度中心位置。

在上述技术方案中，可以根据被测灯光度中心在世界坐标系下的三维坐标，计算得到以承载台的转动中心为坐标原点的世界坐标系与以被测灯光度中心为坐标原点的被测灯坐标系之间的坐标转换关系，具体可进行坐标旋转变换和平移变换，得到转换变换矩阵，结合光辐射成像单元测量获取的图像信息，进一步计算得到以被测灯光度中心为原点的空间光分布信息。

进一步的，可利用第一位置成像单元所拍摄的第一图像信息，采用图像识别的方式对车辆轮廓信息进行提取，得到车辆中心线相对世界坐标系纵向轴线的偏角信息；还可以根据所提取的车辆轮廓信息，获得车辆特征点(例如反光镜)相对于世界坐标系原点的距离，进一步根据已知的车辆安装参数获得光度中心位置的纵向坐标。具体的，所述第一位置成像单元设置在车辆上方，测量视场覆盖所述车辆。优选的，所述第一位置成像单元设置在承载台转动中心正上方，简化计算步骤，方便计算。

进一步的，所述承载台可绕垂直轴旋转，根据第一图像信息获得的车辆中心线偏角信息反馈承载台的旋转，使得车辆中心线同世界坐标系纵向轴线平行或重合，便于被测灯空间光分布信息的计算。

进一步的，使用测量标记分别对三个位置成像单元进行标定，包括：测量标记在世界坐标系中的空间位置坐标已知，根据每个位置成像单元所拍摄的图像，其中空间坐标已知的测量标记在世界坐标系下的坐标对应于第一位置成像单元和/第二位置成像单元和/或第三位置成像单元拍摄画面中的某一像素坐标位置已知的像素点或像素区域，建立世界坐标系中的三维空间坐标与该位置成像单元的像素坐标之间的映射关系。当所述被测灯为整车上的前照灯时，所述标定步骤可在车辆停放在承载台前完成。在车辆未驶入时，位置成像单元能够明确地拍摄到测量标记，而当车辆停放在承载台后，所述测量标记有可能被遮挡或者被撤离。

上述测量标记在世界坐标系下的坐标可以用(x_n,y_n,z_n)来表示，其中n为大于0的正整数。在实际整车灯光性能测量中，一般以承载台的转动中心为坐标原点，建立世界坐标系。空间坐标已知的测量标记在世界坐标系下的坐标对应于三个位置成像单元拍摄画面中的某一像素坐标位置已知的像素点或像素区域。在具体实施方式中，根据世界坐标系下的各个测量标记的坐标数据，通过一些2D-3D匹配算法求解像素坐标系与世界坐标系的映射关系，以得到三个位置成像单元像素坐标系分别与世界坐标系之间的转换关系。其中所述2D-3D匹配算法包括但不限于PNP(Perspective-n-Point)算法、直线线性变换算法(DLT)、非线性优化算法(BA)等。

在上述技术方案中，以第一位置成像单元和承载台的相对位置关系为例，当第一位置成像单元正放在承载台上方，即第一位置成像单元相对于世界坐标系XY平面的倾斜角度为0的特定情况，所述世界坐标系中的三维坐标与第一位置成像单元的像素坐标之间的映射关系如下：

其中，u、v为第一位置成像单元拍摄图像中某个像素点的坐标，x、y为所述u、v映射到世界坐标系XY平面上的坐标；a、b分别为在x、y方向单个像素对应的实际距离，由空间位置坐标已知的测量标记定标得到；c、d为第一位置成像单元接收点A与世界坐标系坐标原点O在XY平面上的平移参数。

当第一位置成像单元放置在承载台斜上方，即第一位置成像单元相对于世界坐标系XY平面的倾斜角度不为0时，对于承载台上的某一点(z不为0的情况)，以x-u转换为例，如图1所示，O为世界坐标系坐标原点，θ为第一位置成像单元相对于世界坐标系XY平面的倾斜角度，(x,0,z)为承载台上的某一点，Y轴垂直纸面向外，A为第一位置成像单元接收点，B为像素坐标系坐标原点，(u,0)为(x,0,z)坐标点在像素坐标系中的对应点。当平移参数c、d为0时，可以得到：

其中，z为承载台上某一点的高度，对于前照灯光度中心，该参数可由第二位置成像单元和/或第三位置成像单元获取；h为第一位置成像单元接收点A的高度，即第一位置成像单元接收点A在世界坐标系中Z轴方向上的距离；(x₂,0,0)为(x,0,z)坐标点与第一位置成像单元接收点A连线在世界坐标系XY平面上的交点，h₁为(x,0,z)坐标点与第一位置成像单元接收点A连线同Z轴的交点。

需要说明的是，目前市场上某些车辆为了优化性能或者美观，会将车辆前照灯设计成凹陷状，光度中心被车身轮廓遮挡，从正上方无法直接获取光度中心位置。这种车灯的设计，可以将第一位置成像单元放置在承载台斜上方进行拍摄，并获取包含被测灯的图像信息，进一步的，结合三个位置成像单元所获取的图像信息，计算分析得到车辆前照灯光度中心在世界坐标系下的三维位置坐标。或者说，将第一位置成像单元正放在承载台上方，可根据其所获取的第一图像信息，提取车辆轮廓线，获取车辆与承载台的相对位置关系，结合厂商提供的车灯安装参数，可以计算得到被测灯光度中心相对于承载台的水平面位置信息；进一步的，还可分析得到车辆中心线相对世界坐标系纵向轴线的偏角信息，进而旋转承载台，使得车辆中心线与世界坐标系纵向轴线相平行或者重合，以便于前照灯配光分布信息的计算。

进一步的，所述的测量标记为结构光条纹，具体实现方式为在承载台的指定位置设置垂直放置的漫射板，使用结构光发生器照射漫射板形成结构光条纹，结构光条纹的特征点空间坐标已知。可以事先利用空间坐标已知的结构光条纹对位置成像单元进行标定，建立世界坐标系的三维空间坐标与位置成像单元像素坐标之间的映射关系。更进一步的，所述结构光条纹的相位信息已知，也可以为双目视觉匹配提供更多、更精确的特征信息。

进一步的，步骤S2中根据第二图像信息和第三图像信息，获得被测灯光度中心的高度坐标和侧向坐标初始值；根据第一图像信息进一步计算得到被测灯光度中心的纵向坐标并对侧向坐标进行修正。

在上述技术方案中，所述第二图像信息和第三图像信息获取被测灯光度中心的高度坐标和侧向坐标初始值主要基于双目立体视觉测量原理获取，通过两个不同位置的位置成像单元获取同一场景下两幅不同的图像，通过三角测量原理计算图像像素间的位置偏差，推算得到三维世界坐标系中的深度信息，主要步骤包括成像标定、立体校正、立体匹配和深度计算。需要说明的是，当所述的被测灯为安装在整车上的前照灯时，根据第二位置成像单元、第三位置成像单元以及车辆的位置关系，毫无疑问的，可利用第二位置成像单元和第三位置成像单元获取被测灯光度中心的高度信息，而第二位置成像单元和第三位置成像单元对于被测灯光度中心的侧向坐标的识别相对较弱，纵向坐标的识别相对最差，因此本发明中利用设置在承载台上方的第一位置成像单元对第二位置成像单元、第三位置成像单元获取的侧向坐标初始值进行修正，以进一步提高测量精度。

在另一种技术方案中，可以使用三个不同位置的位置成像单元分别获取不同视角下被测灯光度中心的图像，利用图像识别算法识别并提取被测灯光度中心，获取被测灯光度中心的像素坐标，结合三个位置成像单元的空间位置坐标，对不同拍摄角度获取的被测灯光度中心进行拟合，利用数据收发控制单元基于三维重建算法将被测灯光度中心在三个位置成像单元拍摄视场中的像素坐标转换为世界坐标系下的空间三维坐标。

进一步的，还包括对不同类型的被测灯的光度中心位置进行深度学习，便于在第一位置成像单元、第二位置成像单元、第三位置成像单元拍摄的第一图像信息、第二图像信息、第三图像信息中快速准确找到光度中心位置。具体的，可以构建神经网络模型，所述神经网络模型包括但不限于ResNet残差神经网络；将已标注光度中心的第一图像信息、第二图像信息和第三图像信息作为样本进行训练；采用深度学习的方式对不同类型的被测灯光度中心位置样本进行训练并记录，用于相似类型被测灯光度中心的快速识别。

进一步的，根据所述三个位置成像单元拍摄的图像信息，通过将第一图像信息、第二图像信息、第三图像信息作为神经网络的输入，利用训练好的深度学习神经网络模型识别图像信息，得到多灯制被测灯光度中心的大致位置，然后结合图像识别算法计算得到被测灯光度中心相对于承载台的具体空间位置信息。

本发明还公开了一种光电三坐标测量系统，包括用于放置被测灯的承载台、光学测试屏幕、第一位置成像单元、第二位置成像单元、第三位置成像单元、光辐射成像单元以及数据收发控制单元；所述光学测试屏幕设置于被测灯的前方，被测灯发出的光束照射到光学测试屏幕上，所述光辐射成像单元对准光学测量屏幕；所述三个位置成像单元在空间布置使得其主光轴不共面，且在三个位置成像单元中至少有两个位置成像单元的测量视场覆盖被测灯；三个位置成像单元和光辐射成像单元分别与数据收发控制单元通信连接。一般的，将第一位置成像单元置于被测灯上方，其测量视场覆盖被测灯和/或承载台；将第二位置成像单元、第三位置成像单元分别置于被测灯的两个侧前方，第二位置成像单元、第三位置成像单元的测量视场覆盖被测灯。

进一步的，所述的承载台包括使承载台在水平和/或垂直方向上旋转的转动装置。将被测灯安装在可转动可控制的承载台上，可方便快速的获取被测灯的空间光分布信息以及被测灯光度中心的三维位置坐标。所述的光辐射成像单元可用于测量被测灯的空间光分布信息，或者可用于被测灯光轴方向的校准，根据光辐射成像单元所获取的光斑图像信息反馈调节承载台的转动，对被测灯光轴方向进行修正，使得被测灯光轴线同世界坐标系纵向轴线平行或重合。

进一步的，所述承载台上还设有若干空间坐标已知的测量标记，所述测量标记全部或部分处于三个位置成像单元的测量视场内，以便于对三个位置成像单元像素坐标系与世界坐标系之间映射关系的标定。

进一步的，所述的被测灯为安装在车辆上的前照灯，所述承载台用于停放车辆。

进一步的，所述第一位置成像单元设置在被测灯的上方；第二位置成像单元、第三位置成像单元分别设置在光学测试屏幕两侧且不遮挡光学测试屏幕上的测量区域。在一种具体实施方式中，当所述被测灯为整车前照灯时，所述第一位置成像单元设置在车头斜上方，其测量视场可覆盖部分或全部承载台以及车辆前照灯；第二位置成像单元、第三位置成像单元分别设置在光学测试屏幕两侧且不遮挡光学测试屏幕上的测量区域，其测量视场可覆盖车头前侧以及车辆前照灯。或者，所述第一位置成像单元还可设置在车头斜下方，其测量视场覆盖车辆前照灯；第二位置成像单元、第三位置成像单元分别设置在光学测试屏幕两侧且不遮挡光学测试屏幕上的测量区域，其测量视场覆盖车头前侧及车辆前照灯。通过以上位置设计，结合图像识别算法能够有效获得前照灯在世界坐标系下的三维位置坐标，操作方便且测量准确度高。

进一步的，还包括一个或以上的照明光源，所述照明光源在上述系统中起到照明作用。在一种具体实施方式中，当所述被测灯为整车前照灯时，一般测试在暗室环境进行，需要照明光源对前照灯进行照明。所述照明光源可设置于前照灯的斜下方，照射方向覆盖被测前照灯。优选的，所述照明光源的设置位置不遮挡第一位置成像单元、第二位置成像单元和第三位置成像单元对于被测灯的拍摄视场。

进一步的，还包括用于定位被测灯的光度中心的十字激光器。在一种具体实施方式中，当所述被测灯为整车前照灯时，所述十字激光器为两个，分别对准左右前照灯发射十字激光线，以定位前照灯的光度中心，便于在第一位置成像单元、第二位置成像单元、第三位置成像单元拍摄的图像中快速找到对应像素点位。进一步的，所述十字激光器和照明光源可并排设计，所述照明光源用于被测灯的照明，所述十字激光器用于定位被测灯的光度中心。

本发明的有益效果：本发明专利提供了一种三坐标测量方法及测量系统，通过合理设计三个位置成像单元，结合图像识别算法对图像信息进行解析得到前照灯光度中心在世界坐标系下的三维位置坐标，替代了机械式的三坐标测量仪，操作简便，成本低廉，测量精确。

附图说明

图1为本发明世界坐标系与像素坐标系的映射原理图；

图2为本发明实施例一提供的一种光学电子三坐标测量系统结构示意图；

图3和图4为本发明实施例一中世界坐标系与像素坐标系的位置关系示意图；

图5为本发明实施例一提供的结构光条纹标定示意图；

图6为本发明实施例二提供的一种光学电子三坐标测量系统结构示意图；

图7为本发明实施例三提供的一种光学电子三坐标测量系统结构示意图；

图8和图9为本发明实施例三中世界坐标系与像素坐标系的位置关系示意图；

图10为本发明实施例三中双目相机成像模型示意图；

图中：1-承载台，2-第一位置成像单元，3-光学测试屏幕，4-第二位置成像单元，5-第三位置成像单元，6-测量标记，7-照明光源，8-十字激光器，9-漫射板，10-结构光发生器，11-光辐射成像单元。

具体实施方式

实施例一：

本实施例提供了一种光电三坐标测量系统，如图2所示，包括用于停放车辆的承载台1、光学测试屏幕3、第一位置成像单元2、第二位置成像单元4、第三位置成像单元5、十字激光器8、光辐射成像单元11以及数据收发控制单元。所述承载台1包括使得承载台1在水平和/或垂直方向上旋转的转动装置，所述承载台1上设有若干空间坐标已知的测量标记6。所述光学测试屏幕3设置于车辆前照灯前方，前照灯发出的光束照射到光学测试屏幕3上，所述光辐射成像单元11对准光学测试屏幕3。第一位置成像单元2、第二位置成像单元4、第三位置成像单元5在空间布置使得其主光轴不共面，并且三个位置成像单元的测量视场均覆盖被测灯。第一位置成像单元2、第二位置成像单元4、第三位置成像单元5、光辐射成像单元11分别与数据收发控制单元通信连接。

具体的，所述第一位置成像单元2设置在车头斜上方，测量视场覆盖承载台1及车辆前照灯；第二位置成像单元4、第三位置成像单元5分别设置在光学测试屏幕3左右两侧且不遮挡光学测试屏幕上的测量区域，测量视场覆盖车辆前侧及前照灯。两个十字激光器8分别设置在第二位置成像单元4、第三位置成像单元5的下方，用于向车辆前照灯投射十字激光线，以标定前照灯光度中心。在测量中，光学测试屏幕一般设置在距离承载台25m处的位置，以承载台转动中心为坐标原点，建立世界坐标系，过转动中心垂直于光学测试屏幕方向为x轴方向，水平面内垂直于x轴的方向为y轴方向，垂直方向为z轴方向。

在一种具体实施方式中，所述的测量标记6为若干个圆形标靶盘，其在世界坐标系下的坐标对应于第一位置成像单元和/第二位置成像单元和/或第三位置成像单元拍摄画面中的某一像素坐标位置已知的像素点或像素区域。在具体实施方式中，根据世界坐标系下的各个测量标记的坐标数据，通过一些2D-3D匹配算法求解像素坐标系与世界坐标系的映射关系，以得到三个位置成像单元像素坐标系分别与世界坐标系之间的转换关系。随后，第一位置成像单元2、第二位置成像单元4、第三位置成像单元5分别拍摄获取车辆图像，数据收发控制单元分析车辆图像信息得到车辆前照灯光度中心在世界坐标系下的三维位置坐标。

本实施例还提供了一种光电三坐标测量方法，采用上述的光电三坐标测量系统，如图3和图4所示，将车辆停放在可绕水平轴和/或垂直轴旋转的承载台1上，车辆前方设置用于接收前照灯灯光的光学测试屏幕3，使用光辐射成像单元11测量光学测试屏幕3的光斑图像；通过以下步骤确定前照灯光度中心的空间三维位置坐标：

A1：使用设置于承载台1斜上方并且视场覆盖前照灯的第一位置成像单元2对车辆进行俯拍获得第一图像信息；使用设置于承载台1侧前方并且测量视场覆盖前照灯的第二位置成像单元4和第三位置成像单元5分别从两个方向对车辆侧拍，分别获得第二图像信息和第三图像信息；

A2：通过数据收发控制单元根据第一图像信息、第二图像信息和第三图像信息计算分析得到车辆前照灯光度中心在世界坐标系下的三维位置坐标，其中所述三维位置坐标包括高度、纵向和侧向坐标。

需要说明的是，本实施例中光学测试屏幕3设置在距离承载台25m处的位置，世界坐标系以承载台1上的某一点为坐标原点，过该位置点垂直于光学测试屏幕3方向为x轴方向，水平面内垂直于x轴的方向为y轴方向，垂直方向为z轴方向。

在上述技术方案中，可根据所述第一位置成像单元2得到的第一图像信息，通过图像识别的方式，计算得到被测灯光度中心相对于承载台的水平面位置信息；根据所述第二位置成像单元4、第三位置成像单元5得到的第二图像信息和第三图像信息，计算得到被测灯光度中心相对承载台的垂直面位置信息。进而得到前照灯光度中心的三维位置坐标。

优选的，所述承载台1可绕垂直轴旋转，根据第一图像信息获得的车辆中心线偏角信息反馈承载台1的旋转，使得车辆中心线同世界坐标系纵向轴线重合或平行。

进一步的，根据前照灯光度中心在以转动中心为坐标原点的世界坐标系下的三维坐标，结合实际车身方向(即车辆长度方向)，计算得到光学测试屏幕上各点坐标(以转动中心为中心的世界坐标系下表示)所对应的前照灯光线照射方向，所述照射方向在前照灯坐标系中表示。其中所述前照灯坐标系以前照灯光度中心为原点，以前照灯光轴方向为x轴方向，在水平面内垂直于x轴的方向记为y轴方向，竖直方向为z轴方向，一般而言，安装在整车上的前照灯主轴方向为经过光度中心且平行与车身方向的方向。后续进一步计算得到以前照灯光度中心为原点的空间光强分布。

优选的，使用测量标记6分别对三个位置成像单元进行标定。具体包括：所述测量标记在世界坐标系中的空间位置坐标已知，通过每个位置成像单元所拍摄的图像，建立世界坐标系中的三维空间坐标与该位置成像单元的像素坐标之间的映射关系。所述标定步骤可在车辆停放在承载台前完成。在车辆未驶入时，位置成像单元能够明确地拍摄到测量标记，而当车辆停放在承载台后，所述测量标记有可能被遮挡或者被撤离。

其中，以世界坐标系中的三维坐标与第一位置成像单元的像素坐标之间的映射为例，当第一位置成像单元正放在承载台上方，即第一位置成像单元相对于世界坐标系XY平面的倾斜角度为0时，所述世界坐标系中的三维坐标与第一位置成像单元的像素坐标之间的映射关系如下：

其中，u、v为第一位置成像单元拍摄图像中某个像素点的坐标，x、y为所述u、v映射到世界坐标系XY平面上的坐标；a、b分别为在x、y方向单个像素对应的实际距离，由空间位置坐标已知的测量标记定标得到，a、b为非线性参数；c、d为第一位置成像单元接收点A与世界坐标系坐标原点O在XY平面上的平移参数。

当第一位置成像单元放置在承载台斜上方，即第一位置成像单元相对于世界坐标系XY平面的倾斜角度不为0时，对于承载台上的某一点(z不为0的情况)，以x-u转换为例，如图1所示，O为世界坐标系坐标原点，θ为第一位置成像单元相对于世界坐标系XY平面的倾斜角度，(x,0,z)为承载台上的某一点，Y轴垂直纸面向外，A为第一位置成像单元接收点，B为像素坐标系坐标原点，(u,0)为(x,0,z)坐标点在像素坐标系中的对应点。当平移参数c、d为0时，可以得到：

其中，z为承载台1上某一点的高度，对于前照灯光度中心，该参数可由第二位置成像单元4和/或第三位置成像单元5获取；h为第一位置成像单元2接收点A的高度，即第一位置成像单元接收点A在世界坐标系中Z轴方向上的距离；(x₂,0,0)为(x,0,z)坐标点与第一位置成像单元接收点A连线在世界坐标系XY平面上的交点，h₁为(x,0,z)坐标点与第一位置成像单元2接收点A连线同Z轴的交点。

在另一种具体实施方式中，所述测量标记6为结构光条纹，如图5所示，具体实现方式为在承载台1的指定位置设置垂直放置的漫射板9，使用结构光发生器10照射漫射板9形成结构光条纹，结构光条纹的特征点空间坐标已知，三个位置成像单元能够明确地拍摄到全部或部分测量标记。可以先利用空间坐标已知的结构光条纹对位置成像单元进行标定，建立世界坐标系的三维空间坐标与位置成像单元像素坐标之间的映射关系，随后移除漫射板9，将车辆停放在承载台1上进行三坐标位置的测量。

在一种具体实施方式中，使用置于车头前方的十字激光器8对准前照灯光度中心；或者使用标签方式标记前照灯光度中心，以定位前照灯的光度中心，便于在第一位置成像单元、第二位置成像单元、第三位置成像单元拍摄的图像中快速找到对应像素点位。其中所述十字激光器8为两个，可以分别设置在第二位置成像单元4、第三位置成像单元5的附近，并且对准左右前照灯发射十字激光线。

在一种具体实施方式中，所述步骤A2还包括：根据第二图像信息和第三图像信息，获得前照灯光度中心的高度坐标和侧向坐标初始值；根据第一图像信息进一步计算得到前照灯光度中心的纵向坐标并对侧向坐标进行修正。

在另一种具体实施方式中，所述的光辐射成像单元11测量前照灯投射在光学测试屏幕3上的光斑图像，得到前照灯的光分布信息，或者还可以利用光辐射成像单元11所获得不同旋转角度下的光斑图像反馈调节承载台的转动，对前照灯主光轴方向进行修正。

实施例二：

本实施例公开了一种光电三坐标测量系统，如图6所示，包括用于停放车辆的承载台1、光学测试屏幕3、第一位置成像单元2、第二位置成像单元4、第三位置成像单元5、照明光源7、光辐射成像单元11以及数据收发控制单元。所述承载台1包括使得承载台1在水平和/或垂直方向上旋转的转动装置，所述承载台1上设有若干空间坐标已知的测量标记6。所述光学测试屏幕3设置于车辆前照灯前方，前照灯发出的光束照射到光学测试屏幕3上，所述光辐射成像单元11对准光学测试屏幕3。第一位置成像单元2、第二位置成像单元4、第三位置成像单元5在空间布置使得其主光轴不共面，并且三个位置成像单元的测量视场均覆盖被测灯。第一位置成像单元2、第二位置成像单元4、第三位置成像单元5、光辐射成像单元11分别与数据收发控制单元通信连接。

具体的，所述测试在暗室环境中进行，第一位置成像单元2设置在车头斜上方，测量视场覆盖承载台1及车辆前照灯；第二位置成像单元4、第三位置成像单元5分别设置在车辆前侧且不遮挡车辆前照灯发出的光束，测量视场覆盖车辆前侧及前照灯。两个照明光源7分别设置在前照灯的斜下方，用于提供照明，采用图像识别的方式，对车灯轮廓信息进行提取，得到光度中心位置。光学测试屏幕3设置在距离承载台25m处的位置，世界坐标系以承载台3上的旋转中心为坐标原点，过该位置点垂直于光学测试屏幕方向为x轴方向，水平面内垂直于x轴的方向为y轴方向，垂直方向为z轴方向。在实际测量中，除了利用数据收发控制单元计算得到前照灯在世界坐标系下的三维位置坐标，还可以结合实际车身方向(即汽车长度方向)，计算得到光学测试屏幕上各点坐标(以转动中心为坐标原点的世界坐标系下表示)所对应的前照灯光线照射方向，所述照射方向在前照灯坐标系中表示。其中所述前照灯坐标系以前照灯光度中心为原点，以前照灯光轴方向为x轴方向，在水平面内垂直于x轴的方向记为y轴方向，竖直方向为z轴方向，一般而言安装在整车上的前照灯主轴方向为经过光度中心且平行与车身方向的方向。后续进一步计算得到以前照灯光度中心为原点的空间光强分布。

优选的，还包括使用面向光学测量屏幕3布置的光辐射成像单元11测量光学测试屏幕3的光斑图像，数据收发控制单元给予光斑图像分析得到光斑中心位置，对前照灯光轴方向进行修正。

优选的，还包括两个十字激光器(图中未示出)，所述十字激光器与照明光源并排设置于车辆前方，所述十字激光器用于向前照灯发射十字激光线，以进一步精确定位前照灯光度中心。

实施例三：

本实施例提供了一种光电三坐标测量系统，如图7所示，包括用于停放车辆的承载台1、光学测试屏幕3、第一位置成像单元2、第二位置成像单元4、第三位置成像单元5、十字激光器8、光辐射成像单元11以及数据收发控制单元。所述承载台1包括使得承载台1在水平和/或垂直方向上旋转的转动装置，所述承载台1上设有若干空间坐标已知的测量标记6。所述光学测试屏幕3设置于车辆前照灯前方，前照灯发出的光束照射到光学测试屏幕3上，所述光辐射成像单元11对准光学测试屏幕3。第一位置成像单元2、第二位置成像单元4、第三位置成像单元5在空间布置使得其主光轴不共面，并且第一位置成像单元2的测量视场覆盖承载台1，第二位置成像单元4和第三位置成像单元5的测量视场覆盖被测灯。第一位置成像单元2、第二位置成像单元4、第三位置成像单元5、光辐射成像单元11分别与数据收发控制单元通信连接。

具体的，所述第一位置成像单元2设置在承载台1转动中心的正上方，测量视场覆盖承载台1；第二位置成像单元4、第三位置成像单元5分别设置在车头前侧且不遮挡光学测试屏幕上的测量区域，测量视场覆盖车辆前侧及前照灯。两个十字激光器8分别设置在第二位置成像单元4、第三位置成像单元5的下方，用于向车辆前照灯投射十字激光线，以标定前照灯光度中心。在测量中，光学测试屏幕一般设置在距离承载台25m处的位置，以承载台转动中心为坐标原点，建立世界坐标系，过转动中心垂直于光学测试屏幕方向为x轴方向，水平面内垂直于x轴的方向为y轴方向，垂直方向为z轴方向。

本实施例还提供了一种光电三坐标测量方法，采用上述的光电三坐标测量系统，如图8和图9所示，将车辆停放在可绕水平轴和/或垂直轴旋转的承载台1上，车辆前方设置用于接收前照灯灯光的光学测试屏幕3，使用光辐射成像单元11测量光学测试屏幕3的光斑图像；通过以下步骤确定前照灯光度中心的空间三维位置坐标：

B1：使用设置于承载台1转动中心正上方并且视场覆盖承载台1的第一位置成像单元2对车辆进行拍摄获得第一图像信息；使用设置于承载台侧前方并且测量视场覆盖前照灯的第二位置成像单元4和第三位置成像单元5分别从两个方向对车辆侧拍，分别获得第二图像信息和第三图像信息；

B2：通过数据收发控制单元根据第一图像信息、第二图像信息和第三图像信息计算分析得到车辆前照灯光度中心在世界坐标系下的三维位置坐标，其中所述三维位置坐标包括高度、纵向和侧向坐标。

需要说明的是，本实施例中光学测试屏幕3设置在距离承载台25m处的位置，世界坐标系以承载台上的某一点为坐标原点，过该位置点垂直于光学测试屏幕方向为x轴方向，水平面内垂直于x轴的方向为y轴方向，垂直方向为z轴方向。

对于一般的车辆，在上述技术方案中，可根据所述第一位置成像单元2得到的第一图像信息，通过图像识别的方式，计算得到被测灯光度中心相对于承载台1的水平面位置信息；根据所述第二位置成像单元4、第三位置成像单元5得到的第二图像信息和第三图像信息，计算得到被测灯光度中心相对承载台1的垂直面位置信息。进而得到前照灯光度中心的三维位置坐标。

优选的，所述承载台1可绕垂直轴旋转，根据第一图像信息获得的车辆中心线偏角信息反馈承载台1的旋转，使得车辆中心线同世界坐标系纵向轴线重合。

进一步的，根据前照灯光度中心在以转动中心为坐标原点的世界坐标系下的三维坐标，结合实际车身方向(即车辆长度方向)，计算得到光学测试屏幕上各点坐标(以转动中心为中心的世界坐标系下表示)所对应的前照灯光线照射方向，所述照射方向在前照灯坐标系中表示。其中所述前照灯坐标系以前照灯光度中心为原点，以前照灯光轴方向为x轴方向，在水平面内垂直于x轴的方向记为y轴方向，竖直方向为z轴方向，一般而言，安装在整车上的前照灯主轴方向为经过光度中心且平行与车身方向的方向。后续进一步计算得到以前照灯光度中心为原点的空间光强分布。

优选的，使用测量标记6分别对三个位置成像单元进行标定。具体包括：所述测量标记6在世界坐标系中的空间位置坐标已知，通过每个位置成像单元所拍摄的图像，建立世界坐标系中的三维空间坐标与该位置成像单元的像素坐标之间的映射关系。所述标定步骤可在车辆停放在承载台前完成。在车辆未驶入时，位置成像单元能够明确地拍摄到测量标记，而当车辆停放在承载台后，所述测量标记有可能被遮挡或者被撤离。

其中，以世界坐标系中的三维坐标与第一位置成像单元2的像素坐标之间的映射为例，本实施例中第一位置成像单元相对于世界坐标系XY平面的倾斜角度为0，且第一位置成像单元接收点A与世界坐标系坐标原点O在XY平面上的平移参数c、d为0，则所述世界坐标系中的三维坐标与第一位置成像单元的像素坐标之间的映射关系如下：

其中，u、v为第一位置成像单元拍摄图像中某个像素点的坐标，x、y为所述u、v映射到世界坐标系XY平面上的坐标；a、b分别为在x、y方向单个像素对应的实际距离，由空间位置坐标已知的测量标记定标得到。

在一种具体实施方式中，使用置于车头前方的十字激光器8对准前照灯光度中心，以定位前照灯的光度中心，便于在第一位置成像单元2、第二位置成像单元4、第三位置成像单元5拍摄的图像中快速找到对应像素点位。其中所述十字激光器8为两个，可以分别设置在第二位置成像单元4、第三位置成像单元5的附近，并且对准左右前照灯发射十字激光线。

在一种具体实施方式中，所述的第一位置成像单元、第二位置成像单元、第三位置成像单元为相机，其中第二图像信息和第三图像信息获取前照灯光度中心的高度坐标和侧向坐标初始值主要基于双目立体视觉测量原理，通过两个不同位置的相机获取同一场景两幅不同的图像，通过三角测量原理计算图像像素间的位置偏差，推算得到位置点在三维世界坐标系中的深度信息，主要步骤包括相机标定、立体校正、立体匹配和深度计算，进一步的，根据所获取车辆前照灯的深度信息推算得到前照灯的侧向坐标。以理想的双目相机成像模型为例，如图10所示，C1、C2是左右两个相机，相机焦距分别为fL、fR，理想状态下fL和fR相等，记为f；相机入瞳之间的距离为b，f和b可以由先验信息或者相机标定得到；P为两个相机所拍摄的目标位置，其坐标位置记为P(x,y)，目标的水平距离为X，相机离目标的垂直距离为Z，即我们所要获取的深度信息。根据三角关系，图中参数应满足：

整理得：

需要说明的是，在上述实施例中，根据第二位置成像单元、第三位置成像单元以及车辆的位置关系，可利用第二位置成像单元和第三位置成像单元获取前照灯光度中心的高度信息，而当为了获取更全的车辆图像，第二位置成像单元、第三位置成像单元的设置位置距离承载台较远时，毫无疑问的，第二位置成像单元和第三位置成像单元对于前照灯光度中心的侧向坐标的识别相对较弱，纵向坐标的识别相对最差，因此本实施例中可利用设置在车头前侧的第一位置成像单元对第二位置成像单元、第三位置成像单元获取的侧向坐标初始值进行修正，以进一步提高测量精度。

在一种具体实施方式中，还包括对不同车型的车灯光度中心位置进行深度学习，便于在第一位置成像单元、第二位置成像单元、第三位置成像单元拍摄的第一图像信息、第二图像信息、第三图像信息中快速准确找到光度中心位置。具体的，可以构建神经网络模型，所述神经网络模型包括但不限于ResNet残差神经网络，将已标注远近光光度中心的第一图像信息、第二图像信息和第三图像信息作为样本进行训练，采用深度学习的方式对不同车型的前照灯光度中心位置样本进行训练并记录，用于相似车型前照灯光度中心的快速识别。

在一种具体实施方式中，利用第一图像信息，采用图像识别的方式对车辆轮廓信息进行提取，得到车辆中心线相对世界坐标系纵向轴线的偏角信息。根据前照灯在世界坐标系下的三维坐标，计算得到以承载台的转动中心为坐标原点的世界坐标系与以前照灯光度中心为坐标原点的前照灯坐标系之间的坐标转换关系，具体可进行坐标旋转变换和平移变换，得到转换变换矩阵，后续进一步计算得到以前照灯光度中心为原点的空间光强分布。

在一种具体实施方案中，针对于车灯内陷的车辆，放置在承载台正上方的第一位置成像单元无法拍摄到被测灯，则可根据其所获取的第一图像信息，提取车辆轮廓线，获取车辆与承载台的相对位置关系，再结合厂商提供的车灯安装参数，计算得到被测灯光度中心相对于承载台的水平面位置信息；进一步的，还可分析得到车辆中心线相对世界坐标系纵向轴线的偏角信息，进而旋转承载台，使得车辆中心线与世界坐标系纵向轴线相平行或者重合，以便于前照灯配光分布信息的计算。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但本领域技术人员应当理解，以上实施例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域技术人员应当理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的保护范围由所附的权利要求来限定。

Claims (13)

1.一种光电三坐标测量方法，其特征在于，将被测灯放置在承载台（1）上，被测灯前方设置用于接收被测灯发出光束的光学测试屏幕（3），使用光辐射成像单元（11）测量光学测试屏幕（3）的光斑图像；通过以下步骤确定被测灯光度中心的空间位置坐标：

S1：使用第一位置成像单元（2）、第二位置成像单元（4）和第三位置成像单元（5）分别从不同方向进行拍摄，分别获得第一图像信息、第二图像信息和第三图像信息；所述三个位置成像单元（2,4,5）的主光轴不共面，且在三个位置成像单元中至少有两个位置成像单元的测量视场覆盖被测灯；

S2：数据收发控制单元根据三个图像信息计算分析得到被测灯光度中心在世界坐标系下的三维位置坐标。

2.根据权利要求1所述的一种光电三坐标测量方法，其特征在于，所述的被测灯安装在车辆上，将车辆停放在承载台（1）上；在步骤S1中，第一位置成像单元（2）设置于承载台（1）上方并且测量视场覆盖所述承载台（1），第二位置成像单元（4）和第三位置成像单元（5）设置于承载台（1）的两个侧前方且测量视场覆盖被测灯，从两个方向对车辆侧拍。

3.根据权利要求1或2所述的一种光电三坐标测量方法，其特征在于，所述承载台（1）可绕水平轴和/或垂直轴旋转，根据不同旋转角度下光辐射成像单元（11）获得的光斑图像反馈调节承载台（1）的转动，并进一步使用所述步骤S1和S2确定被测灯光度中心的位置。

4.根据权利要求2所述的一种光电三坐标测量方法，其特征在于，利用第一图像信息，采用图像识别的方式对车辆轮廓信息进行提取，得到车辆中心线相对世界坐标系纵向轴线的偏角信息。

5.根据权利要求4所述的一种光电三坐标测量方法，所述承载台（1）可绕垂直轴旋转，根据第一图像信息获得的车辆中心线偏角信息反馈承载台（1）的旋转，使得车辆中心线同世界坐标系纵向轴线平行或重合。

6.根据权利要求1或2所述的一种光电三坐标测量方法，其特征在于，使用测量标记（6）分别对三个位置成像单元（2,4,5）进行标定，具体为：测量标记（6）在世界坐标系中的空间位置坐标已知，通过每个位置成像单元所拍摄的图像，建立世界坐标系中的空间坐标与该位置成像单元的像素坐标之间的映射关系。

7.根据权利要求2所述的一种光电三坐标测量方法，其特征在于，步骤S2中根据第二图像信息和第三图像信息，获得被测灯光度中心的高度坐标和侧向坐标初始值；根据第一图像信息进一步计算得到被测灯光度中心的纵向坐标并对侧向坐标进行修正。

8.根据权利要求2所述的一种光电三坐标测量方法，其特征在于，还包括构建神经网络模型，将已标注被测灯光度中心的第一图像信息、第二图像信息和第三图像信息输入数据收发控制单元并作为样本进行训练，得到多灯制被测灯光度中心的大致位置，并结合图像识别计算得到被测灯光度中心相对于承载台（1）的具体位置信息。

9.基于上述权利要求1-8任一项所述的光电三坐标测量方法的光电三坐标测量系统，其特征在于，包括用于放置被测灯的承载台（1）、光学测试屏幕（3）、第一位置成像单元（2）、第二位置成像单元（4）、第三位置成像单元（5）、光辐射成像单元（11）以及数据收发控制单元；所述光学测试屏幕（3）设置于被测灯的前方，被测灯发出的光束照射到光学测试屏幕（3）上，所述光辐射成像单元（11）对准光学测量屏幕（3）；所述三个位置成像单元在空间布置使得其主光轴不共面，且在三个位置成像单元中至少有两个位置成像单元的测量视场覆盖被测灯；三个位置成像单元和光辐射成像单元（11）分别与数据收发控制单元通信连接。

10.根据权利要求9所述的一种光电三坐标测量系统，其特征在于，所述承载台（1）上还设有若干空间坐标已知的测量标记（6），所述测量标记（6）处于第一位置成像单元（2）的测量视场内。

11.根据权利要求9所述的一种光电三坐标测量系统，其特征在于，所述第一位置成像单元（2）设置在被测灯的上方；第二位置成像单元（4）、第三位置成像单元（5）分别设置在光学测试屏幕（3）两侧且不遮挡光学测试屏幕（3）上的测量区域。

12.根据权利要求9所述的一种光电三坐标测量系统，其特征在于，所述的被测灯为安装在车辆上的前照灯，所述承载台（1）用于停放车辆。

13.根据权利要求9所述的一种光电三坐标测量系统，其特征在于，所述的承载台包括使承载台（1）在水平和/或垂直方向上旋转的转动装置。