（载运工具运用工程专业论文）基于图像处理的汽车前照灯检测技术的研究.pdf

摘要 随着经济、社会的快速发展，汽车保有量快速增长；汽车技术的高速发展，汽 车的行驶速度越来越快。汽车夜问中、高速会车的频率越来越高，汽车前照灯光束 照射方向不当已成为影响汽车夜间安全行驶的主要隐患之一。现有汽车前照灯检测 仪器检测功能不全、检测精度不高等问题严重影响着汽车前照灯强制安全检测的相 关国家标准的实施。 本课题的主要研究内容为： 1 、分析现有汽车前照灯近光照射方位检测方法和仪器的存在问题，提出了从汽 车前照灯近光照射方位角测量和汽车摆放位置偏置角修正两方面提高检测精度的途 径。 2 、研究了汽车前照灯近光照射方位角双位屏幕板检测原理及方法。实现汽车前 照灯近光照射方位的独立检测，克服了被检汽车与检测仪器间停放距离误差引起的 测量误差，提高检测精度。 3 、研究了汽车摆放位景的偏匿角测量原理及方法。有效解决汽车摆放位置的偏 差对检测结果的影响。 4 、采用m a t l a b 开发平台开发了汽车前照灯近光照射方位角和汽车摆放位置 的偏置角测量计算机程序。 5 、初步开发了汽车前照灯近光照射方位检测系统，进行了模拟和实车综合试验， 试验结果表明，系统方案可行。 课题的实现能克服现有汽车前照灯检测装置的近光光束照射方位角检测精度低 的缺陷及汽车前照灯光束照射方位角全自动检测误差大、误判率高的问题。填补了 目前国内在汽车前照灯检测过程中车辆摆放偏置角修正方面的空自。 有待进一步研究和解决的问题： 对于在图像处理中的能采用更好的处理方法以获得更高的测量精度，如在运用 模式匹配的方法、自动处理等方面有待进一步的研究和改善。 关键词：汽车前照灯图像处理近光光束方位角摆放偏置角 双位屏幕板检测法 r e s e a r c ho i lt h et e s t t e c h n o l o g y o f a u t o m o b i l e h e a d l a m p b a s e do n i m a g ep r o c e s s i n g a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m ya n dt h es o c i e t y , t h er e c o v e r a b l ea m o u n t o ft h ea u t o m o b i l ei nc r e a s e sf a s t ，t h eh i g h - s p e e dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l et e c h n o l o g y m a k et h es p e e do f t h ea u t o m o b i l ei sf a s t e ra n df a s t e r t h ef r e q u e n c yo fc a rm e e ta tn i g h t 、碱t 1 1 l l i 班s p e e d i s h i g h e r + t h ei n a p p r o p r i a t e o ft h es h i n ed i r e e t i o no fa u t o m o b i l e h e a d l a r n pi st h em a i nh i d d e nd a n g e r sf o rd r i v i n ga tn i g h t e x i s t i n ga u t o m o b i l eh e a d l i g h t t e s t e rm e a s u r ef u n c t i o nn o to v e r a l l 1 0 wt e s tp r e c i s i o ni n f l u e n c ei m p l e m e n t a t i o no ft h e r e l e v a n tn a t i o n a is t a n d a r do f a u t o m o b i l e h e a d l a m p t e s ts a f e l yb yf o r c e t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so f t h i ss u b j e c t a r e ： 1 i ti sa n a l y z e dt h a tt h ee x i s t i n ga u t o m o b i l eh e a d l a m pn e a rs h i n e st e s tm e t h o di nt h e p o s i t i o n a n di n s m m a e n te x i s t e n c e p r o b l e m s ，p , a tf o r w a r d t w o w a y so f h e a d l a m p n e , a e s h i n ea z i m u t ht e s ta n db i a s i n ga n g l e so f t h ea u t o m o b i l el o c a t i o nt oa d j u s t m e n tt h es h i n i n g a z i m u t ho fa u t o m o b i l en e a rh e a d l a m pt oi m p r o v et e s tp r e c i s i o n ， 2 s m d y t h et e s tp r i n c i p l ea n dm e t h o do f a u t o m o b i l eh e a d l a m pn e a rs h i n ea z i m u t h w i t hp a i r so f l o c a t i o ns e l d e nb o a r d s u s et h em e a s u r eo f p a i r so f l o c a t i o ns c r e e nb o a r d c a r lr e a l i z ea u t o m o b i l eh e a d l a m pn e a rs h i n ep o s i t i o ni n d e p e n d e n tt e s t i n g ，o v e r c o m et h e m e a s u r e m e n te r r o rc a u s eb yt h ed i s t s n e ee r r o rb e t w e e no f a u t o m o b i l ea n dh e a d l a m pt c s t e r , a n d i m p r o v e t h ep r e c i s i o n o f t e s t i n g 3 s t u d y t h et e s tp r i n c i p l ea n dm e t h o do f t h eb a s i sa n g l e so f t h ea u t o m o b i l el o e a t i o n s o l v et h ei n f l u e n c eo nr e s u l to f t e s t i n go f b a s i so f t h ea u t o m o b i l el o c a t i o ne f f c e t i v e l y 4 ，a d o p t m a t ia bd e v e l o p i n g p l a t f o r m d e v e l o p t h ec o m p u t e r p r o g r a m f o r t e s t t h e h e a d l a m p n e s l s h i n ea z i m u t ha n d b i a s i n ga n g l e so f t h ea u t o m o b i l el o c a t i o n 5 h a v ed e v e l o p e dt h et e s t i n gs y s t e mf o ra u t o m o b i l eh e a d l a m pn e a rs h i n ea z i m u t h t e s t i si ti m i t a t et og oo na n dt h er e a lc a rt e s ts y n t h e t i c a l l y , t h er e s u l to f t h et e s ti n d i c a t e s t h es y s t e m a t i cs c h e m ei sf e a s i b l e t h e s u b j e c to n e r e a l i z a t i o nc a no v e r c o m et h ea u t o m o b i l eh e a d l a m pt e s tp r o b l e mo f t h el o wt e s tp r e c i s i o no f t h en e a rl i g h to f t h ea u t o m o b i l e h e a d l a m ps h i n e sa z i m u t h a l l y , a n d h i 曲i n a c c u r a c yr a t e ，j u d g i n gb ya c c i d e n tr a t ef o ra u t o m a t i c a l l yt e s t s t h es u b j e c t h a v ef i l l e dt h ed o m e s t i ca u t o m o b i l eh e a d l a m pt e s tb l a n ko f t h eb i a s i n ga n g l e so f t h e a u t o m o b i l e1 0 c 坦t i o no na u t o m o b i l e h e a d l a m p 把s t i n g p r o b l e mr e m a i n e dt os t u d ya n ds o l v i n gf u r t h e r ： a st 0b e i n ga b l et oa d o p t g o o d t r e a t m e n tm e t h o di no r d e rt oo b t a i ng o o dr e s u l ti n i m a g ep r o c e s s i n g ，s u e ha su s i n gt h em e t h o do f m o d em a t c h e s ，a u t o m a t i cp r o c e s s i n g ，e t c t oa w a i tf b r t h e rs t u d y i n g k e yw o r d s ：a u t oh e a d l a m pi m a g ep r o c e s s i n g n e a rl a m pb e a ma z i m u t h b i a s i n ga n g l e so f t h ea u t o m o b i l el o c a t i o n t e s to f p a i r sl o c a t i o ns c r e e nb o a r d s w r i t t e nb y ：l i u j i a nz h u s u p e r v i s e db y ：p r o f y o n g j u nm i n 爱带 ， x 7 4 9 5 2 2 本文走在导师闵永军赦投的悉心椭导下完成曲。从 奄文曲选题、撰写到实玲，闵老坪倾汪了他文量的心血。 在三年曲研究生期间。闽老师表统虫了严谨曲沽学态 度，一业不苟曲科碍昨风，以及高尚的人格魅力癣睬藩 曲赦导着我，闵老师明博的知识、敏锐的科学眼光，思 维活跃，使我受盖t 浅。在研究生期间，闵老师不仅基 套了我怎样梭学习研究，更是在童话和学习中给予了毛 簟不至的关捉和帮助? 在三丰的碍宪生学习生活十，闵 老师反其爱人陆太宁老师都给予了大量的关心和帮助。 在她栈对闵老师和陆老师表示罩衷心曲感谢。以反我深 曝地氛t 。 感谢度论文的选题，唧究和实玲曲避程中得到了基 研簟曲老曲热心指点和帮助，弄感谢在研究生期间赦 研曩实l 室重量康、龠明亮等老师给予我的帮助。 或谢南毫艨誊太学对戒的培养，钝器母校的未耒更 加美籽 感谢家人一直耒对我的关* 和支持。 谨此向所有在栽研究生期间关心，帮助和最导过我 的人们表示诚警b 文毒，感谍大家对我曲厚爱和囊望。 素后感谢己在校期间所付出的辛勤努力睨愿i 己在以后曲人生珞上再挟再厉，勇举高峰。 朱柳建 t 0 0 彳鼻彳更 第一章绪论 1 1 论文研究目的及意义 随着经济、社会的快速发展，汽车保有量快速增长，目前已达到两千多万辆，特别是 城市中汽车的密度越来越大。汽车技术的高速发展，使我国在用汽车的动力性能不断提高， 高等级公路快速增长，汽车行驶条件明显改善，汽车的行驶速度越来越快。汽车夜阳j 中、 高速会车的频率越来越高。汽车前照灯是保障汽车安全运行的重要部件之一，特别是在夜 间行车时，更为重要。前照灯的配光特性、光照度是保证汽车行驶安全的重要指标。资料 显示：车辆总行驶单程的2 5 是在晚上和自然光线不足的情况下行驶的，而在此之间发生 的人身伤害行车事故占到3 3 ，并且5 0 的死亡事故发生在夜间。汽车前照灯光束照射 方向不当已成为影响汽车夜间安全行驶的主要隐患之一。因此，在用汽车前照灯的光束照 射方位角的检测是汽车安全性能检测的必检项目之一。 为了保证汽车夜间安全行驶，汽车前照灯必须保证车前有明亮且均匀的照明，使驾驶 员能看清车前1 0 0m 内路面上的障碍物，现代高速汽车其照明距离应达到2 0 0 2 5 0m ； 汽车前照灯应能防止眩目，以避免两车相会时，使对面驾驶员眩日而造成交通事故。为达 到上述要求，汽车前照灯设最近光和远光两种工作方式，在前方无来车或不尾随其它车辆 时使用远光照明，当汽车交会或尾随其它车辆时使用近光照明。为使汽车前照灯具有良好 的防眩目功能，除在前照灯灯泡上设置防眩目装置外，还必须保证汽车前照灯有正确的光 束照射方向( 位置) 。 为保证使用前照灯近光时具有足够的照明且不眩日，g b 4 5 9 9 汽车前照灯配光性能 对前照灯近光的配光性能提出了明确的要求，在前照灯基准中心前2 5m 过h v 点的铅垂配 光屏幕上，近光应产生明显的明暗截止线。其水平部分在v v 线的左侧，右侧为与水平线 向上1 5 。的斜线，或向上成4 5 。斜线至水平线垂直距2 5c m 转向水平的折线，如图1 1 所 示。在i 、i i 、i 和i v 区域内，其水平方向相邻间的照度应无明显的陡变，不致影响良好 的可见度。 图l 一1 汽车前照灯近光配光明暗截止线图 对汽车前照灯光束照射方向的要求，g b 7 2 5 8 2 0 0 4 机动车运行安全技术条件规定t 机动车在检验前照灯的近光光束照射位置时，车辆空载，允许1 名驾驶员，前照灯在距屏 幕1 0m 处，光束明暗截止线转角或中点的高度，乘用车应为o 7 0 o 9 0 h ( h 为前照灯中 心高度) ，其它车辆为0 ，6 - - 0 8 h ，近光光束水平方向照射方位角偏左不得超过1 7 0m 向右 不准超过3 5 0m m ；汽车前照灯远光光束照射位置在1 0m 距离，乘用车的远光光束高度为 o 9 - - 1 0 h ，其它车辆为o 8 - - 0 9 5 h ，照射方位角左灯向左偏差不得大于1 7 0 唧。向右偏差 不得大于3 5 0m i l l ；右灯左、右偏差都不得大于3 5 0 啪。 对装用远光和近光双光束灯泡的汽车前照灯，检测光束照射方向时，g b 7 2 5 8 - 2 0 0 4 机 动车运行安全技术条件和g b 7 4 5 4 机动车前照灯使用和光束调整技术规定都明确规 定应以近光光束照射方位角检测为主。因此在前照灯的检测中，前照灯近光光束照射方向 检测是一个重点项耳。 国内外现有汽车前照灯光束照射方位角自动检测装置有两类，一类是采用光电转换元 件对近光光束投影进行直接测量；另一类是采用c c d 器件对前照灯光束投影进行摄像， 用计算机图像处理技术进行测量。国内的前照灯检测仪器的光轴偏移量误差达至u 士1 5 ，相 对于国标限值1 7 0 咖( 台5 8 4 ) 这一误差已相当大。另外，目前国内的检测仪都是采用单屏 幕板的方式，这一检测方式都要求检测时车辆与检测仪垂直停放，前照灯与检测仪的距离 精确定位。而实际检测中，车辆在停放时与检测仪的垂直线不可能达到重合，车辆与检测 仪的距离会存在一定的偏差；因此车辆的摆放方位会直接影响前照灯的检测结果的精确 性。 由于制造工艺、工作电压和外界环境等因素的影响，实际近光光形的明暗截止线并不 明朗清晰，光形在测量平面上的照度分布差别较大，由于光电传感器在检测仪中的点数有 限，因此用光电转换元件直接测量的检测仪对在用汽车前照灯近光配光的适应性差，有的 检测仪检测箱内的受光器必须能分别绕水平轴和铅锤轴转动，机电控制系统复杂，难以满 足在用汽车实际检测的需要。且前受检测仪功能限制，在汽车安全性能的实际检测中普遍 仅检测前照灯的远光光束照射方位角，达不到国家标准的要求，现有用c c d 摄像经计算 机图像处理测量的检测仪在测量近光前必须先测量远光光束照射方位角以确定前照灯位 置，不仅操作不方便，而且远光检测误差和前照灯基准中心与检测仪距离误差直接引起近 光检测误差，检测精度低。 在汽车偏置角的修正方面，现在国内的种汽车摆正器，它由中心线重合的前、后轴 平台组成，其中心线与前照灯检测仪道轨垂直。汽车前照灯检测时，汽车前、后轮分别停 在前、后移动板和转盘上，在前、后扩架的推动下，使汽车纵向轴线重合于平台中心线， 汽车便被摆正，这可消除由于汽车停放不正而引起的测量误差。但该摆正器前、后轴平台 距离固定，不能适应不同轴距汽车的摆正，且摆正调整时间长，检测效率低，不能满足汽 车安全检测线上不同轴距汽车交替快速自动检测的需要。 鉴于以上原因，使得目前国内的前照灯检测结果不很理想，满足不了臼益发展的汽车 工业对安全性的要求。在新出台的g b 7 2 5 8 2 0 0 4 中提出了在用前照灯检测仪检测时，将 被检测的机动车按规定距离与前照灯检测仪对正( 宜使用车辆摆正装置) 。这一项的提出 也证实了在前照灯的检测中，由于车辆摆放存在偏差从而使得前照灯的检测精度不高的问 题。本文针对目前国内的现状，提出了两种创新性的汽车前照灯的检测方法，一是在前照 灯的检测仪中采用双屏幕板检测方法来解决由于车辆停放时与检测仪之间距离变化产生 的影响；二是通过求汽车的摆放方位角大小对前照灯的检测结果迸仃修止，玳猬田丁牛棚 与检测仪垂线摆放偏差引起的检测误差。从而可以得到汽车的前照灯精确的测量结果，大 大减小了测量中的误差，在很大程度上提高了前照灯检测的检测质量，间接的减小了由于 前照灯故障所引起的夜间行车交通事故，减少了人员的伤亡。课题的实现能克服现有汽车 前照灯检测装置的近光光束照射方位角检测精度低的缺陷及汽车前照灯光束照射方位角 全自动检测误差大、误判率高的问题。并填补了现在国内在汽车前照灯检测过程中车辆摆 放偏置角修正方面的空白，为汽车前照灯检测提供了一个有效的提高精度的方法，符合了 我国目前在汽车检测上对前照灯检测的要求，使我国的前照灯检测技术更完善，检测结果 更精确。 1 2 论文研究的内容 针对国内外的研究现状，本论文研究的主要内容为把计算机图像处理技术应用到汽车 的前照灯检测中来，也就是把图像处理和前照灯检测相结合，提高前照灯检测效果。 主要研究内容为： 分析现有汽车前照灯近光照射方位检测方法和仪器存在问题，提出基于计算机图像处 理技术提高汽车前照灯近光照射方位检测精度的技术方案； 研究基于计算机图像处理技术的汽车前照灯近光照射方位角双屏幕板检测原理及方 法： 研究基于计算机图像处理技术的汽车摆放位置偏置角测量原理及方法； 开发汽车前照灯近光照射方位角和汽车摆放位置偏置角测量计算机程序； 初步构建基于计算机图像处理技术的汽车前照灯近光照射方位检测系统，并对系统主 要元件的技术参数的选择进行探讨。 本论文的结构为： 第二章检测系统方案与原理，介绍系统的方案的可行性，研究系统检测的原理。 第三章检测系统设计，介绍图像处理的一些基础知识，及计算机程序的设计。 第四章系统试验与结果分析，对设计的系统进行模拟和实车检验，并对结果进行分 析，看系统的实用性。 ， 第五章论文结论，对论文的研究进行结论，说明论文的研究成果和论文研究中存在 有待解决的问题。 第二章检测系统方案与原理 2 1 检测系统总体方案 本研究设计的汽车前照灯近光照射方位角检测系统总体包括两个部分： 第一部分为对汽车前照灯照射方位角的检测，在这部分中首先要获得设定间隔距离两 投影屏幕上的汽车前照灯的近光投影图像，计算机对获得的两图像进行处理计算通过 处理得到两近光投影图像的明暗截止线转折点的空间坐标，最后计算得出此近光灯的光束 照射方位角。 第二部分为对于汽车摆放偏置角的求解，在这部分中首先通过摄像头得到汽车摆放位 置的投影图像，然后经过图像的处理和计算，最后得到车辆在此位置时的摆放位置角。这 一部分主要对车辆的偏置角进行求解，然后对第一部分求出的前照灯的光束照射方位角进 行修正，从而使检测结果达到最高的精度。 系统总体组成简图如图2 - 1 所示： 匹 在这系统中，2 与4 构成汽车前照灯的检测仪器，在前照灯检测仪4 里面有一个摄像 头2 ，摄像头2 通过汽车投影在前照灯检测仪4 中的屏幕板上的前照灯近光投影图，然后 把所获得的图像传给计算机3 ，在计算机中进行一定的图像的处理和计算，得出一个基本 的汽车前照灯的照射方位角；同时置于汽车检测线上方的摄像头l ，当汽车进检测线停稳 后，摄像头1 摄取汽车的俯视图像，然后把图像输迸计算机3 ，在计算机4 中对图像进行 处理计算得到一个车辆的摆放偏置角；最后在计算机3 中用汽车的摆放偏置角对第一步测 得的汽车前照灯照射基本方位角进行修正，得出一个修正后的精确汽车前照灯近光照射方 位角。得出检测汽车的前照灯的近光照射方位角后，把这个角度与国家标准作比较，判断 此前照灯是否符合国家标准，最后把结果输出在计算机屏幕上。 基于计算机图像处理的汽车前照灯检测技术，现已申请了两项国家专利，一项是汽车 前照灯检测装置的实用新型专利( 专利号为：0 3 2 5 8 9 4 7 6 ) ；另一项是关于汽车摆放偏置 角的汽车前照灯测量误差修正方法的发明专利( 申请号0 3 1 3 1 9 2 8 9 ) 初审已合格，进入实审阶 4 段。 2 2 前照灯近光照射方位角检测原理 基于图像处理技术的前照灯近光照射方位角检测的基本原理是通过c c d 摄像装置将 前照灯光束在测量屏幕上的投影图像输入计算机，计算机对输入图像进行处理和分析，求 得前照灯远、近光光轴方向。 光轴是指前照灯几何中心与测量屏幕上光束投影中心( 远光) 或明暗截止线转角( 近光) 的连线。检测过程中，汽车方位不变，光轴方向固定。打开前照灯，若先后在汽车前照灯 正前方i 位和i i 位放置与汽车纵向轴线垂直的投影屏幕，见图2 - 2 所示，则可在两投影屏 幕上分别得到光束投影中心或明暗截止线转角点a 和a i 。直线a 甜与光轴重合，所以光轴 方向可由直线aa 的空间方位确定。 用c c d 摄像装置将2 个位置投影屏幕上的2 帧图像输入计算机，根据前照灯远、近 光投影图像的特点，计算机对输入图像进行处理和分析，找出图像中的特征点a 和a i 在投 影屏幕坐标系中的坐标( x a ，y a ) 和( x a ，y a ) ，结合投影屏幕在i 位和l i 位之间的距离l 2 ， 就可确定赢线aa l 的空间方位，从而测出前照灯远光或近光的光轴方向： y o z 平面内的下倾角0 【= ：a r c t a | 1 【( y la 一y a ) l 2 ； x o z 平面内的右偏角1 3 = a r c t a n “a f x a ) l 2 1 。 图2 2 前照灯近光照射方位角求解思路 ( “) 基于图像处理技术的前照灯近光照射方位角检测的具体方法是：通过图像处理中的图 像转换，滤波，边缘检测等技术得到车辆前照灯的近光明暗截止线，然后通过对数字图像 中的像素进行处理最终得到车辆前照灯明暗截止线的转折点坐标，最后算出近光的照射方 位角。前照灯近光照射方位角测量具体过程见图2 - 3 。 经处理得到的图像 对求得的明暗截止 线进行曲线拟合 设定阈值a ，判断曲 线斜率变化值k 是 否达到a 值大小? 求取曲线的转 折点坐标 对左边曲线用直线 进行拟舍，得线段l 对右边曲线段用 直线拟合得线段2 计算线段i 与线段2 的交点x l 坐标计算 得到另一幅图像的交点x 2 坐标，通过x l 和x 2 坐标值算出前照灯的近光照射方位角 图2 - 3 前照灯近光照射方位角测量流程 6 2 3 汽车摆放偏置角测量原理 汽车摆放偏置角的测量就是求得汽车的轮廓线后，采用逼近的方式求取轮廓线的中心 线方位角。 如图2 - 4 所示，如果能够测得汽车纵轴线偏置角口，就能对前照灯检测仪的测量值 进行修正从而获得实际前照灯光束照射方位角，实际前照灯光束照射方位角，和前照灯 检测仪测量值口的关系为： y = 口一口 ( 2 - 1 ) 口、，统一规定为右偏为正，左偏为负 口 、 、上 8 图2 - 4 汽车摆放偏置角示意图 7 本系统中汽车纵轴线偏置角口可用逼近法求得。在图2 5 所示状态下，计算机对系统 获得的实际检测位置汽车停放区域的数字图像进行分割处理，得到汽车俯视外形轮廓图像 l o ，根据汽车俯视外形轮廓对称的特点，用逼近法求得汽车纵轴线的方位。 】人 l 荔 h 、爹 o m 图2 5 汽车摆放偏置角求解思路 7 逼近法求解的具体方法是：设定误差阈值占，选定上述汽车外形轮廓图像l o 的前部 和后部求解起始位置i i 位和i i 一位，得到两对边缘点蹿，( 如f ，y a t ) 、b z 似j ，y b ， 和c ( 工。j ，儿ad l ( x d f ，y a l ) ，其中尸x b ，= 聊，连接点6 t ，和b ，求得线段 印6 ，中点m l ，连接点c l 和西，求得线段c t d l 中点月l ，连接点r 口1 和m ，得线段所，翔，其 斜盔 ， 七= 兰型兰! 二兰! ! 二羔生1 1 2 ( 丸i 一并“) 聊”i 和a l b j 的夹角舅： o t ：甜c 呕_ - 1 ( 2 2 ) ( 2 3 ) - 若1 9 0 - 0 1 j 占，则分别过点m l 和n l 作垂直于r a i n l 的直线与图像交于o 。( x a 2 ，y a 2 ) 、 b 2 ( x b 2 ，肋力和c ? ( x c 2 ，弘2 ) 、d ? ( x d 2 ，y d 2 ) ，求得线段玎，b ? 和c ，d ? 的中点m ，和门2 ， 连接m ，月z 得直线m ，聍：，求m ，n z 和口t b ，的夹角幺： 式中：如 岛= 嗍邕 协4 ， ：匕2 ! 2 二丝2 二羔韭 x 口2 + x b 2 一x c 2 一x d 2 茬：r g o 一0 2 i 占，则重复上述步骤直到第i 次，使直线m i n i 乘1 a i b i 的夹角只： 耻洲培篙 式中：七。：丝兰逝丝 x 埘+ x m x c j x 由 ( 2 5 ) 满足f 9 0 一只i ( 4 8 0 的摄像头来进行试验，目的在于探讨基本方法。在最后实车 综合测量试验中使用了1 3 0 万像素的摄像头。 第3 章系统软件设计与开发 3 1 图像处理基础知识 3 1 1 图像处理的研究内容 图像处理技术的完整过程包括图像的采集、量化、存储、变换、编码、分割、特征提 取、图像数据库的建立、图像的分类和表示、图像识别、模式匹配、内容解释和理解等等。 根据抽象程度和方法的不同，图像处理技术可分为图像处理、图像分析( 包括图像分割) 和图像理解三个层次。 l 、图像处理 图像处理( i m a g e p r o c e s s i n g ) 是较低层的操作，主要在图像像素级上进行大数据量的 处理。图像处理着重图像之间的变换，对图像进行各种加工以改善图像的视觉效果。 2 、图像分割 图像分割( i m a g es e g m e n t a t i o n ) 属于中层次的操作。图像分割和特征提取把原来以像 素描述的图像转变为较简单的非图像形式的符号描述，而被提取的图像特征有边缘( e d g e ) 和区域( r e g i o n ) ，边缘检测和区域分割具有相互补充的特征。 3 、图像分析 图像分析( i m a g ea n a l y s i s ) 也属于中层次的操作。图像分析要有对图像中的感兴趣的 目标进行分析，如果说图像处理是一个图像进图像出的过程，而图像分析是一个图像进而 数据出的过程。 4 、图像理解 图像理解主要是高层次操作，基本上是符号运算。图像理解主要指在图像分析的基础 上，迸一步研究图像中的目标和它们之间的联系并做出对图像的内容含义的理解以及对原 来客观场景的解释，从而可以指导和规划行动。 图像处理的基本方法为： 1 、空域法：包括全局法( 全局运算) 、点处理( 点运算) 、领域处理( 局部处理) 。 2 、频域法。 3 1 2 图像的采样和量化 一般图像获取装置可分为三种：、单个成像传感器、线性传感器、传感器阵列( 如图 2 3 1 ) ： 图3 - 1 图像获取装置 工作原理为：通过将输入电功率和对特殊类型检测能源敏感的传感器材料组合，把输 入能源转变为电压。输出电压波形是传感器的响应，同时，一个数字量可从数字化该响应 的每个传感器得到。 由传感器不同可分为c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l - o x i d es e m i c o n d u c t o r ) 和c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) 两种目前大多采用c c d 作为图像获取的传感器。由于三种 装置所使用的传感器数目不同，其获取图像的场合也不同，一般情况下，传感器数目越多 适应的场合也就越广。 大多数传感器的输出是连续电压波形，这些波形的幅度和空间特性都与感知的物理现 象有关，为了产生一幅数字图像，需要把连续的感知数据转换为数字形式。这就是采样和 量化。 图像的数字化在一般情况下，多指图像的空间取样，应包含两方面的内容： ( 1 ) 图像空间位置的数字化，即指图像的空间取样，通过采样把一幅完整的图像分 割成无数众多的离散像素组成的阵列。 ( 2 )图像灰度的数字化，即指从图像灰度的连续变化中进行离散的采样。 所以一幅图像的数字化，实际是指在图像的空间采样和表示图像灰度的离散采样。 如果要把一幅图像数字化为数字图像，就要对原图像进行采样和量化。图像经过数字 化后，得到一个数字图像，这个数字图像实际上是原来连续图像的一个近似图像，为了得 到对原图像的一个非常近似的图像，需要考虑取样个数和灰度级数。目前使用的灰度级数 有2 6 = 6 4 级、2 7 = 1 2 8 级和2 8 = 2 5 6 级，通常量化为2 5 6 个灰度级。 在数字图像处理技术中，对于连续函数坟x ，y ) 所表示的图像在空间分布和幅度( 亮度 和灰度) 大小上都需要加以离散数字化。 对连续变化的图像在空间上作离散化的过程，称为对图像进行采样( 或称为取样、抽 样) ，选取的采样点通常称为像素。由采样点组成的采样点阵可有不同形式。最常使用的 f 3 采样点阵是方形点阵。图像采样可分为一维采样和二维采样，在此不多叙述。 经过采样的图像，只是使其成为在空间上离散的像素阵列，每个取样样本成为像素。 由于原f ( x ，y ) 是连续图像，因此各个像素的值可能有无穷多个。为了便于进行计算机处理， 必须把无穷多个离散值简化为有限个离散值，即量化，这样才便于赋予每一个离散值互异 的编码以进入计算机。图像的量化可分为均匀量化和非均匀量化两种。 3 1 3 数字图像的表示 取样和量化的结果是一个实际矩阵。假如一幅图像f ( xj ) 被取样，则产生的数字图像 有m 行和n 列。现在，坐标( x ，y ) 的值变成离散量。为表达清楚和方便起见，对这些 离散坐标应该用整数。这样，原点的坐标值是( x ，y ) = ( 0 ，o ) 。沿图像第一行的下一个坐标值 用( x ，y ) - ( o ，1 ) 来表示。记住，用符号( o ，1 ) 表示沿第一行的第二个取样是很重要的，但 它并不意昧着是图像取样的物理坐标实际值。 一个m x n 图像的矩阵形式表达为： f ( x ，y ) = f ( o ，o ) f ( 1 ，o ) f ( 0 ，1 ) f ( 1 ，1 ) f q ，n - 1 ) f ( 1 ，n - 1 ) f ( m 一1 ，0 )f ( m l ，1 ) f ( m - 1 ，n - 1 ) ( 3 1 ) 这个表达式的右侧定义了一幅数字图像。矩阵中的每个元素称为图像单元、图像元素 或像素。 数字化过程对于m 、n 值和每个像素允许的离散灰度级数l 需要一个判定。对m 和 n 除了必须取正整数外没有其它要求。然而，出于处理、存储和取样硬件的考虑，灰度级 数l 典型的取值是2 的整数次幂： 上= 2 ( 3 2 ) 这里，假设离散灰度级是等间隔的并且是区间 o ，l - 1 】内的整数。有时灰度级取值范围称 为图像的动态范围。把占有灰度级全部有效段的图像叫做高动态范围图像。当相当可观数 目的像素呈现这样的特性时，图像就有较高对比度。相反，低动态范围的图像看上去似乎 是冲淡了的灰暗格调。 数字b 是存储数字图像需要的比特数，有： b = m x n x k( 3 - 3 ) 当m = n 时，式( 2 3 ) 变为： b = n 2 k ( 3 - 4 ) 1 4 3 1 4 图像增强 图像增强是指对图像的某些特征，如边缘、轮廓、对比度等进行强调或尖锐化，以便 于显示、观察或迸一步分析与处理。增强将不增加图像数据中的相关信息，但它将增加所 选择特征的动态范围，从而使这些特征检测或识别更加容易。 图像增强按处理的空间不同可分为基于图像域的方法和基于变换域的方法。 基于图像域的方法，直接在图像所在的空间进行处理，也就是在像素组成的空间里直 接对像素进行操作；而基于变换域的方法是在图像的变换域对图像进行间接处理。两者也 就是空间域与频率域的图像增强方法。由于频率域的图像增强在本论文中没有涉及，因此 在论文中对频率域的图像增强就不作具体介绍。 图像增强的最大困难是：很难对增强结果加以量化描述，只能靠经验及主观感觉加以 评价。实际中，它常作为许多后续分析与处理的基础。 3 2 图像处理系统 3 2 1 m a t l a b 图像处理系统 m a t l a b 是m a t h w o r k s 公司于1 9 8 2 年推出的一套高性能的数值计算和可视化软件， 它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好用 户环境。历经十几年的发展和竞争，现已成为( i e e e ) 国际公认的最优秀的科技应用软件之 一。作为一个跨平台的软件，m a t l a b 已推出u n i x 、w i n d o w s 9 x n t 、l i n u x 和m a c 等十 多种操作系统平台下的版本，大大方便了在不同操作系统平台下的研究工作。目前基于 w i n d o w s 系统的最新版本已上升到m a t l a b 7 0 ，它继承了以往版本的优点，非常容易使 用。 1 、m a t l a b 的特点 m a t l a b 有三大特点：一是功能强大。主要包括数值计算和符号计算、计算结果和 编程可视化、数学和文字统一处理、图像处理、离线和在线计算。二是界蘧友好，编程效 率高。m a t l a b 是一种以矩阵为基本单元的可视化程序设计语言，语法结构简单擞据类型 单一，指令表达与标准教科书的数学表达式相近。三是开放性强。m a t l a b 有很好的可扩 充性，可以把它当成一种更高级的语言去使用。使用它很容易编写各神通用或专用应用程 序。 2 、m a t l a b 的图像处理功能 m a t l a b 之所以成为世界硕级的科学计算与数学应用软件，是囡为它随着版本的升级 与不断完善而具有愈来愈强大的功能。 m a t l a b 中图像处理工具包是由一系列支持图像处理操作的函数组成的。所支持的 图像处理操作有：图像的几何操作、邻域和区域操作、图像变换、图像恢复与增强、线性 滤波和滤波器设计、变换( d c t 变换等) 、图像分析和统计、二值图像操作等。下面就 m a t l a b 在图像处理中各方面的应用分别进行介绍。 ( 1 ) 图像文件格式的读写和显示。m a t l a b 提供了图像文件读入函数i m r e a d 0 ，用来读 取如：b m p 、p c x 、t i f f 、j p e g 、h d f 、x w d 等格式图像文件；图像写出函数i m 、砸t c ( ) ，还有图像 显示函数i m a g e ( ) 、i m s h o w 0 等等。 ( 2 ) 图像处理的基本运算。m a t l a b 提供了图像的和、差等线性运算，以及卷积、相关、 滤波等非线性运算。例如，e o n v 2 ( 1 ，j ) 实现了i 。j 两幅图像的卷积。 ( 3 ) 图像变换。m a t l a b 提供了一维和二维离散傅立叶变换( d f t ) 、快速傅立叶变换 ( f f t ) 、离散余弦变换( d c t ) 及其反变换函数，以及连续小波变换( c w t ) 、离散小波变换 ( d w t ) 及其反变换。 ( 4 ) 图像的分析和增强。针对图像的统计计算，m a t l a b 提供了校正、直方图均衡、中 值滤波、对比度调整、自适应滤波等对图像进行的处理。 ( 5 ) 图像的数学形态学处理。针对二值图像，m a t l a b 提供了数学形态学运算函数：腐 蚀( e r o d e ) 、膨胀( d i l a t e ) 算子，以及在此基础上的开( o p e n ) 、闭( c l o s e ) 算予、厚化( t h i c k e n ) 、 薄化( t h 蛐算子等丰富的数学形态学运算。以上所提到的m a t l a b 在图像中的应用都是 由相应的m a t l a b 函数来实现的，使用时，只需按照函数的调用语法正确输入参数即可。 具体的用法可参考m a t l a b 丰富的帮助文档。 3 2 2 图像处理系统的设计 图像获取装置的选择：在目前市场上，图像获取装置可选择摄像头、数码相机、摄像 机、扫描仪等，考虑到现实情况最有可能的是选取摄像头和数码相机，对于两者，摄像头 的价钱便宜，相对来说分辨率就低，两者各有优点，在学校里购买数码相机的过程复杂繁 琐，而且经费上的问题，最终选取的图像获取装置为摄像头。 l 、摄像头的选取 目前市场上的摄像头按图像采集的原件分为c c d ( c h a r g ec o u p l e d d e v i c e s ) 和c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d es e m i c o n d u c t o r ) 的摄像头，选取c c d 还是c m o s 的摄像头： c c d 电荷耦合器制作技术起步早，技术成熟，采用p n 结或二氧化硅( s i o ，) 隔离层隔 离噪声，成像质量相对c m o s 光电传感器有一定优势。由于c m o s 光电传感器集成度高， 各光电传感元件、电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰较严重，噪声对图像质 量影响很大，使c m o s 光电传感器很长一段时间无法进入实用。c m o s 主要应用于较低 影像品质的产品中，它的优点是制造成本、功耗较c c d 低，这也是市场有很多采用u s b 接口的产品无需外接电源且价格便宜的原因，c m o s 摄像头对光源的要求较高，鉴于以上 原因，在本论文的实验中采用c c d 的摄像头。 接下来就是摄像头( 像素) 的选取，对于摄像头的选取要依据实验中的对图像处理精度 要求来选取，图像处理的精度要求就是在图像处理的过程中考虑由于分辨率的大小问题， 而在图像像素的选取中存在的误差值而引起的检测精度的变化，因此，首先要依据一定的 图像分辨率来计算存在的误差是否符合实验的要求，通过上一章的验算，分辨率为 1 6 6 4 0 x 4 8 0 的摄像头已经基本能满足试验的要求，当然，分辨率越高对于试验的精度就会越 高，因此，能用高分辨率的摄像头进行试验最好，但由于受到市场上的条件影响，目前分 辨率为1 2 8 0 9 6 0 的摄像头是比较高端的产品，因此，基于目前的情况和市场现状，采用“罗 技”的“q u i c k c a mp r 0 4 0 0 0 ”的摄像头。它的最高分辨率为1 2 8 0 x 9 6 0 。 2 、图像存储类型的选择 图像类型的选择，在m a t l a b 中适用的图像类型有好几种，如：b m p 、p c x 、t i f f , i p e g 、 h d f , x w d 等类型，为了简化程序的设计复杂性，在此以摄像头的默认存储类型为准，“罗 技”的“q u i e k c a mp r 0 4 0 0 0 ”的摄像头的图片的存储类型为“j p e g ”，在此就采用“j p e g ” 的图像存储类型。 3 3 处理过程研究 图像处理过程由于