（计算机软件与理论专业论文）基于图像处理的汽车前照灯检测系统的研究.pdf

摘要 汽车前照灯是保障行车安全运行的重要部件，汽车前照灯的检定使 用前照灯检测仪。根据我国汽车前照灯检测的现状，本论文设计了一种 基于图像处理的汽车前照灯检测系统。 本论文首先对常用的汽车前照灯检定方法进行了讨论，比较了各种 方法的特点和适用范围，本文选择了图像处理的方法进行汽车前照灯的 检测。 本论文采用c c d 摄像机成像技术作为采集手段，利用计算机数字图 像处理技术，达到测量汽车前照灯的发光强度，远光中心坐标，近光拐 点坐标以及光轴偏角等特征参数的目的。 本论文提出了汽车前照灯检测仪的总体结构设计方案和软件的具体 设计方案，包括软件开发方法和相应图像处理算法实现的计算机模型， 光学成像系统的设计模型。根据设计的方案，用v i s u a lc + + 编制了检测 软件，并对试验结果数据进行了分析。 本论文提出的汽车前照灯检测系统是集图像数据采集、图像处理、 图像显示于一体的自动化检测系统，可以实现汽车前照灯远近光的检测 工作。 关键词：c c d 前照灯照度发光强度数字图像处理 2 a b s t r a c t n 【em o t o rh e a d l a m pl sv e r yl m p ( 峨a n tc o m p o n e n tf o rt 1 1 es a f 毫o t d r i v i n g ，m em e a s l l r e r n e mo fm o t o rh e a d l a m pm u s tu s et h eh e a d l 哪pm e s u r e i n s t n 枷e n t ad e s i 驴a p p r o a c hc a nb eu s e di nt l l em e a s u r e m e n to fm 劬” h e a d l 锄p 、v i t 圭l 血eg 姐e r a lt e s t i n gs i t i l a t i o no f o u r n a t i o n t o d a y f i r s t l y ，t h r o u g h t h ei m m d u c t i o no fs o m em e a s u r em e m o d s ，廿1 e c h a r a c t e r i s t i ca 1 1 dm ea p p l i c a t i o nf i e l da r ea 1 1 a t o m i z e da n dc o m p 盯e d c o n s e q u e n ym ei m a | 驴p c e s s i n gm e 山o di ss e l e c t e da st l l em a i n m e t h o do f m e a s u r e m e n ts o f i 、a r ef o rt e s t i n go f v e h j c l eh e a d l a m p s t h em e 船砸n gs y s 呦u s i n gp l a l l a ra r r a yc c da sd e t e c t o ri si n 仇) d u c e d i nm e p 印c r ，i tu t i l i z e st l l ec o m p u t c rd i g i t a li i n a g ep r o c e s s i n gt e c h n 0 1 0 9 y ，a 1 1 d i tc a nm e 嬲i l r et l l ec h 撇c t e r i s t i c 搿i r a m e t e r ss u c ha sl u m i n o u si i l t e n s i t y ，c e n t c r o f f 缸l i g h t ，c o m e ro f 吐圮c l o s el i g h t i nt h i sp 印e r ，i tp r o m p t e dn l eh o 珏s t i cs 协l c t l l r e 趾db l u ep r i n ta n d s o r w a r eo v e r a l ld e s i 窑口柚dd 砌ld e s i 2 皿如c l u d i n gm es e l e c t i o no ft h e d e v e l o p m e mi n o d e ，跚a l y s e st h e 印p l i c a t i o no fd i g i t a li n l a g cp r o c e s s i n g ，g i v e d t 1 1 em o “l e sd e s i 弘o fo 砸c si m a g es y s t e m b a s i n go nt l l ed e s i 驴e do f b l u e p 血t u dv i s u a lc + + d e v d o p m e n t 伽l sf b rc o d ec o r n p i l i n g 锄m y s e dt h e r e t i l m 出l 协o f e x p e r i m e n t t h es y 咖n f o r m o t o r v e h i c l eh e 棚锄pm e a s 耐n g i se 壤c i e n c ya n d i t i s o r g a m es y s 蜘o f i m a g ed a 妞a i c q l l i s i 廿o n ，i m a g ep r o c e s s i n g ，i m a g es h o w k e yw o r d s ：c c d ，h 鼬d l a m p n l u m i n a h o n ，i u m i n o 吐si n t e n s i t y ，d i g “叠l i m a g ep r 0 0 s i n g 3 1 1 引言 第一章绪论 汽车前照灯是汽车在夜间或在能见度较低的条件下，为驾驶员提供 行车道路照明的重要设备，而且也是驾驶员发出警示，进行联络的灯光信 号装置。所以前照灯必须有足够的发光强度和正确的照射方向。由于在 行车过程中，汽车受到振动，可能引起前照灯部件的安装位置发生变动， 从而改变光束的正确照射方向，同时，灯泡在使用过程中会逐步老化，反 射镜也会受到污染而使其聚光的性能变差，导致前照灯的亮度不足。这些 变化，都会使驾驶员对前方道路情况辨认不清，或在与对面来车交会时造 成对方驾驶员眩目等，从而导致事故的发生。因此，前照灯的发光强度和 光束的照射方向被列为汽车运行安全检测的必检项目“1 。 目前，世界各国对汽车前照灯有严格的测试要求”3 ，其中配光分有 美国式配光( s a e 方式) 和欧洲式配光( e c e 方式) 等。我国也颁布了相 应的国家标准汽车运行安全技术条件( g b7 2 5 8 2 0 0 4 ) ”1 ，对车灯的 光型、远光光束发光强度、光束照射位置做出了严格的要求，同时对相 应的检测系统也提出了要求。在目前的测量技术上，我国与发达国家上 有一定的技术差距。这主要体现在测量的基准的建立与基准的量传上， 以及检测技术与计算机新技术相结合的广泛应用上。因此，尽快使中国 的汽车前照灯远近光检测技术与国际接轨显得越来越重要了。这对于打 击在灯光生产中的假冒伪劣以及加强灯光检测和计量仲裁的准确性、规 范性和公正性方面提供了新的有力手段。 汽车前照灯的检铡工作用“汽车前照灯检测仪”来进行，本课题就 是实现对前照灯的检定工作。目前，c c d 成像技术己广泛应用于检测方 面，而且计算机的数字图像处理技术也已经比较成熟，本课题就是应用 于汽车前照灯的在线检测，要求测量速度快，因为是在实验室的环境下 工作，故对精度要求较高。 前照灯检测无论是配光标准( g b4 5 9 9 1 9 9 4 ) 还是检验标准( g b 7 2 5 8 2 0 0 4 ) ，对近光光斑、远光明暗截止线、暗区照度值等检测参数均 有所要求。下面介绍一下国家标准( g b4 5 9 9 一1 9 9 4 ) 和检验标准( g b 7 2 5 8 2 0 0 4 ) 对汽车前照灯的要求， 配光性能： 1 前照灯的配光应使其近光具有足够的照明和不眩目，远光具有良 好的照明。 2 配光性能应在前照灯基准中心前2 5 m ，过h v 点的铅垂配光屏幕上 测定，配光屏幕的具体布置如图1 1 所示。 一 暗区 2 4 5 0 1 。 2 2 5 0 、 一 一 1 5 0 0 二 ：7 5 址 一 心 l， 1_ 鲻 盛 7 5 l 。 7 5 0 3 7 5v 7 5 r ，f ，7 垂浙姆i、，铆f ， 沁港附汰沁n 心沁 图1 - l 配光屏幕示意图 3 近光的配光要求： a ) 在配光屏幕上，近光应产生翳显钓弱暗截止线，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 5 c m 转向水平的折线。 b ) 在配光屏幕上的照度限值，应符合表1 1 的规定。 表1 1 近光配光屏幕上的照度限值 白炽前照灯 卤钨前照灯 测试点或测试区域 最大值 最小值最大值最小值 b 5 0 l0 30 3 ，0 4 】 7 5 r 6 1 2 7 5 l 1 2 5 0 r6 1 2 5 0 l 1 5 2 5 0 v6 2 5 l 1 52 2 5 rl 52 i 区任何点 o 70 7 区任何点 23 i 区任何点 2 02 e 咖2 注：1 ) 单光束为o 3 ，双光束为o 4 。 2 ) 2 e 5 d 。为5 0 r 实测照度。 c ) 在i 、i i 、i i i 、和区域内，其水平方向相邻问的照度应无明 显的陡变，不致影响良好的可见度。 4 远光的配光要求： a ) 在配光屏幕上的照度限值，应符合表1 2 的规定。 表1 2 远光配光屏幕上的照度限值 白炽前照灯卤钨前照灯 测试点或测试区域 最大值最小值最大值最小值 e m a x3 22 4 0 4 8 h v 点o 9 e m a xo 8 e m a x h v 点至11 2 5 l 和r 1 62 4 h v 点至22 5 0 l 和r46 b ) 双光束卤钨前照灯，其远光最大照度应不大于近光在7 5 r 点测试 照度的1 6 倍。 5 配方屏幕上照度测试的有效面积，应包含在边长为6 5 i d i i i 的正方形 内。 1 2 汽车远近光以及其配光性能介绍 汽车远、近光国家标准规定( g b4 5 9 9 一1 9 9 4 】汽车前照灯的光型应 具有以下形状，如图1 2 ，图1 3 所示。我们可以看到远光灯型光斑呈椭 圆型分布。近光灯灯型呈一个由亮区和明区组成的图案分布，亮区和暗 区有明显的转折线。 图1 2 远光光型 图1 3 近光光型 这里介绍一下光的度量单位。 光通量“1 ：光源在单位时间内发出的光亮总和称为光源的光通量。 l x ：光通量单位，称“勒克斯”。 例如：一只4 册的普通白织灯的光通量为3 5 0 4 7 0 l 皿，丽一只4 0 w 的普通宜管形荧光j 灯的光通量为2 8 0 0 1 m 左右，为白织灯的6 8 倍。 发光强度：是光通量的空间密度，即单位立体角的光通量，是衡量 光源发光强弱程度的量。单位为坎 德拉 ( c d ) 。 光照度( 简称照度) ：是受光表面上光通量的面密度，即单位面积的 光通量。故照度表示受光表面被照亮程度的一个量。以西表示，单位为 勒克斯( l x ) 。假定光照面微面积剃上接受的光通量为d 巾。，则该微面 积上的光照度西可以表示如下： 西：孕 ( 1 1 ) 枷 光亮度( 简称亮度) ：单元表面在某一方向上的光强密度，它等于该 方向上的发光强度和此表面在该方向上的投影面积之比。即被视物体在 4 视线方向单位投影面上的发光强度称为该物体表面的亮度。 亮度往往是表示某个方向上的亮度。以b 表示，单位：坎德拉每平 方米，符号：c d ，m 2 。或尼特( n t ) 、熙提( s b ) 。i n t 尼特= 1 c d ，m 2 ，1 s b 熙提= 1 0 0 0 0 n t 尼特。 1 3 目前国内外各种测量方法的比较 目前对前照灯检测的各种方法中，实际可分为三个种类8 3 ( 主要以采 样的原理来划分) ： ( 1 ) c c d 摄像成像原理 ( 2 ) 电子扫描系统 ( 3 ) 光电池点阵 下面详细地讨论各方法的测量原理： 1 3 2c c d 摄像成像原理 通过菲涅尔透镜”1 ，把汽车前照灯光斑聚光到仪器内的c c d 固体摄 像元件上，其配光图像经c c d 板的光电转换、重现于监视器中，再由中 央数据处理器c p u 进行图像处理，按等照度曲线对光斑进行缩聚，找出 特征点及光斑中心，再通过计算机给伺候电机下脉冲指令，控制前照灯 的灯箱自动跟踪找正。等照度曲线缩聚的圆点，就是光轴中心点。 在c c d 检测技术中，国内大多是采用混合法的原理测量”1 ：偏移量计 算采用c c d 分析，而远光光强是采用硅光电池检测的。用c c d 进行图像 分析，一般采用等照度原理进行处理的。在像素非常高的状态下，其图 像处理技术对简单灯型( 即灯型保持良好) 是有一个较清晰的视觉显示。 用c c d 混合法，对单一灯型的测量，它的技术无疑是先进和有效的。但 光电池生产出来，无论使用与否，时间长久以后，其灵度均会下降。由 于光电池的老化等闯题，测量数据存在着一定的浮动。因此灯型简单的 场合如汽车制造厂检验等等，该方法具有图像清晰、测量结果信息量大、 成像质量最佳、容易操作和调整的特点，对于非e c e 灯型，c c d 方法还 可放援于对任何单一灯型( 如雾灯、强光灯等) 进行测量的场合。 1 3 2 电子扫描系统 目前，采用电子扫描系统对于近光配光进行检测也是非c c d 测量技 术的其中一种，其测量原理为在远光检测仪下部经精确计算后安装一 组电子扫描系统，即使用电子扫描方法，用一系列的电子线阵元件对灯 光图形逐点检测扫描，这种线性扫描采用低成本的光电器件组成线阵检 测头，检测头由上而下对前照灯照射过来的灯光光线进行匀速扫描检测， 灯光发光强度的分布情况就被一个个光电元件转换成电信号进行处理扫 描结果，使原来电信号弱强的分布图处理成待检测的光强分布图，从光 强分布图再计算出所需的近光的各个参数。 优点：在具备近光检测的同时，成本开发非常低，仅是c c d 法的一半 以下，同时该方法后续处理方便，测量距离能做到3 米同距检测。 不足：由于远光与近光测量不在同一中心轴，所以在测量近光前必须 先测远光，用远光光轴先定位来测量近光，当被测前照灯要求单独测近 光或者在双光束前照灯中，远光灯与近光灯不在同一光轴，或远光与近 光的固定夹角不规范等等，都不能进行近光检测。 同时，由于扫描的结果为一电信号发布图，对近光发光强度的精确 测量( 定位) 尚有大量的工作待做。 1 3 3 光电池点阵 采集方式是后光栅成像后光电池点阵图像分析9 3 。 光电池点阵原理：在后光栅是基于国家所规定的两种灯型的几何图 形上，按明暗截止线的明区和暗区分布作若干组经严格筛选的硅光电池 对，在前照灯照射照射下，明区的光电器件由于受光强不同输出不同的 电压( 即明区的电压还大于暗区的电压) ，同时，在明区和暗区区域内， 经精确计算，排列着按不同位置作用，选用不同型号和规格的光电池搭 配，形成了数十个光电池复杂点阵，捧布在位置间精密要求非常高的后 光栅范围内。 当近光照射到后光栅时，计算机按照点阵各光电池转换后电信号进 行计算机处理，将光照度剃度及相应的偏移量，明区光强、暗区光强、 拐角偏角等各个指标换算成数字显示出测量结果。 优点：由于后光栅直接反映近光的各项参数，因此，其后续处理能力 强。具有光度响应宽、测量准确、光路变换环节少，光路可直接处理所 需的信号，减少误差来源等优点，为抗干扰能力和提高灯光仪的准确性 创造了条件，并且可直接地反映出灯型拐点的偏移量和明区光强、暗区 6 光强等全部五个指标。 不足：由于不能将待测光直接成像，因此在分类上只能划分两种e c e 灯型、非e c e 灯型，判断上与c c d 、电子扫描方法相比，不够直观，并 且对雾灯、高强度灯都不能测量。 三种方法中，以c c d 方法采样信息量最大，电予扫描方法价格最低， 而光电池点阵检测的结果能测量出近光的全部五个参数，特别是明区光 强和暗区光强指标。实际上，随着( g b7 2 5 8 2 0 0 4 ) 国家标准的公布，在 检测线上采用全自动化远近光检测仪是势在必行了。同时，在与国际接 轨的过程中，仪器制造技术也会相互取长补短，最后形成适合我国国情 的检测技术，这是毫无疑问的。 1 4 本课题的主要要求 前照灯检测仪是检测汽车前照灯远近光指标的仪器，它由光学透镜 组织、c c d 成像系统、步进电机、计算机应用软件等部分构成。按汽车 运行安全技术条件( g b7 2 5 8 2 0 0 4 ) 要求，应对其发光强度、光轴角进 行技术参数进行检定以保证其正常使用，以下即为对汽车前照灯检测系 统装置的技术要求。 a 一般要求 ( 1 ) 系统采用c c d 面阵成像技术，对汽车前照灯的配光特性进行二维 采集和分析，并达到相关技术依据( 如g b4 5 9 9 1 9 9 4 ) 对汽车前照灯检测 仪的测试要求： ( 2 ) 系统装置应测量简便、调整迅速、工作稳定可靠： ( 3 ) 系统装置测量有效距离为3 m 0 1 m ： ( 4 ) 系统装置安装在符合规定光照度的室内，环境条件满足测量精度 的要求： ( 5 ) 系统装置应能在计算机上显示等照度曲线： ( 6 ) 系统装置应能在计算机上显示和打印出主光轴照度变化曲线和 示值： b 计量性能指标 ( 1 ) 强度测量范围：0 6 0 l o c d ( 6 0 0l x ) ： ( 2 ) 发光强度总不确定度：不大于2 ：( 一倍均方根误差) ( 3 ) 光轴( 与明暗截止线转角) 偏移角总不确定度：不大于1 6 分( 一 倍均方根误差) ： ( 4 ) 光轴照射偏移值或偏移角测量范围： 上o 3 5 c m d a m ，左、右、下o 5 0 c m d 8 i i l ，或 上0 2 0 。，左、右、下0 3o 。 ( 5 ) 近光功能应能检测( g b4 5 9 9 1 9 9 4 ) 中指定点的照度。 c 光学系统 一块滤光透镜，一块菲涅尔透镜，一块分光板，一块磨砂玻璃板， 一面黑屏。 d 其他必备配套设备 ( 1 ) 两个c c d 摄像机 ( 2 ) 两个光学成像镜头 ( 3 ) 工业控制计算机 ( 4 ) 计算机显示终端 ( 5 ) 系统软件 ( 6 ) 打印机( a 4 幅面，喷墨打印) 第二章系统工作原理 随着激光技术、精密计量光栅制造技术、半导体c c d 技术、计算机 技术以及图像处理等高颓技术的发展，使得光电测量技术的应用日益广 泛，而c c d 作为新型半导体光电转换器件，由于它具有尺寸小、重量轻、 功耗小、超低噪声、动态范围大、线性好、光计量精确、光谱响应范围 宽、几何结构稳定、可靠和耐用等优点，因此在工件尺寸测量、工件表 面质量检测、物体热膨胀系数检测以及在图像传真、摄像机、智能传感 器等方面得到了广泛的应用，c c d 也逐渐成为光电测量中的关键部分o o 。 2 。1 系统装置工作原理 系统装置严格按国标定义实现，利用c c d 面阵器件的成像特征，将 照射到1 3 米远检测仪中的照明图像利用c c d 摄像机进行空间采样，实 现将空间采样的照明图像数字化，对此数字化图像进行处理即可求出汽 车前照灯发光强度及光轴偏移角。 1 发光强度的测量 由光度学理论可知，检测幕布上的照度是由照射到幕布上的光通量 及其照射的微面元决定的“，即： e ：掣 ( 2 f 1 ) 凼 设幕布的反射系数为r ，则： d 丸= r 谢，= ，昱丞 ( 2 2 ) 作为白色漫反射幕布可视为朗伯辐射体。那么幕布的发光亮度可表 示： l d 巩 c z 妇n c o s 岛d q c o s 岛 ( 2 3 ) 通过上面这一表达式便将幕布上d s 处的照度与d s 作为发光源的亮 度联系起来了，面阵c c d 器件作为透镜成像系统可用图2 1 进行表示： 9 l l 图2 1 透镜成像结构图 设透镜成像系统的透射系数为f ，而由d s 发出到透镜的光通量为 西= 氚如s i i l 2 口( 2 4 ) 则由透镜右侧出射的光通量中为： f ：丝磐：旦 幽幽 ( 2 5 ) 而d s 。处的照度则为： = 矽= 翻畦旺s i n 2 目 ( 2 6 ) 由于d s ，d s l 处于同一介质当中，由正弦定律： d ，s i n 2 曰 一 d s 。s i n 2 口 代入上式提出： e = 钉正s i n 2p 7 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 将l 的表达式代入上式可得： e 。= 饼竺：s m 2 p 。：! 堡! 坐：竺e( 2 9 ) 旅2 c o s 占 旅2 e o s 玩 上式中e ，e 分别是幕布和c c d 面元上的照度，因此，c c d 面阵器 件的像面元素的照度与检测幕布上的照度确实存在对应关系，c c d 像面 元素的照度与时间的乘积便是曝光量，它反映了c c d 接收到的光信号的 强度。由于在低照度下( 小于1 0 0l x ) ，c c d 的输出电压与照度有良好的 线性关系，这样c c d 面元信号的数字量便可与外部光源照射到检测幕布 1 0 上的照度值联系起来了。根据定标测量时建立的数据关系库将空闯采样 后各像元的数字量在计算机中查表得出各点( 或小邻域) 的照度。 2 光轴偏移角的测量 先看一下物理上的薄透镜成像原理，菲涅尔透镜实际上是个薄透镜， 成像光路图如图2 2 所示“： 图2 2 菲涅尔透镜成像光路图 图中f 为凸透镜焦距，0 为凸透镜光心。 透镜成像公式为： l11 厂 v 其中，物距为u ，像距为v ，焦距为f 。 光轴偏转角测量原理如图2 3 所示： ( 2 1 0 ) 觥板 图2 3 汽车前照灯检测仪光学系统结构图 检测仪外距受光屏幕为l ( l = 1 3 m ) 处的前照灯的光轴偏转角度口 时，其光斑特征点( 远光中心点、近光拐角点) 在屏幕上会有x 的位移， 经透镜成像后，在透镜像方焦平面( 其焦距为f ，) 上引起的所成像点的位 移可由c c d 获得的数字化图像分析求出。 车灯灯光首先到达受光窗口，因为车灯是光强数值比较大的光源， 为了c c d 图像处理的方便，必须降低它的强度，因此受光窗口是个过滤 透镜，减弱了光的强度。分光板起到一个反射和折射的作用，分光板采 用了折射率很低的半透镜，把光反射到上面的玻璃板上一部分，并折射 到菲涅尔透镜一部分，它和主光轴成4 5 0 角，在这里，可以忽略光线的 折射方向位移，则水平的磨砂玻璃板上成的像与菲涅尔透镜表面的成像 是相同的。c c d 摄像机a 和c c d 摄像机b 构成了采集模块。如图2 4 所 示，p ( x ，y ) 是光的中心点，0 点是原点。 y o x 图2 4 光心坐标例 摄像机b 在屏w 出采集远光图像，光轴偏角原理如图2 5 所示。首 先，将光心成像在w 和主光轴的交点处，此时记录下光心的坐标p ( x ，y ) ， 然后驱动步进电机移动到原点o 位置，记录位移的量，对应着在菲涅尔 透镜上的高度h ，同时计算出光心在w 上的位移m ，偏角a 可由 a _ a m a l l ( n 1 1 ) 求出。 i 一一币一 ， ， 7、二l f 一一光轴 ： 。彳。且 o ：7 、 l 、 图z 5 光轴偏角测量原理光路图 2 2 系统装置总体布局及构成 系统装置由被检检测仪安装调整装置、测光屏及c c d 系统三部分组 成，其相对关系根据以下依据确定为： 1 c c d 成像系统必须放置在在暗箱中，使灯光图像最大限度的减少 外界光线的干扰。 2 系统装置工作原理中应用了傍轴近似理论“，为减小远轴原理误 差，c c d 系统轴线应尽量接近受光窗口中心轴线，以减少光的干涉，故 c c d 系统应在测光屏与被检测灯光之间，c c d 系统尽量靠近轴线，其轴线 在c c d 系统下部。 3 为了系统调试方便及一体化，c e d 系统与可分别各自做垂直方向 及水平方向的线位移和角位移调整。 4 初始状态下，检测系统应该可以自动找到车灯位置，要求系统装 置上的在车灯可能的高度位置安装两组光电池组，用来进行初始的粗略 定位，便于加快检测速度。 根据以上所述，系统装置布局如图2 4 所示，其相对位置尺寸根据 技术要求及各组成部分自身尺寸综合确定。 图2 4 仪器构成装置正面示意图 2 3 系统装置选择与设计 2 3 1c c d 系统的选择与设计 c c d 是一种电荷藕合器件“，它的突出特点是以电荷作为信号，而 不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。c c d 的基本功能是电 荷的存储和电荷的转移。回此，c c d 工作过程的主要问题是信号电荷的 产生、存储、传输和检测。构成c c d 的基本单元是m o s ( 金属一氧化物一 半导体) 结构。 在本系统中，灯光经过透镜成像系统后，将影像成在c c d 的光敏面 上。光敏面将照在每一光敏单元上的图像照度信号转变为少数载流于数 密度信号存储于光敏单无( m o s 电容) 中。然后，再转移到c c d 的移位寄 存器( 转移电极下的势阶) 中，在驱动脉冲的作用下顺序地移出器件，成 为视频信号。视频信号中每一个离散电压信号的大小对应着该光敏元所 接收光强的强弱，而信号输出的时序则对应c c d 光敏元位置的顺序。c c d 用自身电子扫描方式完成信息从空间域到时间域的变换“。 由于c c d 成像系统都是在低照度的暗室中工作，所以要选择低照度， 高解析的摄像机“。c c d 成像系统设计主要包括c c d 参数选择设计、成 像透镜参数设计等部分。其设计相关技术参数要求为： 1 c c d 系统的响应速度要满足快速图像处理的需要。 2 光轴偏移角测量总不确定度：不大于1 6 分。 3 灯光光斑成像于接收黑色屏和玻璃磨砂屏上，是折射和反射形成 的系统，透镜的焦距要大于成像距离，即焦点要在接受的黑色屏之后。 1 4 根据上述要求，选择的是敏通的黑白高照度低解析e c d 摄像机，简 要参数如下。 影像传感器：l 2 英寸 c c d 总像素：7 9 5 ( 水平) 5 9 6 ( 垂直) ( c c i r 制式) 8 “( 水平) 5 0 8 ( 垂直) ( e i a 制式) 扫描系统：6 2 5 线，5 0 场秒( c c i r 制式) 5 2 5 线，6 0 场秒( e i a 制式) 同步系统：内同步垂直同步锁定外同步( 由萤幕选单选择控制) 最低照度：o 0 5l u x ( f 1 2 ，5 6 0 0 0 k ) 最低照度星光模式：o 0 0 0 5l u x ( f 1 2 ，5 6 0 0 0 k ) 水平清晰度：6 0 0 线 增益控制范围：0 1 8 d b 信噪比：5 2 d b ( 最小) 6 0 d b ( 最大) ( 自动增益关闭) 电子快门：1 5 0 1 1 2 0 ，0 0 0 秒连续( c c i r 制式) 1 6 0 l 1 2 0 ，0 0 0 自动光圈：电子快门直流驱动 根据实际情况考虑到技术指标余量、像面照度及透镜制造工艺要求， 透镜通光口径。镜头的焦距应不小于l 3 英寸，这里取1 2 英寸即可。 2 ，3 2 步进电机的选择与设计 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。 在非超载的情况下，电机的转速、停止的位景只取决于脉冲信号的频率 和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则 转过一个步距角“”。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的 误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来 控制交的非常的简单。 计算机控制步进电机的通常作法是采用步进控制卡“，这样虽然可 以有效的控制步迸电机驱动器模块，但提高了系统的造价，还占用计算机 系统宝贵的接口资源。为了提高系统的通用性，充分利用现有系统资源， 简化设计方案，本文中直接采用计算机的串行口进行控制。控制原理如 图3 4 所示：计算机作为控制核心，通过串口发送控制信号和脉冲信号， 外接电路把串口输出的控制信号和脉冲信号的电平进行转换，控制信号 选通要驱动的通道，把脉冲信号送入相应的步进电机驱动器，驱动电机 运动。 计算机串口 巫重垂堕二 可 步进电机 【_ j 图3 4 步进电机控制系统的原理图 系统使用r s 2 3 2 c 串行接口的3 个引脚“： t x d ：发送驱动电机的脉冲信号； d t r ：决定电机的转向，当d t r 状态为e n a b l e 时，步进电机顺时针转 动，当r t s 状态为d i s a b l e 时，步进电机逆时针转动； g n d ：信号的公共参考点。 r s 2 3 2 c 串行接口采用正负电压表示逻辑状态。在计算机中，通常使 用一1 0 v 和+ l o v ，为了同终端的器件相连，必须对r s 2 3 2 c 串行接口的输出 进行电平和逻辑关系的转换，为实现这一目的，设计了电平转换模块。 电平转换模块使用的转换芯片是m a x 2 3 2 1 。m a x 2 3 2 内部有电压倍增 电路和转换电路，只需+ 5 v 电源便可实现t t l 电平与r s 一2 3 2 c 电平转换， 使用起来十分方便。步进电机驱动器把脉冲信号和电机转向信号转化为 电压信号，驱动步进电机运动。 1 6 于 第三章前照灯检测系统软件设计 前照灯检测系统设计为了满足检测系统高精度、高速度的测量要求， 系统的软件设计非常关键。本检测系统的软件设计，既要考虑系统的硬 件配置和系统需要完成的各种功能，又要考虑到编程、调试方便和程序 的二次开发。 因此，本检测系统的软件设计采用了模块化设计思想。该软件集图 像数据采集、步进电机控制、数字图像分析和处理于一体，实现了检测 系统的多功能要求。 3 。1 系统需求分析 需求分析阶段的基本任务是深入描述软件的功能和性能，确定软件 设计的限制和软件同其它系统元素的接口细节，定义软件其它有效的需 求。“。需求分析是软件生命周期中相当重要的一个阶段。由于开发人员 熟悉计算机但不熟悉应用领域的业务，用户熟悉应用领域的业务但不熟 悉计算机，因此对于同一个问题，开发人员和用户之间可能存在认识上 的差异。在需求分析阶段，通过开发人员与用户之间的广泛交流不断澄 清一些模糊的概念，最终形成一个完整的、清晰的、一致的需求说明。 可以说，需求分析的好坏将直接影响到所开发软件的成败。 具体来说，需求分析应包括以下几个方面： ( 1 ) 确定系统外观及界面要求：描述软件系统的外部特性，即系统从 外部输入哪些数据，系统向外部输出哪些数据等，即软件的界面要友好： ( 2 ) 确定系统的功能要求：列出软件系统必须完成的所有功能，要求 有良好的通用性： ( 3 ) 确定系统的性能要求：如计算速度快、计算结果满足工程精度的 要求、对硬件和支撑软件的要求，在运行过程中出现异常情况( 如不合法 或超出范围的输入数据、非法操作、数组越界、资源故障等) 时应采取的 行动以及希望显示的信息： ( 4 ) 将来可能提出的要求：主要是为将来可能的扩充和修改做准备， 要求软件易维护、易于功能扩展和升级等。 由于本文是基于图像处理的前照灯检测系统，所有的处理都围绕着 汽车的远、近光图像来进行，所以下面对数字图像处理的相关理论做一 1 7 个比较全面的介绍。 3 2 数字图像处理的概述 3 2 1 概述 数字图像处理( d i g i t a li i i l a g ep r o c e s s i n g ) 是指对图像进行各种加 工以改善图像的效果，为图像分析做准备，它是图像到图像的过程。其 中包含点运算和几何变换等。点运算有灰度变换、阈值变换、灰度均衡 等，几何变换有移动、旋转、扭曲校正等”“。 位图是一个二维的位数组，此数组的每一个元素与图像的像素一一 对应。现实世界的图像被捕获以后，图像被分割成网格，并以像素作为 取样单位。位图中的每个像素值指明了一个单位网格内图像的平均颜色。 位图代表了w i n d o w s 程序中存储图像信息的两种方法之一，另一种形式 是元文件。位图也有两种：g d i 位图对象和设备无关的位图( d i b ： d e v i c e i n d e p e n d e n tb i t m a p ) 。 位图常用来表示来自真实世界的复杂图像，元文件更适合于描述由 人或者机器生成的图像”1 。它们都能存于内存或作为文件存于磁盘上， 且能通过剪贴板在w i n d o w s 应用程序间传输。位图和元文件的区别在于 光栅图像和矢量图像间的差别。光栅图像用离散的像素来处理输出设备； 矢量图像用笛卡尔坐标系统来处理输出设备，可在其中绘制线和填充对 象。 位图可以手工创建，也可计算机代码生成，还可由硬件设备把现实 世界输入到计算机，如数码相机，它们通常是使用接触到光就释放电荷 的电荷耦合装置( c c d ：c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ) 将光的强度转换为电荷， 再用模数转换装置( a d c ：a n a l o g t o d i g i t a l ) 转换为数字再排列为位 图。 位图还有颜色度量单位：指每个像素所需要的位数，也称颜色深度 ( c o l o rd e p t h ) 、位数( b i t c o u n t ) 、或位每像素( b p p ：b i t sp e rp i x e l ) 。 每个像素用1 位来描述的位图称为二级( b i l e v e l ) 、二色( b i c o l o r ) 或单 色( o n o c h r o m e ) 位图。每个像素也可用多位来描述，可以表示的颜色数 等于2 的i 次方( i 为位数) 。 内存设备描述表是唯一一种可以选进位图的设备描述表，可以在内 存设备描述表的显示表面进行各种处理实际设备描述表的每项操作。内 存设备描述表实际上提供了一种在内存和显示器间进行位图传送的方 法。 d d b 是d e v i c e d e p e n d e n tb i t m a p ( 设备无关位图) 的缩写。d d b 的位 格式高度依赖于设备，所以它不适用于图像交换。d d b 内没有色彩表来 指定位图的位与色彩之间的联系，它仅当在w i n d o w s 会话的生存期内被 创建和清除时才有意义。 d i b 是d e v i c e i n d e p e n d e n tb i t m a p ( 设备无关位图) 的缩写，提供了 适用于交换的图像文件格式。d i b 内的位图几乎没有被压缩，适用于在 程序中直接操作。如果在内存中有d i b ，就可以提供指向该d i b 的指针 作为某些函数的参数，来显示d i b 或把d i b 转化为叻b 。 d i b 作为一种文件格式，它的扩展名为b m p ，在极少数的情况下 为d i b 。w i n d o w s 使用的位图图像被当作d i b 文件创建，并作为只读资 源存储在程序的可执行文件中。 程序能将d i b 文件减去前1 4 个字节加载到连续的内存块中形成“紧 缩d i b ( p a c k e d d i b ) 格式的位图”。程序可以使用紧缩d i b 格式，通过 w i n d o w s 剪帖板来交换图像或创建画刷，也或完全访问d i b 的内容，并 以任意方式修改d i b 。 d i b 中的像素位是按水平行组织的，常称“扫描线”。行数为 b i t m a p c 0 r e h e a d e r 结构中的b c h e i g h t 字段。但d i b 从图像的底行开始， 从下往上扫过图像。 所以，在d i b 中，图像的底行是文件的第一行，图像的顶行是文件 的最后一行。这个文件的第一行指的是d i b 文件的色彩表后的位图像素 位的第一个像素行，最后一行是位图像素位的最后一行。 d i b 文件的最后部分由实际的d i b 的像素位组成。像素位是由从图像 的底行开始，并沿着图像向上增长的水平行组织的。d i b 中的行数为 b i t m a p c 0 r e h e a d e r 结构的b c h e i g h t 字段，每行的像素数为该结构的 b c w i d t h 字段。每行从最左边的像素数开始，直到图像的右边。每个像 素的位数可以从b c b i t c o u n t 字段获取，为l 、4 、8 或2 4 。 3 2 2 调色板 自然界的所有颜色可以由红绿蓝( r ，g ，b ) 原色组合而成。每一分量人 为地分成0 到2 5 5 共2 5 6 个等级。这样，根据红、绿、蓝各种不同的组 合，就可以表示出2 5 6 2 5 6 2 5 6 = 2 “( 约1 6 0 0 万) 种颜色。包含上述所 有颜色的图像称为真彩色图像( 又叫做2 4 位图像) 。 多媒体图像处理中的调色板是包含不同颜色的颜色表，每种颜色以 红绿蓝( r g b ) 三种颜色的组合来表示，图像的每一像素对应一个数字， 1 9 而该数字对应调色板中的一种颜色，如某像素值为1 ，则表示该颜色为 调色板的编号为l 的颜色。调色板的单元个数是与图像的颜色数对应的， 2 5 6 色图像的调色板就有2 5 6 个单元。真彩色图像的每个像素直接以3 个字 节( r g b ) 表示颜色，因此不需要调色板。对于1 6 色或2 5 6 色图像并非全 部的图像都采用相同的1 6 种或2 5 6 种颜色，由于调色板中定义的颜色不 同，则不同图像用到的颜色是千差万别的，所谓1 6 色或2 5 6 色图像只是表 示该幅图像最多只能有1 6 种颜色或2 5 6 种颜色。不同的图像有不同的调色 板，在多媒体系统中如果需要同时显示多幅图像时，由于系统在同一时 刻只能支持有限的颜色，如使用2 5 6 色驱动程序，则系统必须以2 5 6 色来 同时显示多幅图像，因此，必须使用调色板编辑工具进行调整，以达到 不失真地同时显示多幅图像。 在真彩色系统中，像素值与真彩色颜色值一一对应。但对于仅能同 时显示1 6 色或2 5 6 色的系统，每一个像素仅能分别采用4 位或8 位来表 示，像素值与真彩色值不能一一对应，用像素值代表颜色值的方法将不 能得到最佳效果，而必须采用调色板技术3 。所谓调色板就是在1 6 位或 2 5 6 色显示系统中，将图像中出现最频繁的1 6 或2 5 6 种颜色所组成的颜 色表。对这些颜色按4 位或8 位，即0 至1 5 或2 5 5 进行编号，每一编号 代表其中的一种颜色。这种颜色编号叫做颜色的索引号，4 位或8 位的 索引号于2 4 位的颜色值的对应表就是通常所说的调色板( p 1 a e t t e ) ，又 叫做颜色查找表l u t ( l o o ku pt a b l e ) 。使用调色板的图像叫做调色板 图像，它们的像素值并不是颜色值，而是颜色在调色板查找表中的索引 值。 32 3 灰度图 灰度图( g r a y s c a l e ) 是指只含亮度信息，不含色彩信息的图像。因此， 要表示灰度图，就需要把亮度值进行量化。通常划分成0 2 5 5 共2 5 6 个级别，o 代表最暗( 全黑) ，2 5 5 代表最亮( 全自) 。 b m p 格式的文件中并没有获度图这个概念，但是可以很容易地用b m p 文件来表示灰度图。方法是用2 5 6 色的调色板，其每一项的r g b 值都是 相同的，也就是说r g b 值从( 0 ，0 ，0 ) ，( 1 ，1 ，1 ) 一直到( 2 5 5 ，2 5 5 ，2 5 5 ) ， ( o ，0 ，o ) 是全黑色，( 2 5 5 ，2 5 5 ，2 5 5 ) 是全白色，中间的是灰色。这样， 灰度图就可以用2 5 6 色图来表示了。在图像中实际存储的是调色板索引 值，也就是该像素值在调色扳中位于第几行。对于r = g = b 的色彩，代入 y i q 或y u v 色彩系统转换公式中可以看到其颜色分量都是0 ，即没有色彩 信息。 首先，灰度图的r g b 值都一样。其次，灰度图的图像数据即调色板 索引值，也就是实际的r g b 的亮度值：另外，因为是2 5 6 色的调色板，所 以图像中一个字节代表一个像素。如果是彩色的2 5 6 色图，图像处理后 有可能会产生不属于这2 5 6 种颜色的新颜色，所以，图像处理一般采用 灰度图。本软件的图像处理采用2 5 6 色灰度图。调色板灰度图 ( g r a y s c a l ei m a g e ) 按照灰度等级的数目来划分。只有黑白两中颜色的 图像称为单色图像( m o n o c h r o m ei j l l a g e ) ，图中的每个像素的像素值用1 位存储，它的值只有“o ”或者“1 ”，一幅6 4 0 4 8 0 的单色图像需要占 据3 7 5k b 的存储空间。如果每个像素的像素值用一个字节表示，灰度 值级数就等于2 5 6 级，每个像素可以是0 2 5 5 之间的任何一个值，一幅 6 4 0 4 8 0 的灰度图像就需要占据3 0 0k b 的存储空间。 灰度图使用比较方便，分析、计算起来比较迅速，所以本文中的图 像都要转化成灰度图然后再进行处理。 3 3 设备无关位图( d i b ) d i b 自带颜色信息，因此调色板管理非常容易。d i b 也使打印时的灰 度阴影的控制更加容易。任何运行w i n d o w s 的计算机都可以处理d i b ， 它通常以b m p 文件的形式被保存在磁盘中或者作为资源保存在e x e 文件 和d l l 文件中。 3 3 1b