利用激光三角法测量货车车厢体积.doc

红外与激光工程 Infrared and Laser Engineering第 41 卷 第 11 期Vol.41 No.112012 年 11 月Nov.2012利用 激 光 三 角法 测 量货 车 车 厢 体 积邢冀川 1，罗小红 2(1. 北京理工大学 光电学院，北京 100081；2. 中国船舶重工集团公司第七 0 七研究所，天津 300131)摘要 ： 介绍了利用激光三角法测量货车车厢体 积的原理和方案, 并阐述基于该原理所 开 发 的 车 厢体积测量系统中的关键技术。重点指出了基于激光三角法如何构建测量系统以及测量系统的各个组成。在测量系统的关键技术中，详细阐述了车厢体积分割计算技术。通过所采用的三阶灰度矩边缘检测算法，对于各种车轴的货车，都可以精确地去 除车头和车底货架并计算出车 厢 体 积 。此 外 ，还 提 出 可以通过截面数据的翻摺和拼合来减少激光器的数量。该测量系统已应用货车厢体积测量的实际工 程中，通过大量实际货车数据验证它的可行性。关 键 词 ： 激光三角法； 体积测量； 边缘检测中 图 分 类 号 ： TN247文 献 标 志 码 ： A文 章 编 号 ： 1007-2276(2012)11-3083-05Measurement of truck carriage volume with laser triangulationXing Jichuan1, Luo Xiaohong2(1. School of Optoelectronics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;2. 707 Research Institute of CSIC, Tianjin 300131, China)Abstract: The principle and solution for measuring truck carriage volume with laser triangulation wasintroduced. The key technologies of the measurement system were also described. Focus was on the process of how to build the measuring system and its components in this paper. In the measurement system, the key technology of the segmenting truck carriage was presented in detail. With the third gray moment for edge detection algorithm, the volume of the carriage with all kinds of axles could be calculated without considering its head and underframe. In addition, the number of laser system could be downsized to 2 by rolling -over and merging of the cross section data of truck body. The above techniques were already utilized in the project of carriage volume measurement. Large volume of data prove its feasibility.Key words: laser triangulation; volume measurement; edge detection收 稿 日 期 ：2012-03-05 ； 修 订 日 期 ：2012-04-03基 金 项 目 ： 交 通 部 高 速 公 路 设 备 保 障 和 维 护作 者 简 介 ： 邢 冀 川 (1974-) ， 男 ， 讲 师 ， 博 士 ， 主 要 从 事 光 电 测 试 、 检 测 和 光 电 信 息 处 理 等 方 面 的 研 究 。Email:图 1 激 光 三 角 法 测 量 物 体 表 面 轮 廓 的 基 本 结 构Fig.1 Structure diagram of target surface measurement based on laser triangulation图 2 激 光 轴 、CCD 面 和 物 镜 三 者 位 置 关 系Fig.2 Relative position of laser axis, CCD and objective lens0引 言激 光 三 角 法 (Laser Triangulation) 1 -2 是 光 电 检 测技 术 的 一 种 ， 采 用 该 方 法 能 对 复 杂 的 三 维 曲 面 进 行 快 速 的 非 接 触 式 测 量 ， 因 而 在 工 业 中 的 长 度 、 距 离 以 及 三 维 形 貌 等 检 测 中 有 着 广 泛 应 用 3-5 。所 开 发 的 货 车 车 厢 体 积 测 量 系 统 是 基 于 激 光 三 角 测 量 法 ，位 于 检 测 通 道 顶 端 和 侧 面 的 激 光 器 发 射 条 状 激 光 ，激 光 条 垂 直 检 测 通 道 ， 照 射 货 车 表 面 形 成 光 学 轮 廓 图 像 。 通 过 利 用 同 样 位 于 通 道 顶 端 和 侧 面 的 CCD 摄 相 机 实 时 动 态 采 集 激 光 条 图 像 。为 了 能 准 确 地 从 货 车 体 积 中 分 割 出 车 厢 的 体 积 ， 文 中 所 采 用 的 分 割 算 法 基 于 Tabatabai 等 人 提 出的 前 三 阶 灰 度 矩 边 缘 检 测 法 6-7 ， 对 于 各 种 车 轴 的 货车 ， 都 能 精 确 地 去 除 车 头 和 车 底 货 架 来 计 算 出 车 厢 体 积 。要 使 光 斑 通 过 物 镜 在 CCD 上 成 清 晰 实 像 ， 由 高斯 定 理 ， 当 照 射 在 表 面 上 的 光 斑 位 于 物 镜 光 轴 上 时满 足 ：1 = 1 + 1(1)fa0b0对 于 光 轴 以 外 的 光 斑 ， 如 果 需 要 成 清 晰 实 像 于CCD 上 ，此 时 物 距 为 ：a=0(2)1+tancotb0像 距 为 ：=(3)1激 光 三 角法 基 本 原 理1-tancot由 于 a 、b 也 满 足 高 斯 定 理 ，因 此 可 以 得 到 ：a0tan=b0tan如 图 1 所 示 ，CCD 、物 镜 的 光 轴 以 及 被 测 表 面 所反 射 的 激 光 光 轴 三 者 位 于 同 一 个 平 面 内 。 作 为 测 量 的 指 示 光 源 ， 激 光 光 源 将 激 光 光 斑 照 射 在 被 测 表 面 上 ， 该 激 光 光 斑 将 随 其 照 射 点 位 置 的 坐 标 变 化 而 沿着 激 光 器 的 轴 向 作 同 样 距 离 的 位 移 。 图 2 为 物 镜 主 平 面 及 光 轴 、CCD 、 激 光 器 轴 线 三 者 关 系 ， 它 们 之 间 的 位 置 与 姿 态 关 系 由 、 、a0 、b0 4 个 参 数 确 定 ( 其 中 ， 为 物 镜 光 轴 与 激 光 器 轴 线 的 夹 角 ， 为 光 轴 与CCD 的 夹 角 ，a0 为 物 镜 光 轴 与 激 光 器 轴 线 的 交 点 到 物 镜 光 心 的 距 离 ，b0 为 物 镜 光 轴 与 CCD 的 交 点 到 物 镜 光 心 的 距 离 ) 。(4)根 据 图 2 光 路 图 原 理 ， 取 激 光 器 轴 线 交 点 与 物镜 光 轴 为 物 方 零 位 参 考 点 ，相 应 的 CCD 上 像 点 为像 方 零 点 。 照 射 光 斑 距 零 点 的 位 移 为 y ，而 像 光 斑 距零 点 的 位 移 x ，则 ： a0- ycos = ysin (5)b0+xcosxsin对 上 式 化 简 整 理 ，可 得 8 ，y= a0xsin (6)b0sin+xsin(+)此 时 通 过 对 激 光 光 斑 中 心 在 CCD 上 所 成 实 像的 位 置 进 行 测 量 ， 就 可 通 过 计 算 ( 利 用 几 何 光 学 ) 求 出 光 斑 此 刻 的 深 度 坐 标 ， 进 而 得 到 在 被 测 表 面 此 点 的 深 度 度 量 。上 面 公 式 的 推 导 是 通 过 点 光 源 成 像 原 理 得 到 的 ， 实 际 应 用 激 光 光 源 往 往 采 用 线 光 源 来 对 物 体 轮 廓 进 行 测 量 ， 文 中 系 统 也 是 采 用 柱 面 镜 将 激 光 扩 展 成 线 状 激 光 条 作 为 光 源 对 车 轮 廓 进 行 测 量 的 。2基于激光 三角法的货车车厢 体积检测系 统设 计车 厢 体 积 测 量 系 统 由 货 车 截 面 测 量 子 系 统 和 货图 4 测 量 系 统 组 成 示 意 图Fig.4 Schematic diagram of measurement system图 3 车 厢 体 积 测 量 系 统 组 成 图Fig.3 Structure diagram of the carriage volume of trucks measurement system图 5 截 面 子 系 统 的 CCD 和 激 光 器Fig.5 CCD and laser device in the truck cross profile subsystems图 6 车 辆 长 度 跟 踪 子 系 统 的 CCD 和 激 光 器Fig.6 CCD and laser device in the truck length tracking subsystems图 7 一 维 理 想 边 缘 模 型Fig.7 1-D idea edge model邢 冀 川 等 ： 利 用 激 光 三 角 法 测 量 货 车 车 厢 体 积3085第 11 期车 长 度 跟 踪 测 量 子 系 统 、 车 厢 体 积 分 割 子 系 统 以 及车 厢 体 积 计 算 子 系 统 组 成 ，如 图 3 所 示 。顶 面 和 侧 面 的 激 光 三 角 法 测 量 子 系 统 是 同 步的 。 货 车 长 度 跟 踪 系 统 不 断 跟 踪 车 头 在 车 道 中 的 行 进 方 向 的 位 置 变 化 ， 实 时 获 得 两 帧 图 像 数 据 间 车 头 的 移 动 距 离 li ， 通 过 截 面 宽 度 Si 和 移 动 距 离 li 同 步 性 ， 再 进 行 积 分 计 算 就 可 以 准 确 地 获 得 货 车 的 体 积 ， 而 且 这 种 体 积 的 计 算 方 法 不 会 受 到 货 车 行 驶 速 度 的 影 响 ( 即 使 货 车 偶 然 暂 停 ) 。系 统 组 成 示 意 图 如 图 4 所 示 ， 车 辆 截 面 测 量 子系 统 由 位 于 检 测 通 道 侧 面 的 CCD 摄 像 相 机 、激 光 器3 货 车 车 厢 体 积 测 量 系 统 的 关 键 技 术3.1 货 车 体 积 图 像 中 去 车 头 和 车 厢 底利 用 车 轴 信 息 能 对 车 头 到 车 厢 过 渡 部 分 进 行 精确 的 分 析 ；一 般 2 轴 车 车 头 长 1.92.1 m ，3 、4 轴 车 头 长 2 2.3 m ，5 、6 轴 车 头 3.3 4.1 m ， 通 过 这 些 数 据 缩 小 搜 索 车 头 和 车 厢 连 接 处 的 范 围 。 具 体 搜 索 的 算 法 是 采 用 Tabatabai 等 人 提 出 的 前 三 阶 灰 度 矩 边 缘 检 测 法 9 ， 灰 度 矩 边 缘 定 位 法 的 基 本 原 理 是 假 设 实 际 图 像 中 的 实 际 边 缘 分 布 与 理 想 阶 跃 边 缘 模 型 的 灰 度 矩 保 持 一 致 ，即 矩 不 变 。 通 过 此 关 系 来 确 定 实 际 边 缘 的 位 置 。一 维 理 想 阶 跃 边 缘 模 型 可 以 认 为 是 由 一 系 列 具 有 高 度 h1 与 灰 度 h2 的 车 体 扫 描 点 相 接 而 构 成 的 。 一 维 理 想 边 缘 由 3 个 参 数 决 定 ： 边 缘 位 置 k 、 边 缘 两 侧 的 高 度 值 h1 和 h2 。 如 图 7 所 示 ， 其 中 离 散 点 表 示 实 际 边 缘 点 ，粗 折 线 表 示 理 想 边 缘 。和 位 于 通 道 侧 面 的 光 电 触 发 器 组 成 。 车 辆 截 面 测 量系 统 的 摄 像 机 通 过 采 集 车 厢 反 射 的 激 光 光 条 信 息 ， 并 把 包 含 激 光 光 条 信 息 的 图 像 传 到 体 积 计 算 软 件 系 统 ，如 图 5 所 示 。车 辆 长 度 跟 踪 子 系 统 由 位 于 检 测 通 道 顶 面 的CCD 摄 像 机 、激 光 器 ( 如 图 6 所 示 ) 组 成 。 它 通 过 摄 像 机 和 光 电 触 发 器 的 联 动 来 实 时 采 集 包 含 车 辆 位 置 信 息 的 激 光 光 条 图 像 。图 8 截 面 数 据 的 翻 摺 和 拼 合Fig.8 Rolling -over and merging of the cross section data of truck body设 u (x) 为 理 想 阶 跃 函 数 ， 则 一 维 理 想 边 缘 函 数可 表 示 为 ：(4) 取 镜 像 数 据 的 最 后 值 和 原 始 数 据 接 点 的 第二 值 做 插 值 ，得 到 数 据 接 点 的 第 一 值 ， 可 提 高 镜 像 接缝 效 果 。通 过 去 掉 货 车 车 头 、 车 厢 底 等 一 系 列 操 作 ， 这 时 可 较 容 易 地 计 算 出 车 身 的 截 面 面 积 ，如 图 8 所 示 。H(x)=(h1-h2)u(x-k)+h1(7)设 p1 和 p2 分 别 表 示 高 度 值 为 h1 和 h2 的 扫 描 点所 占 的 比 例 ，两 者 满 足 如 下 的 关 系 ：p1+p2 =1(8)设 单 调 序 列 hj (j =1 ，2 ， ，N) 为 实 际 边 缘 点 的 高度 值 ，则 该 序 列 的 前 三 阶 高 度 矩 满 足 下 式 ：2Ni1i軓mi=pj hj =hji=1 ，2 ，3(9)Nj=1j=1式 中 ：n 为 实 际 边 缘 点 的 总 个 数 ，p1=k/n 。上 式 3 个 方 程 中 包 含 3 个 未 知 数 p1 ，h1 和 h2 ， 求解 可 得 ：h1=軓m1-軍 姨p2 /p1(10)h2=軓m2-軍 姨p2 /p1MM(11)货 车 截 面 积 =Si= 軃2(y1+y2)(x1-x2) (16)1軃軃1軃i=0i=0p1= 1姨 4+ s軃 21+ s(12)23.3 体 积 的 计 算由 于 顶 面 和 侧 面 的 摄 像 机 是 同 步 的 ， 货 车 长 度跟 踪 子 系 统 不 断 跟 踪 车 头 在 车 道 中 的 行 进 方 向 的 位軍 2 =軓m 2 -軓m 2其 中 ：(13)21軓 3N軓軓 軓s軃 = 1 (xi-軓m1)3 = m3+2m 1 -3m1m2置 变 化 ，实 时 获 得 两 帧 数 据 间 车 头 的 移 动 距 离 li ，(14)N軍 3軍 3i=1利 用 截 面 宽 度 S 和 移 动 距 离 l 同 步 性 ，再 进 行 积 分ii可 以 求 得 边 缘 点 位 置计 算 就 可 以 准 确 地 获 得 货 车 的 体 积 ：N货 车 体 积 =Silii=0軃k=Np1- 1= Ns+ N-1姨 4+ s軃 2(17)(15)222式 中 ：N 为 数 据 的 帧 数 。这 里 设 序 列 hi 中 第 一 个 扫 描 点 的 位 置 为 0 。利 用 类 似 的 方 法 ， 结 合 车 轴 相 关 车 厢 底 高 度 信息 ，也 能 准 确 地 找 出 26 轴 车 车 厢 底 的 位 置 ， 从 而 在计 算 车 厢 体 积 时 可 以 去 掉 车 底 。3.2 截 面 数 据 的 翻 摺 和 拼 合利 用 翻 摺 和 拼 合 算 法 和 对 侧 面 摄 像 机 所 采 集 的激 光 数 据 进 行 处 理 ， 从 而 可 只 用 一 台 激 光 器 加 上 顶 面 的 激 光 器 就 可 以 形 成 货 车 车 厢 体 积 的 三 维 模 型 ， 算 法 的 基 本 过 程 如 下 ：(1) 对 截 面 数 据 曲 线 求 一 阶 导 数 找 奇 异 点 ， 找 出 需 要 翻 摺 的 拐 点 ；(2) 如 果 导 数 某 数 连 续 后 4 个 值 0 ，认 为 找 到 车身 右 侧 拐 点 ；(3) 车 身 拼 接 中 心 轴 t =(x1 +x2)/2 ， 车 身 截 面 数 据 xt 围 绕 t 轴 反 转 ， 反 转 后 新 坐 标 x=2t-xt ， 其 中 x1 为 车 身 左 侧 的 起 始 点 ，x2 为 车 身 右 侧 的 拐 点 ；4 测 试 结 果由 于 货 车 装 载 货 物 后 ， 其 顶 部 一 般 都 不 是 规 则的 四 方 体 ，所 以 很 难 人 工 精 确 测 量 实 际 尺 寸 ， 但 是 集 装 箱 式 冷 藏 货 车 的 外 形 是 规 整 的 立 方 体 ， 用 这 些 货 车 的 实 测 数 据 验 证 体 积 测 试 系 统 的 测 试 数 据 是 比 较 可 靠 的 ，表 1 是 部 分 集 装 箱 车 厢 体 积 对 比 数 据 ，其 中表 1 实 测 数 据 和 标 称 数 据 对 照 表 Tab.1 Actual results vs estimating results No.Actual result/ m3Estimating result/ m3Error/ %12345101.7892.7894.61101.61101.40104.1395.6698.07105.04103.732.313.103.673.382.30邢 冀 川 等 ： 利 用 激 光 三 角 法 测 量 货 车 车 厢 体 积3087第 11 期的 实 测 数 据 为 文 中 系 统 算 出 的 车 厢 体 积 ， 而 人 工 估算 体 积 为 采 用 手 持 式 激 光 测 距 机 测 量 出 车 厢 长 宽 高得 到 的 估 算 值 。利 用 车 厢 的 分 割 和 计 算 技 术 ， 可 以 很 好 地 完 成 车 厢体 积 的 测 量 工 作 ， 并 且 整 个 测 试 的 结 果 准 确 性 高 ， 稳定 性 和 重 复 性 好 。5 误 差 分 析参 考 文 献 ：1Levoy M. The digital Michelangelo project archive of 3Dmodels OL. http:/www -/data/mich/,2003.Scott William R, Roth Gerhard. View planning for automated three-dimensional object reconstruction and inspection J. ACM Computing Surveys , 2003, 35(1): 64-96.Xiao Lei, Cheng Lianglun, Fan Fuming. Design of TFT - LCD panels optical detection auto -focus system J. Infrared and Laser Engineering, 2011, 40(9): 1789-1795. (in Chinese)Fan Fuming, Cheng Lianglun, Xiao Lei. Establishment and analysis of auto -focus model for laser triangulation method J. Infrared and Laser Engineering , 2011, 40 (10): 2028 -2032. (in Chinese)Wang Dan, Zhao Bin. Laser oblique illumination method for measuring steel plate thickness J. Infrared and Laser Engineering , 2011, 40(10): 2033-2036. (in Chinese) Tabatabai Ali J, Mitchell O Robert. Edge location to subpixel values in digital imagery J. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence , 1984, 6(2): 188-201. Lyvers E P, Mitchell O Robert. Subpixel measurements usinga moment-based edge operator J. IEEE Transactions onPattern Analysis and Machine Intelligence , 1989, 11 (12):1293-1309.Wu Jianfeng, Wang Wen, Chen Zichen. Study on the analysis for error in triangular laser Measurement and the method of improving accuracy J. MechanicalElectrical Engineering Magazine , 2003, 20(5): 89-91. (in Chinese) Zhang Yonghong, Hu Dejin, Zhang Kai, et al. Gray moment operators for subpixel edge detection on CCD images J. Optical Technique , 2004, 30(6): 693-698. (in Chinese)Niu Jianqiang, Meng Hongfei, Yang Ruirui. Study on density detect scheme of expressway greenchannels J. TransportStandardization , 2011, 240/241(5/6): 82-83. (in Chine