基于視覺測量的路崖槽高度自動測量方法

馬兆敏 胡 波

（廣西科技大學電氣與信息工程學院，廣西 柳州 545000）

0 引言

車輛在平行泊車時， 路崖槽作為道路邊緣是泊車位的標線之一。 對駕駛員在調整汽車位置入庫的過程中， 有一定高度的路崖槽會對駕駛技術提出更高要求。 入庫車輛操作的每一步中， 車輛最好能盡量靠近路崖槽， 但一旦車胎接觸到路崖槽， 有一定高度的路崖槽會對車輛輪胎造成損傷。 路崖槽高度的準確量化信息對駕駛員來說非常重要。

機器視覺測量技術由于其非接觸性、成本低、速度快、 信息量豐富等優勢， 應用到車輛安全行駛的課題研究已經開展很多。 引入視覺對道路檢測的研究中，2013 年郭春釗等提出了基于立體視覺的可行駛道路區域與非道路區域間邊界的檢測方法， 巧妙的建立了狀態序列的觀測概率函數，以尋找道路/非道路邊界的最優狀態序列[1]。 2017 年王世峰等基于機器學習的基本原理， 提出使用加速度傳感器和相機特征數據融合對路面類型進行分類的方法， 使用兩種傳感器數據特征融合方法， 不但識別精度有所提高， 而且其可靠性和適應性也都優于單獨使用加速度數據或路面圖像數據[2]。 鄧燕子等針對傳統圖模型分割算法提取的物體邊緣不夠精細， 難以適應復雜道路場景布局的問題，提出了一種基于多層圖模型推理的道路場景分割(HGI)算法[3]。杜凱等針對大多數道路檢測方法存在光照變化敏感，陰影導致誤檢、漏檢等問題，提出了一種改進的光照不變道路檢測算法[4]。 這些基于視覺的檢測集中在道路本身的數據分析， 而對于道路邊界路崖槽高度的定量分析卻不多見。 而對于保障車輛安全行駛的障礙高度及位置參數的測量， 已有一些學者開展相關研究。 2015 年胡亞利等通過插值法和最小二乘法建立景物的圖像高度與實際高度之間的映射關系，建立車載攝像機標定模型， 并據此對障礙高度進行測量[5]。2016 年羅逍等提出了一種基于雷達和圖像融合的車輛寬度和位置測量方法，根據圖像中目標的陰影或雷達探測目標在圖像中的投影生成目標假設區域[6]。 2018 年王錚等提出一種基于雙目視覺的自動導引車 (AGV)障礙物檢測與避障方法[7]。

本文引入機器視覺系統，結合視覺測量算法，對路崖槽高度進行定量的分析研究。

1 基于視覺測量的路崖槽高度測量方法

按視覺測量的方法， 路崖槽高度定量分析可以分為4 個步驟。 首先， 對攝像機系統進行路平面上的標定， 得到路面標定點在圖像上的位置信息。 其次在標定點位置分別布置高度標定物進行圖像采集， 并建立標定物各圖像高度與實際高度的對應關系表。 再次，對路崖槽進行圖像采集， 獲路崖槽路面上的特征點位置， 并據此選取該特征點可依據的標定物圖像高度與實際高度的對應關系表。 最后， 求取路崖槽縫隙線邊緣特征點， 并據此得到其圖像上的距離， 結合上步中選擇好的關系表，按插值法求取路崖槽高度。

1.1 攝像機系統道路平面標定點的標定

在道路平面上布置標定紙， 用攝像機系統采集圖像，如圖1 所示。 建立圖像坐標系，如圖2 所示。 通過圖像坐標提取軟件對標定紙中灰白相間的標定點提取其圖像坐標(u，v)。

圖1 道路平面標定紙圖像

圖2 圖像坐標系

2.2 建立各標定點處高度標定物圖像高度與實際高度的對應關系表

在標定點位置分別布置高度標定物進行圖像采集， 只采集高度標定物在圖像中完整出現的情況。 設有n 個標定點處能采集到完整的高度標定物圖像。 其中布置在標定點C 的高度標定物圖像如圖3 所示。

通過圖像坐標提取軟件分別提取標定點上標定物特征點的圖像位置坐標， 并建立圖像距離與實際高度的對應關系表。

2.3 確定被測路崖槽所參考的路面標定點

在路崖槽施工時， 工人拼接路崖磚會形成明顯的水泥連接縫。 如圖4 所示，AB 為拍攝到的路崖槽縫隙線。 對路崖槽進行圖像采集， 需要采集到包含有縫隙線的圖像，以此縫隙線與地面接觸處為特征點，如圖4中的A 點。 通過圖像坐標提取軟件獲取該特征點在圖像中的位置坐標。

求此特征點和步驟1 中獲得的路面各標定點的距離， 獲取與之最近的路面標定點， 從而選擇此標定點的圖像高度與實際高度對應關系表進行后續計算。

2.4 路崖槽高度計算

通過圖像坐標提取軟件對路崖槽縫隙線體現高度的邊緣特征點，例如圖4 中的A、B 兩點。 根據兩點間的距離公式，計算路崖槽縫隙線的圖像高度。例如圖4中AB 間的圖像距離即為路崖槽縫隙線的圖像高度。結合上步中選擇好的關系表， 通過插值法求得路崖槽高度。

3 實驗結果及分析

在廣西科技大學教學樓之間的道路中進行實驗數據采集。 攝像機距離地面的高度為86cm；拍攝圖像的像素為640480。

圖3 高度標定物圖像

圖4 路崖槽圖像

圖1 為采集到的道路平面上布置標定紙的圖像，圖像坐標系如圖2 所示。 提取標定點圖像坐標表。

實驗下的攝像機拍攝系統所采集到路崖槽圖像如圖4 所示。AB 為路崖槽的縫隙線。縫隙線與地面接觸特征點為A 點。 通過圖像坐標提取軟件獲得該點的圖像坐標見表1。分別計算此點與各路面標定點的距離。由此可知A 點和道路平面標定點C 點最近（C 點如圖3 所 示）。

表1 路崖槽高度特征點數據表

提取路崖槽縫隙線的特征點A、B 點（見圖4）的圖像坐標，由兩點間距離公式求得該路崖槽縫隙線的圖像高度，見表1。 由插值法計算路崖槽縫隙線的世界坐標系下實際高度為9.4cm。 經現場用直尺直接測量， 測得路崖槽高度為9.3cm。 該方法的測量誤差為0.1cm，相對誤差為1%。

4 結束語

本文通過先求出路面標定點的圖像位置， 再在各標定點處布置標定物的方法， 經過兩次標定求得路崖槽高度。 路崖槽是道路的重要部分， 其高度信息為駕駛安全提供保障， 利用機器視覺測量路崖槽高度相對其他傳感器更易于實現。