車道幾何模型下前方車輛縱向車距測(cè)量技術(shù)研究

陳洪洋，梁朱冬，李佼睿

（長(zhǎng)安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

引言

目前常見的車輛測(cè)距方法主要有基于超聲波、激光、機(jī)器視覺及毫米波雷達(dá)等傳感器的方法，但基于機(jī)器視覺測(cè)距的方法憑借其硬件成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、獲取信息量大、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。

常用的前方車輛測(cè)距模型有基于反轉(zhuǎn)透視測(cè)距模型、基于攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)與透視投影幾何關(guān)系模型、基于單幀靜態(tài)圖像測(cè)距模型、基于逆投影變換測(cè)距模型、基于數(shù)據(jù)回歸建模的測(cè)距模型及基于混合幾何模型的測(cè)距模型等。本文根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，結(jié)合空間幾何關(guān)系建立一種車道平面幾何模型驅(qū)動(dòng)下前方車輛縱向測(cè)距模型。

1 基于射影幾何的縱向車距測(cè)量模型構(gòu)建

如圖1(a)所示，根據(jù)CCD視覺傳感器的安裝位置建立基于射影幾何的縱向測(cè)距模型，其中，C點(diǎn)為CCD視覺傳感器的光心，以光心在路面上的投影點(diǎn)O為世界坐標(biāo)系的原點(diǎn)，車輛向前行駛的方向?yàn)?X軸，Z軸垂直于路面朝下。平面A'B'F'E'為CCD視覺傳感器成像平面，CEF為遠(yuǎn)視角平面，CMN為光軸中心所在平面，CC2D為測(cè)距特征點(diǎn)所在平面，CCD視覺傳感器的光軸 CC1與成像平面交于C0點(diǎn)，CC0為CCD傳感器的焦距，近視場(chǎng)圖像下邊緣中點(diǎn)A與成像平面交于I點(diǎn)，遠(yuǎn)視場(chǎng)點(diǎn)B與成像平面交于H點(diǎn)，θ為攝像頭俯仰角，P為前方車輛的測(cè)距特征點(diǎn)，通常取前方車輛尾部下邊緣的中點(diǎn)，前方車輛距CCD視覺傳感器的縱向距離即為OP'的長(zhǎng)度。

根據(jù)上述道路平面約束下車輛測(cè)距模型推導(dǎo)前方車輛在世界坐標(biāo)系的位置，已知 CO、CC0、θ、成像平面 A'B'F'E'的各邊長(zhǎng)，求解測(cè)距特征點(diǎn)P的世界坐標(biāo)的縱坐標(biāo)值。

從圖1(b)車道平面約束測(cè)距模型的側(cè)視圖可以得知：

圖1 基于特征點(diǎn)的車道平面約束測(cè)距示意圖

式中，v0為光心縱向圖像坐標(biāo)，v (P0)為特征點(diǎn)縱向圖像坐標(biāo)，dy為單位像元的縱向長(zhǎng)度，Yw(P)即為前方目標(biāo)車輛與本方車輛之間的縱向車距。

2 多樣本條件下縱向車距測(cè)量誤差動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模型重構(gòu)

如圖2所示，前方目標(biāo)車輛尾部區(qū)域以車輛輪廓下邊緣為邊界分成區(qū)域A和區(qū)域B兩部分，區(qū)域A的垂直高度為目標(biāo)車輛的后懸高度h，點(diǎn)D為車輛尾部B區(qū)域下邊緣中點(diǎn)，點(diǎn)P為車輛尾部區(qū)域在道路平面上的投影中點(diǎn)，由于前方車輛辨識(shí)算法只能檢測(cè)出前方目標(biāo)車輛尾部輪廓，因此選取點(diǎn)D作為縱向車距測(cè)量特征點(diǎn)往往造成縱向車距測(cè)量值偏大。

圖2 縱向車距測(cè)量誤差源分析

為了降低后懸高度對(duì)縱向車距測(cè)量造成的誤差，使縱向車距測(cè)量值盡可能準(zhǔn)確逼近真實(shí)值，本文采用規(guī)格為2m×1m的紅色目標(biāo)靶源近似為前方車輛尾部區(qū)域仿真對(duì)象，目標(biāo)靶源固定在支架上且離地高度可調(diào)，通過分析統(tǒng)計(jì)500多例客運(yùn)和貨運(yùn)車輛后懸高度樣本，確定目標(biāo)車輛后懸高度變化范圍為[0.2m,1m]，目標(biāo)源變化范圍為[10m，100m]，試驗(yàn)步驟如下：

Step1，固定CCD視覺傳感器位置，標(biāo)定CCD視覺傳感器內(nèi)外參數(shù)并記錄。

Step2，固定目標(biāo)靶源的離地高度，沿道路縱向每隔 5m移動(dòng)目標(biāo)靶源，使其在距離CCD視覺傳感器[10m，100m]范圍內(nèi)變化，并用 CCD視覺傳感器記錄目標(biāo)靶源在各個(gè)位置的圖像。

Step3，調(diào)整目標(biāo)靶源的離地高度，使其在[0.2m，1m]內(nèi)變化，重復(fù)Step2。

Step4，采用自主開發(fā)的基于 VC++6.0軟件的縱向車距測(cè)量誤差標(biāo)定系統(tǒng)處理Step3所得圖像，分析目標(biāo)靶源在不同離地高度、不同縱向位置的測(cè)量誤差。

通過縱向車距測(cè)量誤差標(biāo)定系統(tǒng)采集的目標(biāo)靶源在不同離地度、不同縱向位置的部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 目標(biāo)靶源在不同離地高度、不同先驗(yàn)距離的部分誤差數(shù)據(jù)

根據(jù)目標(biāo)靶源在不同離地高度、不同先驗(yàn)距離的誤差數(shù)據(jù)，可回歸縱向測(cè)量誤差動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模型為：

式中x為目標(biāo)靶源離地高度，y為感知縱向距離，z為縱向測(cè)量誤差。則重構(gòu)的縱向車距測(cè)量模型為：

3 靜態(tài)車距測(cè)量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

測(cè)距系統(tǒng)的視覺傳感器采用1/3 inch CCD鏡頭，使用吸盤固定在福特全順小型客車前擋風(fēng)玻璃中央靠上的位置。為了更加準(zhǔn)確、方便地進(jìn)行前方車輛縱向測(cè)距和驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地選擇在長(zhǎng)安大學(xué)汽車試驗(yàn)場(chǎng)，CCD視覺傳感器通過視頻采集卡與上位機(jī)連接，測(cè)距算法基于 VC++軟件編寫，通過上位機(jī)完成車輛縱向車距檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)路面標(biāo)有距離標(biāo)識(shí)線，距離標(biāo)識(shí)線相對(duì)于 CCD視覺傳感器在路面投影點(diǎn)的縱向距離變化范圍為[10m，100m]，通過與實(shí)驗(yàn)員的協(xié)作使貨車尾部分別?？吭诟鱾€(gè)距離標(biāo)識(shí)線上，由車輛測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行前方距離自動(dòng)辨識(shí)。

4 結(jié)論

為了測(cè)試本文建立的縱向車距測(cè)量模型的有效性，在真實(shí)道路環(huán)境下進(jìn)行前方車輛靜態(tài)車距測(cè)量實(shí)驗(yàn)。在CCD視覺傳感器前方10～100m范圍內(nèi)車輛按每隔5m的間隔停放，由CCD視覺傳感器采集不同先驗(yàn)距離時(shí)的前方車輛圖像。

圖4 單目視覺靜態(tài)車距測(cè)量結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)一共采集19組數(shù)據(jù)，在獲得CCD視覺傳感器內(nèi)外參數(shù)的基礎(chǔ)上，將重構(gòu)的基于單目視覺車距測(cè)量模型的檢測(cè)結(jié)果與距離真值進(jìn)行比對(duì)分析，所示為基于論文建立的縱向車距測(cè)量模型的比對(duì)分析結(jié)果，從圖4中可以看出本文建立的基于單目視覺及測(cè)距誤差動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)目v向車距測(cè)量模型具有較高的測(cè)量精度，車距檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際車距的相對(duì)誤差小于5%，絕對(duì)誤差平均值為1.9m，因此滿足了系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需求。

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