基于机器视觉的车辆轮廓尺寸测量装置

董绵绵，吕志刚，张 应

（西安工业大学 电子信息工程学院，西安710032）

现今，运输车辆的超限超载和运输车辆使用不当等都增加了交通事故发生率，危及社会安全。这成为智能交通系统必须解决的问题。在这种情况下，车辆整车外观尺寸参数成为汽车通过性参数及运行安全检测的重要内容之一。国内外对于车辆各部件的检测和测量技术已有很大的发展，但对车辆尺寸等通用性参数测量的技术还相对落后。为解决人工测量的工作强度大、效率低、测量结果容易受人为因素干扰等种种问题，有必要研究一种对车辆尺寸进行自动测量的系统，而基于机器视觉的车辆尺寸测量方法与以上方法相比较而言移植性好，不需要对路面进行改造，可检测的范围较大，是一种很有实用前景的方法[1]。

本文主要利用机器视觉技术研究车辆外观测量，实现高速路检测站或物流停车场等特定场合对车辆类型分类及整车尺寸的实时测量，为智能交通系统和车辆综合性能检测方法提供支撑。根据生产实际选择双目视觉及单目视觉技术相结合的传感器模型，结合多传感器数据融合，完成图像的采集及处理为上位机车辆目标检测及轮廓提取提供图像，在PC 平台上，进行摄像机标定，完成基于sift 算法的车身图像拼接以此对车辆外轮廓提取，最终完成对车辆外轮廓实际尺寸计算。

1 系统工作原理

本系统由外部控制模块、图像的采集和处理模块、系统标定模块、廓数据处理模块构成，具体的工作原理如下所述。

首先，通过指纹识别后，确定工作人员，开启设备，在收费站固定的停车位置，安装一个连接数字式车辆检测器的地感线圈，当有车辆通过时，采集系统控制USB 摄像头采集图片，并通过网络通信方式传输到PC 上位机。随后，PC 端对接收的车辆图片信息进行摄像机标定，完成基于sift 算法的车身图像拼接以此对车辆外轮廓提取，最终完成对车辆外轮廓实际尺寸计算。最终在PC 上位机显示被测量测量的轮廓信息。系统工作原理如图1所示。

图1 系统工作原理图Fig.1 Working principle of system

2 硬件设计

本文设计的控制器硬件由CPU 模块、指纹采集模块、USB 模块、图片采集模块、SD 卡模块、网络通信模块等构成，硬件框图如图2所示。

图2 硬件框图Fig.2 Hardware design of block diagram

2.1 CPU 模块

Tiny-4412 是友善之臂公司推出的嵌入式系统核心板，该处理器配备三星公司2012年发布的Exynos 4412 处理器，1 GB 高速DDR3 内存芯片，4 GB 的EMMC 外部存储芯片。

Exynos 4412 是以Cortex-A9 为架构的四核移动处理器，比上一代的处理器功耗降低了20%，内部集成了图像处理器，芯片的主频也有了很大的提高，所以运算速度更快。核心板配备了三星公司生产的电源管理芯片，电源管理芯片有多路电源输出能力，每路输出的功率都特别稳定，该芯片能够运行的最低温度达到-20 ℃，能够运行的最高温度是70 ℃，支持多种音视频解码，由于其强大功能、高稳定性及小巧的设计在电子领域的到了广泛的应用，在本设计中能够达功能的需求。

2.2 指纹采集模块

采用FPM10A 模块作为指纹采集模块，完成录入及验证指纹信息的功能。该模块最多支持录入880 枚指纹信息，硬件设置仅需将FPM10A 模块的TXD 引脚、RXD 引脚直接与主控CPU 的所使用串口的发送端和接收端相连[2]。指纹采集模块如图3所示。

图3 指纹模块Fig.3 Fingerprint module

通过串口命令来控制指纹模块采集指纹，被授权人员提前录入指纹信息，每次开机进行指纹信息的采集和对比，当指纹对比成功时，指纹模块会发送串口指令到主控芯片，然后主控芯片控制继电器来完成对下位机的开机控制。

2.3 USB 模块

本系统中摄像头和控制板是通过USB 连接，在设计硬件电路时选用了USB4604 芯片进行USB 通信的控制，根据芯片手册中的典型电路设计了这个模块的硬件电路，摄像头使用的是USB-Type A 接口，在系统移植时需要通过Micro-USB 接口向内存中下载Kernal，硬件电路中设计了这两种USB 接口。USB 模块如图4所示。

图4 USB 模块Fig.4 USB module

2.4 SD 卡模块

Linux 系统在启动之前需要UBOOT 引导，在开发主机上编译的UBOOT 不能直接拷贝到EMMC 的分区中，需要先将编译后的UBOOT 烧到SD 卡中，然后将SD 卡插到控制板上，系统在启动的时候从SD 卡启动UBOOT 即可。

在硬件设计时需要设计SD 卡卡座的连接电路，因为处理器的IO 口的驱动能力比较弱，所以在设计原理图时在卡座的引脚上都添加的51 k 的上拉电阻，SD 卡有九个引脚，CD/DAT3 引脚的作用是卡检测或最为数据线3 使用，CMD 引脚的作用是传送命令和接收应答，DAT0、DAT1 和DAT2 都是数据线，硬件设计时只需要将SD 卡卡座上的引脚和处理器预留的IO 口连接起来就可以。SD 卡模块如图5所示。

图5 SD 卡模块Fig.5 SD card module

2.5 网络通信模块

在系统移植阶段需要用到TFTP 和NFS 服务来传输文件和挂载根文件系统，这两种服务都需要通过网络完成，系统最终需要完成传输图片的功能，也需要网络来完成，所在硬件系统中设计了网络模块的硬件电路，网络模块选用的是DM9621 芯片，根据芯片手册中的标准电路设计了网络模块的电路图。网络模块如图6所示。

2.6 图像采集模块

图6 网络通信模块Fig.6 Network communication module

本模块包括USB 摄像头和USB 接口扩展电路2 个部分。摄像头固定之后采集收费站现场图片，由视频采集卡将采集到的图像进行A/D 转换，PC 机再对得到的数字图像进行压缩，然后以一定的格式存储在PC 机的存储器里，PC 机可以通过局域网、以太网或者无线网络与终端进行信息交换。采用中星微ZC301 带USB 接口摄像头采集图片。该摄像头具有成本较低，成像效果满足系统要求。由于系统需要多个USB 接口，所以选用AU9254 芯片扩展USB 接口满足USB 接口电路的需要。

AU9254 是安国（Alcor Micro Corp）开发的USB集线器，单片集成的USB 控制器，它支持4 个下游的USB 端口，每个端口都有电源开关控制和电流过流检测，而且每个端口都可以由总线供电或自供电，可支持4 个全速设备同时工作。

3 软件设计

本系统的软件包括车辆图片的采集与传输软件、车辆实际尺寸测量软件。前者为STM32 单片机端编程部分，负责采集图片、发送图片；后者为上位机端编程部分，负责接收图片，处理图片。

3.1 车辆图片的采集与传输软件

当数字式车辆检测器的地感线圈检测到有车辆经过，USB 摄像头开始采集车辆图片，保存图片到SD 卡，从SD 卡中读取图片，用SOCKET 通信将图片通过网口发送到上位机，供上位机分析处理。上位机接受到完成的图片会发送ACK 到采集系统，一次图片采集完成后循环上述过程。其流程如图7所示。

3.2 车辆实际尺寸测量软件

使几何图像的外界矩形是指包含了图形上所有的点、线，且各边均与图形相接触的矩形。一个图形的外界矩形有无穷多个，其中面积最小的称为最小外界矩形[3-4]。

求解最小外接矩形的步骤如下：

图7 下位机软件流程Fig.7 Flow chart of MCU program

（1） 确定旋转轴的位置，根据重心原理，对具有一定形状的均匀物体，其重心在物体的几何中心上，文中的是二维的图像不需要考虑这些问题，白色最大连通区域为M 行N 列，依次扫描各行，计算出每行的重心坐标（xj，yj）。

（2） 把目标的各行重心坐标（xj，yj）（j=1，2，…，M）作为一组数据，利用最小二乘法进行直线拟合，得到垂直主轴初始位置的直线方程y1=k1x+b1。

（3） 同理依次扫描各列，计算出每列的中重心坐标（xi，yi）（i=1，2，…，N）利用最小二乘法得到水平的初始位置直线方程y2=k2x+b2。

得到两个直线方程之后，可以求出交点（x0，y0），初始位置处水平轴的斜率开始，逐渐变化到垂直主轴的斜率，旋转方向为以水平主轴的斜率逐渐增加的方向，旋转过程中计算最小外接矩形的面积，当面积最小时即为最小外接矩形，如图8所示，最大连通区域的最小外接矩形被求出。

3.3 上位机软件

上位机软件采用微软开发的Microsoft Visual Studio 2012 开发工具，编写了基于串口通信的“车辆轮廓计算”软件，用于在电脑上实现车辆轮廓尺寸显示及数据管理。通过正确配置IP 地址和端口，选择合适的保存路径，选择开始接收后，便生成一条包含有车牌底色，车牌以及车长，车宽数据的信息。上位机界面如图9所示。

图8 最小外接矩阵Fig.8 Minimum external matrix

图9 上位机软件Fig.9 Position interface of PC software

4 结语

本文设计的基于机器视觉的车辆轮廓尺寸测量方法研究，使用指纹模块确定使用者身份，基于机器视觉技术，结合多传感器数据融合，在PC 端经摄像机标定、基于sift 算法的车身图像拼接、车辆轮廓的提取，从而完成车辆轮廓尺寸的测量。克服了传统人工测量工作强度大，效率低，结果不准确等问题。为智能交通系统和车辆综合性能检测方法提供支撑。