南京林业大学
硕士学位论文
基于图像处理的汽车前照灯检测技术的研究
姓名：朱柳建
申请学位级别：硕士
专业：载运工具运用工程
指导教师：闵永军
20050601
摘要
随着经济、社会的快速发展，汽车保有量快速增长；汽车技术的高速发展，汽车的行驶速度越来越快。汽车夜问中、高速会车的频率越来越高，汽车前照灯光束照射方向不当已成为影响汽车夜间安全行驶的主要隐患之一。现有汽车前照灯检测仪器检测功能不全、检测精度不高等问题严重影响着汽车前照灯强制安全检测的相关国家标准的实施。
本课题的主要研究内容为：
１、分析现有汽车前照灯近光照射方位检测方法和仪器的存在问题，提出了从汽车前照灯近光照射方位角测量和汽车摆放位置偏置角修正两方面提高检测精度的途径。
２、研究了汽车前照灯近光照射方位角双位屏幕板检测原理及方法。实现汽车前照灯近光照射方位的独立检测，克服了被检汽车与检测仪器间停放距离误差引起的测量误差，提高检测精度。
３、研究了汽车摆放位景的偏匿角测量原理及方法。有效解决汽车摆放位置的偏差对检测结果的影响。
４、采用ＭＡＴＬＡＢ开发平台开发了汽车前照灯近光照射方位角和汽车摆放位置的偏置角测量计算机程序。
５、初步开发了汽车前照灯近光照射方位检测系统，进行了模拟和实车综合试验，试验结果表明，系统方案可行。
课题的实现能克服现有汽车前照灯检测装置的近光光束照射方位角检测精度低的缺陷及汽车前照灯光束照射方位角全自动检测误差大、误判率高的问题。填补了目前国内在汽车前照灯检测过程中车辆摆放偏置角修正方面的空自。
有待进一步研究和解决的问题：
对于在图像处理中的能采用更好的处理方法以获得更高的测量精度，如在运用模式匹配的方法、自动处理等方面有待进一步的研究和改善。
关键词：汽车前照灯图像处理近光光束方位角摆放偏置角双位屏幕板检测法
ＲｅｓｅａｒｃｈＯｉｌｔｈｅＴｅｓｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＨｅａｄｌａｍｐ
ｂａｓｅｄＯｎＩｍａｇｅＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｗｉｔｈｔｈｅｆａｓｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｅｃｏｎｏｍｙａｎｄｔｈｅｓｏｃｉｅｔｙ，ｔｈｅｒｅｃｏｖｅｒａｂｌｅａｍｏｕｎｔｏｆｔｈｅａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｉｎｃｒｅａｓｅｓｆａｓｔ，ｔｈｅｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｍａｋｅｔｈｅｓｐｅｅｄｏｆｔｈｅａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｉＳｆａｓｔｅｒａｎｄｆａｓｔｅｒ．ＴｈｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｃａｒｍｅｅｔａｔｎｉｇｈｔ、碱ｔ１１ｌｌｉ班ｓｐｅｅｄｉＳｈｉｇｈｅｒ＋Ｔｈｅｉｎａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｏｆｔｈｅｓｈｉｎｅｄｉｒｅｅｔｉｏｎｏｆａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｈｅａｄｌａｒｎｐｉｓｔｈｅｍａｉｎｈｉｄｄｅｎｄａｎｇｅｒｓｆｏｒｄｒｉｖｉｎｇａｔｎｉｇｈｔ．Ｅｘｉｓｔｉｎｇａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｈｅａｄ—ｌｉｇｈｔｔｅｓｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｆｕｎｃｔｉｏｎｎｏｔｏｖｅｒａｌｌ．１０ｗｔｅｓｔｐｒｅｃｉｓｉｏｎｉｎｆｌｕｅｎｃｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｅｌｅｖａｎｔｎａｔｉｏｎａＩｓｔａｎｄａｒｄｏｆａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｈｅａｄｌａｍｐｔｅｓｔｓａｆｅｌｙｂｙｆｏｒｃｅ．
Ｔｈｅｍａｉｎｒｅｓｅａｒｃｈｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｔｈｉｓｓｕｂｊｅｃｔａｒｅ：
１．ＩｔｉＳａｎａｌｙｚｅｄｔｈａｔｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｈｅａｄｌａｍｐｎｅａｒｓｈｉｎｅｓｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄｉｎｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｉｎｓｍｍａｅｎｔｅｘｉｓｔｅｎｃｅｐｒｏｂｌｅｍｓ，Ｐ，ａｔｆｏｒｗａｒｄｔｗｏＷａｙｓｏｆｈｅａｄｌａｍｐｎｅ，ａＥ
ｓｈｉｎｅａｚｉｍｕｔｈｔｅｓｔａｎｄｂｉａｓｉｎｇａｎｇｌｅｓｏｆｔｈｅａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｌｏｃａｔｉｏｎｔｏａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｔｈｅｓｈｉｎｉｎｇａｚｉｍｕｔｈｏｆａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｎｅａｒｈｅａｄｌａｍｐｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｅｓｔｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，
２．ＳｍｄｙｔｈｅｔｅｓｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｍｅｔｈｏｄｏｆａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｈｅａｄｌａｍｐｎｅａｒｓｈｉｎｅａｚｉｍｕｔｈｗｉｔｈｐａｉｒｓｏｆｌＯＣａｔｉｏｎＳｅｌｄｅｎｂｏａｒｄｓ．Ｕｓｅｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｏｆｐａｉｒｓｏｆｌｏｃａｔｉｏｎｓｃｒｅｅｎｂｏａｒｄ
ｃａｒｌｒｅａｌｉｚｅａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｈｅａｄｌａｍｐｎｅａｒｓｈｉｎｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｔｅｓｔｉｎｇ，Ｏｖｅｒｃｏｍｅｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｅｒｒｏｒｃａｕｓｅｂｙｔｈｅｄｉｓｔｓｎｅｅｅｒｒｏｒｂｅｔｗｅｅｎｏｆａｕｔｏｍｏｂｉｌｅａｎｄｈｅａｄｌａｍｐｔｃｓｔｅｒ，ａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｔｅｓｔｉｎｇ．
３．Ｓｔｕｄｙｔｈｅｔｅｓｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｂａｓｉｓａｎｇｌｅｓｏｆｔｈｅａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｌｏｅａｔｉｏｎ．Ｓｏｌｖｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｒｅｓｕｌｔｏｆｔｅｓｔｉｎｇｏｆｂａｓｉｓｏｆｔｈｅａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｌｏｃａｔｉｏｎｅｆｆｃｅｔｉｖｅｌｙ４，ＡｄｏｐｔＭＡＴＩＡＢｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｐｌａｔｆｏｒｍｄｅｖｅｌｏｐｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒｐｒｏｇｒａｍｆｏｒｔｅｓｔｔｈｅ
ｈｅａｄｌａｍｐｎｅｓｌ＂ｓｈｉｎｅａｚｉｍｕｔｈａｎｄｂｉａｓｉｎｇａｎｇｌｅｓｏｆｔｈｅａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｌｏｃａｔｉｏｎ５．Ｈａｖｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｈｅｔｅｓｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｈｅａｄｌａｍｐｎｅａｒｓｈｉｎｅａｚｉｍｕｔｈ
ｔｅｓｔ．ｉｓｉｔｉｍｉｔａｔｅｔｏｇｏＯｎａｎｄｔｈｅｒｅａｌＣａｒｔｅｓｔｓｙｎｔｈｅｔｉｃａｌｌｙ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｔｈｅｔｅｓｔｉｎｄｉｃａｔｅｓ．ｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｔｉｃｓｃｈｅｍｅｉｓｆｅａｓｉｂｌｅ．
ＴｈｅｓｕｂｊｅｃｔｏｎｅｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｃａｎｏｖｅｒｃｏｍｅｔｈｅａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｈｅａｄｌａｍｐｔｅｓｔｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｌＯＷｔｅｓｔｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｔｈｅｎｅａｒｌｉｇｈｔｏｆｔｈｅａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｈｅａｄｌａｍｐｓｈｉｎｅｓａｚｉｍｕｔｈａｌｌｙ，
ａｎｄｈｉ曲ｉｎａｃｃｕｒａｃｙｒａｔｅ，ｊｕｄｇｉｎｇｂｙａｃｃｉｄｅｎｔｒａｔｅｆｏｒａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙｔｅｓｔｓ．Ｔｈｅｓｕｂｊｅｃｔ
ｈａｖｅｆｉｌｌｅｄｔｈｅｄｏｍｅｓｔｉｃａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｈｅａｄｌａｍｐｔｅｓｔｂｌａｎｋｏｆｔｈｅｂｉａｓｉｎｇａｎｇｌｅｓｏｆｔｈｅ
ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ１０ｃ坦ｔｉｏｎｏｎａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｈｅａｄｌａｍｐ把ｓｔｉｎｇ．
Ｐｒｏｂｌｅｍｒｅｍａｉｎｅｄｔｏｓｔｕｄｙａｎｄｓｏｌｖｉｎｇｆｕｒｔｈｅｒ：
Ａｓｔ０ｂｅｉｎｇａｂｌｅｔｏａｄｏｐｔｇｏｏｄｔｒｅａｔｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｉｎｏｒｄｅｒｔｏｏｂｔａｉｎｇｏｏｄｒｅｓｕｌｔｉｎ
ｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ＳＵｅｈａｓｕｓｉｎｇｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｍｏｄｅｍａｔｃｈｅｓ，ａｕｔｏｍａｔｉｃｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｅｔｃ．
ｔｏａｗａｉｔｆＢｒｔｈｅｒｓｔｕｄｙｉｎｇ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡｕｔｏＨｅａｄｌａｍｐＩｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇＮｅａｒｌａｍｐｂｅａｍＡｚｉｍｕｔｈＢｉａｓｉｎｇＡｎｇｌｅｓｏｆｔｈｅＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＬｏｃａｔｉｏｎＴｅｓｔｏｆｐａｉｒｓｌｏｃａｔｉｏｎｓｃｒｅｅｎｂｏａｒｄｓ
Ｗｒｉｔｔｅｎｂｙ：ＬｉｕｊｉａｎＺｈｕ
Ｓｕｐｅｒｖｉｓｅｄｂｙ：Ｐｒｏｆ．ＹｏｎｇｊｕｎＭｉｎ
爱带’，
ｘ７４９５２２
本文走在导师闵永军赦投的悉心椭导下完成曲。从奄文曲选题、撰写到实玲，闵老坪倾汪了他文量的心血。在三年曲研究生期间。闽老师表统虫了严谨曲沽学态度，一业不苟曲科碍昨风，以及高尚的人格魅力癣睬藩曲赦导着我，闵老师明博的知识、敏锐的科学眼光，思维活跃，使我受盖ｔ浅。在研究生期间，闵老师不仅基套了我怎样梭学习研究，更是在童话和学习中给予了毛簟不至的关捉和帮助？在三丰的碍宪生学习生活十，闵老师反其爱人陆太宁老师都给予了大量的关心和帮助。在她栈对闵老师和陆老师表示罩衷心曲感谢。以反我深曝地氛ｔ。
感谢度论文的选题，唧究和实玲曲避程中得到了基研簟曲老■曲热心指点和帮助，弄感谢在研究生期间赦研曩实ｌ■室重量康、龠明亮等老师给予我的帮助。
或谢南毫艨誊太学对戒的培养，钝器母校的未耒更加美籽／
感谢家人一直耒对我的关＊和支持。
谨此向所有在栽研究生期间关心，帮助和最导过我的人们表示诚警ｂ文毒，感谍大家对我曲厚爱和囊望。
素后感谢●己在校期间所付出的辛勤努力．睨愿Ｉ己在以后曲人生珞上再挟再厉，勇举高峰。
朱柳建
ｔ００．彳鼻彳更
第一章绪论
１．１论文研究目的及意义
随着经济、社会的快速发展，汽车保有量快速增长，目前已达到两千多万辆，特别是城市中汽车的密度越来越大。汽车技术的高速发展，使我国在用汽车的动力性能不断提高，高等级公路快速增长，汽车行驶条件明显改善，汽车的行驶速度越来越快。汽车夜阳ｊ中、高速会车的频率越来越高。汽车前照灯是保障汽车安全运行的重要部件之一，特别是在夜间行车时，更为重要。前照灯的配光特性、光照度是保证汽车行驶安全的重要指标。资料显示：车辆总行驶单程的２５％是在晚上和自然光线不足的情况下行驶的，而在此之间发生的人身伤害行车事故占到３３％，并且５０％的死亡事故发生在夜间。汽车前照灯光束照射方向不当已成为影响汽车夜间安全行驶的主要隐患之一。因此，在用汽车前照灯的光束照射方位角的检测是汽车安全性能检测的必检项目之一。
为了保证汽车夜间安全行驶，汽车前照灯必须保证车前有明亮且均匀的照明，使驾驶员能看清车前１００ｍ内路面上的障碍物，现代高速汽车其照明距离应达到２００～２５０ｍ；汽车前照灯应能防止眩目，以避免两车相会时，使对面驾驶员眩日而造成交通事故。为达到上述要求，汽车前照灯设最近光和远光两种工作方式，在前方无来车或不尾随其它车辆时使用远光照明，当汽车交会或尾随其它车辆时使用近光照明。为使汽车前照灯具有良好的防眩目功能，除在前照灯灯泡上设置防眩目装置外，还必须保证汽车前照灯有正确的光束照射方向（位置）。
为保证使用前照灯近光时具有足够的照明且不眩日，ＧＢ４５９９《汽车前照灯配光性能》对前照灯近光的配光性能提出了明确的要求，在前照灯基准中心前２５ｍ过Ｈｖ点的铅垂配光屏幕上，近光应产生明显的明暗截止线。其水平部分在ｖ—ｖ线的左侧，右侧为与水平线向上１５。的斜线，或向上成４５。斜线至水平线垂直距２５ｃｍ转向水平的折线，如图１．１所示。在Ｉ、ＩＩ、ＩⅡ和ＩＶ区域内，其水平方向相邻间的照度应无明显的陡变，不致影响良好的可见度。
图ｌ一１汽车前照灯近光配光明暗截止线图
对汽车前照灯光束照射方向的要求，ＧＢ７２５８．２００４《机动车运行安全技术条件》规定ｔ机动车在检验前照灯的近光光束照射位置时，车辆空载，允许１名驾驶员，前照灯在距屏幕１０ｍ处，光束明暗截止线转角或中点的高度，乘用车应为Ｏ．７０～Ｏ．９０Ｈ（Ｈ为前照灯中心高度），其它车辆为０，６－－０．８Ｈ，近光光束水平方向照射方位角偏左不得超过１７０ｍ．向右不准超过３５０ｍｍ；汽车前照灯远光光束照射位置在１０ｍ距离，乘用车的远光光束高度为Ｏ．９－－１．０Ｈ，其它车辆为Ｏ．８－－０．９５Ｈ，照射方位角左灯向左偏差不得大于１７０唧。向右偏差不得大于３５０ｍｉｌｌ；右灯左、右偏差都不得大于３５０啪。
对装用远光和近光双光束灯泡的汽车前照灯，检测光束照射方向时，ＧＢ７２５８－２００４机动车运行安全技术条件》和ＧＢ７４５４《机动车前照灯使用和光束调整技术规定》都明确规定应以近光光束照射方位角检测为主。因此在前照灯的检测中，前照灯近光光束照射方向检测是一个重点项耳。
国内外现有汽车前照灯光束照射方位角自动检测装置有两类，一类是采用光电转换元件对近光光束投影进行直接测量；另一类是采用ＣＣＤ器件对前照灯光束投影进行摄像，用计算机图像处理技术进行测量。国内的前照灯检测仪器的光轴偏移量误差达至Ｕ士１５’，相对于国标限值１７０咖（台５８．４?）这一误差已相当大。另外，目前国内的检测仪都是采用单屏幕板的方式，这一检测方式都要求检测时车辆与检测仪垂直停放，前照灯与检测仪的距离精确定位。而实际检测中，车辆在停放时与检测仪的垂直线不可能达到重合，车辆与检测仪的距离会存在一定的偏差；因此车辆的摆放方位会直接影响前照灯的检测结果的精确性。
由于制造工艺、工作电压和外界环境等因素的影响，实际近光光形的明暗截止线并不明朗清晰，光形在测量平面上的照度分布差别较大，由于光电传感器在检测仪中的点数有限，因此用光电转换元件直接测量的检测仪对在用汽车前照灯近光配光的适应性差，有的检测仪检测箱内的受光器必须能分别绕水平轴和铅锤轴转动，机电控制系统复杂，难以满足在用汽车实际检测的需要。且前受检测仪功能限制，在汽车安全性能的实际检测中普遍仅检测前照灯的远光光束照射方位角，达不到国家标准的要求，现有用ＣＣＤ摄像经计算机图像处理测量的检测仪在测量近光前必须先测量远光光束照射方位角以确定前照灯位置，不仅操作不方便，而且远光检测误差和前照灯基准中心与检测仪距离误差直接引起近光检测误差，检测精度低。
在汽车偏置角的修正方面，现在国内的～种汽车摆正器，它由中心线重合的前、后轴平台组成，其中心线与前照灯检测仪道轨垂直。汽车前照灯检测时，汽车前、后轮分别停在前、后移动板和转盘上，在前、后扩架的推动下，使汽车纵向轴线重合于平台中心线，汽车便被摆正，这可消除由于汽车停放不正而引起的测量误差。但该摆正器前、后轴平台距离固定，不能适应不同轴距汽车的摆正，且摆正调整时间长，检测效率低，不能满足汽车安全检测线上不同轴距汽车交替快速自动检测的需要。
鉴于以上原因，使得目前国内的前照灯检测结果不很理想，满足不了臼益发展的汽车工业对安全性的要求。在新出台的ＧＢ７２５８—２００４中提出了在用前照灯检测仪检测时，将被检测的机动车按规定距离与前照灯检测仪对正（宜使用车辆摆正装置）。这一项的提出也证实了在前照灯的检测中，由于车辆摆放存在偏差从而使得前照灯的检测精度不高的问
’
题。本文针对目前国内的现状，提出了两种创新性的汽车前照灯的检测方法，一是在前照灯的检测仪中采用双屏幕板检测方法来解决由于车辆停放时与检测仪之间距离变化产生的影响；二是通过求汽车的摆放方位角大小对前照灯的检测结果迸仃修止，玳猬田丁牛棚与检测仪垂线摆放偏差引起的检测误差。从而可以得到汽车的前照灯精确的测量结果，大大减小了测量中的误差，在很大程度上提高了前照灯检测的检测质量，间接的减小了由于前照灯故障所引起的夜间行车交通事故，减少了人员的伤亡。课题的实现能克服现有汽车前照灯检测装置的近光光束照射方位角检测精度低的缺陷及汽车前照灯光束照射方位角全自动检测误差大、误判率高的问题。并填补了现在国内在汽车前照灯检测过程中车辆摆放偏置角修正方面的空白，为汽车前照灯检测提供了一个有效的提高精度的方法，符合了我国目前在汽车检测上对前照灯检测的要求，使我国的前照灯检测技术更完善，检测结果更精确。
１．２论文研究的内容
针对国内外的研究现状，本论文研究的主要内容为把计算机图像处理技术应用到汽车的前照灯检测中来，也就是把图像处理和前照灯检测相结合，提高前照灯检测效果。
主要研究内容为：
分析现有汽车前照灯近光照射方位检测方法和仪器存在问题，提出基于计算机图像处理技术提高汽车前照灯近光照射方位检测精度的技术方案；
研究基于计算机图像处理技术的汽车前照灯近光照射方位角双屏幕板检测原理及方法：
研究基于计算机图像处理技术的汽车摆放位置偏置角测量原理及方法；
开发汽车前照灯近光照射方位角和汽车摆放位置偏置角测量计算机程序；
初步构建基于计算机图像处理技术的汽车前照灯近光照射方位检测系统，并对系统主要元件的技术参数的选择进行探讨。
本论文的结构为：
第二章检测系统方案与原理，介绍系统的方案的可行性，研究系统检测的原理。
第三章检测系统设计，介绍图像处理的一些基础知识，及计算机程序的设计。
第四章系统试验与结果分析，对设计的系统进行模拟和实车检验，并对结果进行分析，看系统的实用性。，第五章论文结论，对论文的研究进行结论，说明论文的研究成果和论文研究中存在有待解决的问题。
第二章检测系统方案与原理
２．１检测系统总体方案
本研究设计的汽车前照灯近光照射方位角检测系统总体包括两个部分：
第一部分为对汽车前照灯照射方位角的检测，在这部分中首先要获得设定间隔距离两投影屏幕上的汽车前照灯的近光投影图像，计算机对获得的两图像进行处理计算——通过处理得到两近光投影图像的明暗截止线转折点的空间坐标，最后计算得出此近光灯的光束照射方位角。
第二部分为对于汽车摆放偏置角的求解，在这部分中首先通过摄像头得到汽车摆放位置的投影图像，然后经过图像的处理和计算，最后得到车辆在此位置时的摆放位置角。这一部分主要对车辆的偏置角进行求解，然后对第一部分求出的前照灯的光束照射方位角进行修正，从而使检测结果达到最高的精度。
系统总体组成简图如图２－１所示：
匹
在这系统中，２与４构成汽车前照灯的检测仪器，在前照灯检测仪４里面有一个摄像头２，摄像头２通过汽车投影在前照灯检测仪４中的屏幕板上的前照灯近光投影图，然后把所获得的图像传给计算机３，在计算机中进行一定的图像的处理和计算，得出一个基本的汽车前照灯的照射方位角；同时置于汽车检测线上方的摄像头ｌ，当汽车进检测线停稳后，摄像头１摄取汽车的俯视图像，然后把图像输迸计算机３，在计算机４中对图像进行处理计算得到一个车辆的摆放偏置角；最后在计算机３中用汽车的摆放偏置角对第一步测得的汽车前照灯照射基本方位角进行修正，得出一个修正后的精确汽车前照灯近光照射方位角。得出检测汽车的前照灯的近光照射方位角后，把这个角度与国家标准作比较，判断此前照灯是否符合国家标准，最后把结果输出在计算机屏幕上。
基于计算机图像处理的汽车前照灯检测技术，现已申请了两项国家专利，一项是汽车前照灯检测装置的实用新型专利（专利号为：０３２５８９４７．６）；另一项是关于汽车摆放偏置角的汽车前照灯测量误差修正方法的发明专利（申请号０３１３１９２８９）初审已合格，进入实审阶
４
段。
２．２前照灯近光照射方位角检测原理
基于图像处理技术的前照灯近光照射方位角检测的基本原理是通过ＣＣＤ摄像装置将前照灯光束在测量屏幕上的投影图像输入计算机，计算机对输入图像进行处理和分析，求得前照灯远、近光光轴方向。
光轴是指前照灯几何中心与测量屏幕上光束投影中心（远光）或明暗截止线转角（近光）的连线。检测过程中，汽车方位不变，光轴方向固定。打开前照灯，若先后在汽车前照灯正前方Ｉ位和ＩＩ位放置与汽车纵向轴线垂直的投影屏幕，见图２－２所示，则可在两投影屏幕上分别得到光束投影中心或明暗截止线转角点ａ和ａＩ。直线ａ甜与光轴重合，所以光轴方向可由直线ａａ’的空间方位确定。
用ＣＣＤ摄像装置将２个位置投影屏幕上的２帧图像输入计算机，根据前照灯远、近光投影图像的特点，计算机对输入图像进行处理和分析，找出图像中的特征点ａ和ａＩ在投影屏幕坐标系中的坐标（ｘａ，ｙａ）和（ｘ『ａ’，Ｙ’ａ‘），结合投影屏幕在Ｉ位和ｌＩ位之间的距离Ｌ２，就可确定赢线ａａｌ的空间方位，从而测出前照灯远光或近光的光轴方向：
ＹＯＺ平面内的下倾角０【＝：ａｒｃｔａ｜１【（ｙｌａ’一ｙａ）／Ｌ２］；
ＸＯＺ平面内的右偏角１３＝ａｒｃｔａｎ［“?ａｆ．ｘａ）／Ｌ２１。
（《“）
图２．２前照灯近光照射方位角求解思路
基于图像处理技术的前照灯近光照射方位角检测的具体方法是：通过图像处理中的图像转换，滤波，边缘检测等技术得到车辆前照灯的近光明暗截止线，然后通过对数字图像中的像素进行处理最终得到车辆前照灯明暗截止线的转折点坐标，最后算出近光的照射方位角。前照灯近光照射方位角测量具体过程见图２－３。
经处理得到的图像
对求得的明暗截止
线进行曲线拟合
设定阈值ａ，判断曲
线斜率变化值△ｋ是
否达到ａ值大小？
求取曲线的转
折点坐标
对左边曲线用直线
进行拟舍，得线段ｌ
对右边曲线～段用
直线拟合得线段２
计算线段Ｉ与线段２的交点ｘｌ坐标．计算
得到另一幅图像的交点ｘ２坐标，通过ｘｌ
和ｘ２坐标值算出前照灯的近光照射方位角
图２－３前照灯近光照射方位角测量流程
６
２．３汽车摆放偏置角测量原理
汽车摆放偏置角的测量就是求得汽车的轮廓线后，采用逼近的方式求取轮廓线的中心线方位角。
如图２－４所示，如果能够测得汽车纵轴线偏置角口，就能对前照灯检测仪的测量值∥进行修正从而获得实际前照灯光束照射方位角，，，实际前照灯光束照射方位角，，和前照灯检测仪测量值口的关系为：
Ｙ＝口一口（２－１）
口、∥、，统一规定为右偏为正，左偏为负
口
＼
、
．．、．上
８
７
图２－４汽车摆放偏置角示意图
本系统中汽车纵轴线偏置角口可用逼近法求得。在图２—５所示状态下，计算机对系统获得的实际检测位置汽车停放区域的数字图像进行分割处理，得到汽车俯视外形轮廓图像ｌＯ，根据汽车俯视外形轮廓对称的特点，用逼近法求得汽车纵轴线的方位。
】人Ｌ
荔ｈ＼、≮爹
］ｏＭ
图２—５汽车摆放偏置角求解思路
７
逼近法求解的具体方法是：设定误差阈值占，选定上述汽车外形轮廓图像ｌＯ的前部和后部求解起始位置Ｉ—Ｉ位和ＩＩ一Ⅱ位，得到两对边缘点蹿，（如ｆ，Ｙａｔ）、ｂｚ似Ｊ，ｙｂ，，和ｃ』（工。Ｊ，儿Ａｄｌ（Ｘｄｆ，Ｙａｌ），其中％尸Ｘｂ，，Ⅵ＝聊，连接点６ｔ，和ｂ，，求得线段印６，中点ｍｌ，连接点Ｃｌ和西，求得线段ｃｔｄｌ中点月ｌ，连接点．ｒ／口１和ｍ，得线段所，翔，其
斜盔｝，．
七．＝兰型±兰±！二兰！！二羔生１
１
２（丸Ｉ一并“）聊”Ｉ和ａｌｂＪ的夹角舅：
Ｏｔ：甜ｃ呕＿－１
■（２．２）（２．３）
－若１９０－０１ｊ≥占，则分别过点ｍｌ和ｎｌ作垂直于ｒａｉｎｌ的直线与图像交于ｏ。（Ｘａ２，ｙａ２）、ｂ２（ｘｂ２，肋力和ｃ？（Ｘｃ２，弘２）、ｄ？（ｘｄ２，ｙｄ２），求得线段玎，ｂ？和ｃ，ｄ？的中点ｍ，和门２，连接ｍ，，月ｚ得直线ｍ，聍：，求ｍ，ｎｚ和口ｔｂ，的夹角幺：
式中：如岛＝嗍邕协４，
：匕２±！±２二丝２二羔韭
Ｘ口２＋Ｘｂ２一Ｘｃ２一Ｘｄ２
茬：ｒｇｏ一０２Ｉ≥占，则重复上述步骤直到第ｉ次，使直线ｍｉｎｉ乘１ａｉｂｉ的夹角只：
耻洲培篙
式中：七。：丝兰逝丝
Ｘ埘＋ＸＭ—Ｘｃｊ—Ｘ由
（２．５）
满足ｆ９０一只ｉ＜Ｆ，则直线ｒａｉｎｌ即为汽车纵轴线，直线ｒａｉｎｔ与ｚ轴的夹角即为汽车纵轴线偏置角口：
甜＝ａｒｃｔｇｋ。（２—６）逼近法求解的具体过程见图２－６。
图２－６汽车摆放偏置角逼近法求解流程
９
２．４检测精度对摄像头分辨率的要求分析
本研究设定系统前照灯近光照射方位角和汽车摆放位置偏置角检测精度分别为±５’，为保证系统达到这一目标，图２－１系统中ＣＣＤ摄像头１和２的分辨率是关键参数，本节通过分析摄像头分辨率对系统检测精度的影响，提出系统中摄像头分辨率的要求，为系统选用摄像头提供依据。
２．４．１检测误差分析
由前面介绍的前照灯近光照射方位角和汽车摆放位置偏置角检测原理和具体方法可知，前照灯近光照射方位角和汽车摆放位置偏置角最终计算的方法本质上是一样的，即通过空间两点坐标确定两点问连线的方位角，因此，系统前照灯近光照射方位角和汽车摆放位置偏置角检测误差分析原理相同。
设图２—７所示的间距为Ｌ的两平行平面（汽车摆放位置偏置角测量时是两设定的求解平面，前照灯近光照射方位角测量时是两投影屏幕板）上的Ａ、Ｂ两点，若根据摄像头分辨率在两平面确定的最小分辨单位长度为△，则图中线段ＡＢ的空间方位角最大误差为：Ａａ＝ａｒｃｔｇ警（２－７）
现△口要求小于等于５’，因此：
△≤０．０００７２７Ｌ（２．８）
ｌ
Ｌ
～～～彰
Ｂ
图２—７空间方位角误差分析
２．４．２汽车摆放位置摄像头分辨率要求
设汽车摆放位置摄像头取景范围为４．８ｍ×３．６ｍ，摄像头的分辨率为ｘＸｙ（一般的分辨率为６４０×４８０、１２８０×９６０、１９２０×１４４０、２５６０×１９２０），将摄像头取景长轴方向与汽车长度方向一致，则
△＝三磐旦（２．９）
设汽车摆放位置偏置角测量求解平面间隔为３５００ｍｍ，则据式（２．８）可知：
Ｘ≥１８８６
显然，选用１９２０×１４４０（通常所说的３００万像素）的摄像头即可满足系统要求。目前市场上３００万像素的单个摄像头不多见，但３００万像素的数码照相机比比皆是，有的甚至达到７００多万像素，因此只要采用高分辨率的摄像装备一定能使检测的误差降到尽可能的小。本研究在开始阶段，就以６４０Ｘ４８０和１２８０×９６０的摄像头来进行试验，目的在于探
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讨基本方法。在最后实车综合测量试验中使用了３００万像素的数码照相机。
２．４．３前照灯近光照射方位角摄像头分辨率要求
检测时，当前照灯在距屏幕１０ｍ处，由于光束明暗截止线转角或中点的高度应为０．７０～０．９０Ｈ（以乘用车的高度为参照），在此以轿车的近光灯为例：Ｈ＝０．７ｍ，这样的光束明暗截至线转角高度范围为：Ｏ．４９～Ｏ．６３ｍ，也就是说近光的光束照射方位角的最小值为：设汽车前照灯近光摄像头取景范围为１９２ｍｍＸ１４４ｒａｍ，摄像头的分辨率为ＸＸＹ，将摄像头取景长轴方向位于水平方向，则
△＝警（２一１０）
设两前照灯近光投影屏幕间距为３００ｍｍ，则据式（２－８）可知：
Ｘ≥８８０
显然，选用１２８０×９６０（通常所说的１３０万像素）的摄像头即可满足系统要求。本研究在开始阶段，就以６４０＞（４８０的摄像头来进行试验，目的在于探讨基本方法。在最后实车综合测量试验中使用了１３０万像素的摄像头。
３．１）：
图３－１图像获取装置
工作原理为：通过将输入电功率和对特殊类型检测能源敏感的传感器材料组合，把输入能源转变为电压。输出电压波形是传感器的响应，同时，一个数字量可从数字化该响应的每个传感器得到。
由传感器不同可分为ＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌ－ＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）和ＣＣＤ
（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅｓ）两种．目前大多采用ＣＣＤ作为图像获取的传感器。由于三种装置所使用的传感器数目不同，其获取图像的场合也不同，一般情况下，传感器数目越多．适应的场合也就越广。
大多数传感器的输出是连续电压波形，这些波形的幅度和空间特性都与感知的物理现
象有关，为了产生一幅数字图像，需要把连续的感知数据转换为数字形式。这就是采样和量化。．
图像的数字化在一般情况下，多指图像的空间取样，应包含两方面的内容：
（１）图像空间位置的数字化，即指图像的空间取样，通过采样把一幅完整的图像分
割成无数众多的离散像素组成的阵列。
（２）图像灰度的数字化，即指从图像灰度的连续变化中进行离散的采样。
所以一幅图像的数字化，实际是指在图像的空间采样和表示图像灰度的离散采样。
如果要把一幅图像数字化为数字图像，就要对原图像进行采样和量化。图像经过数字
化后，得到一个数字图像，这个数字图像实际上是原来连续图像的一个近似图像，为了得到对原图像的一个非常近似的图像，需要考虑取样个数和灰度级数。目前使用的灰度级数有２６＝６４级、２７＝１２８级和２８＝２５６级，通常量化为２５６个灰度级。
在数字图像处理技术中，对于连续函数坟ｘ，ｙ）所表示的图像在空间分布和幅度（亮度
和灰度）大小上都需要加以离散数字化。
对连续变化的图像在空间上作离散化的过程，称为对图像进行采样（或称为取样、抽
样），选取的采样点通常称为像素。由采样点组成的采样点阵可有不同形式。最常使用的
ｆ３
采样点阵是方形点阵。图像采样可分为一维采样和二维采样，在此不多叙述。
经过采样的图像，只是使其成为在空间上离散的像素阵列，每个取样样本成为像素。由于原ｆ（ｘ，ｙ）是连续图像，因此各个像素的值可能有无穷多个。为了便于进行计算机处理，必须把无穷多个离散值简化为有限个离散值，即量化，这样才便于赋予每一个离散值互异的编码以进入计算机。图像的量化可分为均匀量化和非均匀量化两种。
３．１．３数字图像的表示
取样和量化的结果是一个实际矩阵。假如一幅图像ｆ（ｘＪ）被取样，则产生的数字图像有Ｍ行和Ｎ列。现在，坐标（ｘ，ｙ）的值变成离散量。为表达清楚和方便起见，对这些离散坐标应该用整数。这样，原点的坐标值是（ｘ，ｙ）＝（０，Ｏ）。沿图像第一行的下一个坐标值用（Ｘ，ｙ）－（Ｏ，１）来表示。记住，用符号（Ｏ，１）表示沿第一行的第二个取样是很重要的，但它并不意昧着是图像取样的物理坐标实际值。
一个ＭＸＮ图像的矩阵形式表达为：
ｆ（ｘ，ｙ）＝ｆ（Ｏ，ｏ）
ｆ（１，ｏ）
ｆ（０，１）
ｆ（１，１）
ｆＱ，Ｎ－１）
ｆ（１，Ｎ－１）
ｆ（Ｍ一１，０）ｆ（Ｍ—ｌ，１）…ｆ（Ｍ－１，Ｎ－１）
（３．１）
这个表达式的右侧定义了一幅数字图像。矩阵中的每个元素称为图像单元、图像元素或像素。
数字化过程对于Ｍ、Ｎ值和每个像素允许的离散灰度级数Ｌ需要一个判定。对Ｍ和Ｎ除了必须取正整数外没有其它要求。然而，出于处理、存储和取样硬件的考虑，灰度级数Ｌ典型的取值是２的整数次幂：
上＝２‘（３．２）
这里，假设离散灰度级是等间隔的并且是区间［Ｏ，Ｌ－１】内的整数。有时灰度级取值范围称为图像的动态范围。把占有灰度级全部有效段的图像叫做高动态范围图像。当相当可观数目的像素呈现这样的特性时，图像就有较高对比度。相反，低动态范围的图像看上去似乎是冲淡了的灰暗格调。
数字ｂ是存储数字图像需要的比特数，有：
ｂ＝ＭＸＮＸｋ（３－３）当Ｍ＝Ｎ时，式（２．３）变为：
ｂ＝Ｎ２ｋ（３－４）
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３．１．４图像增强
图像增强是指对图像的某些特征，如边缘、轮廓、对比度等进行强调或尖锐化，以便于显示、观察或迸一步分析与处理。增强将不增加图像数据中的相关信息，但它将增加所选择特征的动态范围，从而使这些特征检测或识别更加容易。
图像增强按处理的空间不同可分为基于图像域的方法和基于变换域的方法。
基于图像域的方法，直接在图像所在的空间进行处理，也就是在像素组成的空间里直接对像素进行操作；而基于变换域的方法是在图像的变换域对图像进行间接处理。两者也就是空间域与频率域的图像增强方法。由于频率域的图像增强在本论文中没有涉及，因此在论文中对频率域的图像增强就不作具体介绍。
图像增强的最大困难是：很难对增强结果加以量化描述，只能靠经验及主观感觉加以评价。实际中，它常作为许多后续分析与处理的基础。
３．２图像处理系统
３．２．１ＭＡＴＬＡＢ图像处理系统
ＭＡＴＬＡＢ是Ｍａｔｈｗｏｒｋｓ公司于１９８２年推出的一套高性能的数值计算和可视化软件，它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好用户环境。历经十几年的发展和竞争，现已成为（ＩＥＥＥ）国际公认的最优秀的科技应用软件之一。作为一个跨平台的软件，ＭＡＴＬＡＢ已推出Ｕｎｉｘ、Ｗｉｎｄｏｗｓ９ｘ／ＮＴ、Ｌｉｎｕｘ和Ｍａｃ等十多种操作系统平台下的版本，大大方便了在不同操作系统平台下的研究工作。目前基于Ｗｉｎｄｏｗｓ系统的最新版本已上升到ＭＡＴＬＡＢ７．０，它继承了以往版本的优点，非常容易使用。
１、ＭＡＴＬＡＢ的特点
ＭＡＴＬＡＢ有三大特点：一是功能强大。主要包括数值计算和符号计算、计算结果和编程可视化、数学和文字统一处理、图像处理、离线和在线计算。二是界蘧友好，编程效率高。ＭＡＴＬＡＢ是一种以矩阵为基本单元的可视化程序设计语言，语法结构简单擞据类型单一，指令表达与标准教科书的数学表达式相近。三是开放性强。ＭＡＴＬＡＢ有很好的可扩充性，可以把它当成一种更高级的语言去使用。使用它很容易编写各神通用或专用应用程序。
２、ＭＡＴＬＡＢ的图像处理功能
ＭＡＴＬＡＢ之所以成为世界硕级的科学计算与数学应用软件，是囡为它随着版本的升级与不断完善而具有愈来愈强大的功能。
ＭＡＴＬＡＢ中图像处理工具包是由一系列支持图像处理操作的函数组成的。所支持的图像处理操作有：图像的几何操作、邻域和区域操作、图像变换、图像恢复与增强、线性
滤波和滤波器设计、变换（ＤＣＴ变换等）、图像分析和统计、二值图像操作等。下面就ＭＡＴＬＡＢ在图像处理中各方面的应用分别进行介绍。
（１）图像文件格式的读写和显示。ＭＡＴＬＡＢ提供了图像文件读入函数ｉｍｒｅａｄ０，用来读取如：ｂｍｐ、ｐｃｘ、ｔｉｆｆ、ｊｐｅｇ、ｈｄｆ、ｘｗｄ等格式图像文件；图像写出函数ｉｍ、砸ｔｃ（），还有图像显示函数ｉｍａｇｅ（）、ｉｍｓｈｏｗ０等等。
（２）图像处理的基本运算。ＭＡＴＬＡＢ提供了图像的和、差等线性运算，以及卷积、相关、滤波等非线性运算。例如，ｅｏｎｖ２（１，Ｊ）实现了Ｉ。Ｊ两幅图像的卷积。
（３）图像变换。ＭＡＴＬＡＢ提供了一维和二维离散傅立叶变换（ＤＦＴ）、快速傅立叶变换（ＦＦＴ）、离散余弦变换（ＤＣＴ）及其反变换函数，以及连续小波变换（ＣＷＴ）、离散小波变换（ＤＷＴ）及其反变换。
（４）图像的分析和增强。针对图像的统计计算，ＭＡＴＬＡＢ提供了校正、直方图均衡、中值滤波、对比度调整、自适应滤波等对图像进行的处理。
（５）图像的数学形态学处理。针对二值图像，ＭＡＴＬＡＢ提供了数学形态学运算函数：腐蚀（Ｅｒｏｄｅ）、膨胀（Ｄｉｌａｔｅ）算子，以及在此基础上的开（Ｏｐｅｎ）、闭（Ｃｌｏｓｅ）算予、厚化（Ｔｈｉｃｋｅｎ）、薄化（Ｔｈ蛐算子等丰富的数学形态学运算。以上所提到的ＭＡＴＬＡＢ在图像中的应用都是由相应的ＭＡＴＬＡＢ函数来实现的，使用时，只需按照函数的调用语法正确输入参数即可。具体的用法可参考ＭＡＴＬＡＢ丰富的帮助文档。
３．２．２图像处理系统的设计
图像获取装置的选择：在目前市场上，图像获取装置可选择摄像头、数码相机、摄像机、扫描仪等，考虑到现实情况最有可能的是选取摄像头和数码相机，对于两者，摄像头的价钱便宜，相对来说分辨率就低，两者各有优点，在学校里购买数码相机的过程复杂繁琐，而且经费上的问题，最终选取的图像获取装置为摄像头。
ｌ、摄像头的选取
目前市场上的摄像头按图像采集的原件分为ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅｓ）和ＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌ．ＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）的摄像头，选取ＣＣＤ还是ＣＭＯＳ的摄像头：ＣＣＤ电荷耦合器制作技术起步早，技术成熟，采用ＰＮ结或二氧化硅（ＳｉＯ，）隔离层隔离噪声，成像质量相对ＣＭＯＳ光电传感器有一定优势。由于ＣＭＯＳ光电传感器集成度高，各光电传感元件、电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰较严重，噪声对图像质量影响很大，使ＣＭＯＳ光电传感器很长一段时间无法进入实用。ＣＭＯＳ主要应用于较低影像品质的产品中，它的优点是制造成本、功耗较ＣＣＤ低，这也是市场有很多采用ＵＳＢ接口的产品无需外接电源且价格便宜的原因，ＣＭＯＳ摄像头对光源的要求较高，鉴于以上原因，在本论文的实验中采用ｃＣＤ的摄像头。
接下来就是摄像头（像素）的选取，对于摄像头的选取要依据实验中的对图像处理精度要求来选取，图像处理的精度要求就是在图像处理的过程中考虑由于分辨率的大小问题，而在图像像素的选取中存在的误差值而引起的检测精度的变化，因此，首先要依据一定的图像分辨率来计算存在的误差是否符合实验的要求，通过上一章的验算，分辨率为
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