基于機器視覺的汽車儀表盤功能測試方法的研究

摘 要：作為汽車在行駛過程中的狀態(tài)反饋界面，儀表盤是駕駛員在行駛過程中獲取汽車狀態(tài)的重要渠道，文章利用機器視覺[1]技術(shù)代替人眼來對儀表盤中報警燈狀態(tài)、指針儀表狀態(tài)和字符等進行功能檢測，實現(xiàn)對汽車儀表盤狀態(tài)信息的自動化測試。

關(guān)鍵詞：機器視覺；儀表盤；報警燈；指針儀表；字符

1 概述

汽車控制儀表盤的信號主要包括數(shù)字信號、模擬信號和CAN總線信號[2]等，當(dāng)儀表盤接收到對應(yīng)的信號后會點亮對應(yīng)的指示燈或使儀表指針發(fā)生轉(zhuǎn)動。在儀表盤進入整車實驗之前，必須對儀表盤的功能進行全方位的測試，而為了減少整車實驗次數(shù)和降低實驗成本，須在模擬整車環(huán)境下對汽車儀表盤進行功能測試。當(dāng)汽車儀表盤接收到對應(yīng)傳感器上的信號時，傳統(tǒng)方法中我們是通過人工觀測來判斷儀表指示燈是否亮滅，儀表指示燈的顏色是否正確，儀表的指針是否指到對應(yīng)的刻度等。很明顯這種方法受人工因素影響較大，特別是在測試指針刻度時，不同的測試人員在不同的測試時間得到的測試結(jié)果可能不一樣，容易產(chǎn)生誤判。為了適應(yīng)汽車電子儀表的快速發(fā)展，需大大提高汽車儀表檢測的自動化程度和準(zhǔn)確程度。機器視覺技術(shù)是用相機代替人眼進行檢測，這種技術(shù)不但可以大大提高檢測效率，還可以提高檢測的自動化程度。

2 機器視覺系統(tǒng)的硬件設(shè)計

如圖1所示，典型的機器視覺系統(tǒng)一般包括圖像的采集、圖像的處理和分析和圖像的輸出和控制。本系統(tǒng)設(shè)計的硬件部分主要包括暗箱、儀表盤夾具、運動導(dǎo)軌、光源、智能相機和通信模塊。

2.1 光源

光源是機器視覺的重要組成部分，它的選取直接影響著圖像采集的質(zhì)量，本設(shè)計中整個系統(tǒng)處于密閉的暗箱中，光源負(fù)責(zé)照明。本系統(tǒng)采用環(huán)形LED光源[3]，21V直流供電，光源的位置放在儀表盤和相機的中間。

2.2 相機和鏡頭

系統(tǒng)獲取到的圖像是由相機采集的，因此相機的選取決定著整個機器視覺系統(tǒng)功能能否實現(xiàn)。本設(shè)計選取的是美國COGNEX公司的CCD型智能相機In-Sight Micro1403C[4]，如圖2所示。

2.3 相機I/O模塊

智能相機與外部通訊是通過擴展模塊CIO-MICRO實現(xiàn)的。如圖3所示，擴展模塊通過M12接頭和M8接頭與相機連接，M12接頭（綠線）為網(wǎng)絡(luò)通信提供以太網(wǎng)連接并為視覺系統(tǒng)提供電源，M8接頭（黃線）提供到采集觸發(fā)器輸入端和高速輸出端的連接。擴展模塊為相機提供三種與外部的通訊方式，包括TCP/IP通訊[5]、串口通訊和數(shù)字量通訊。

3 機器視覺系統(tǒng)的軟件設(shè)計

機器視覺軟件主要包括對儀表盤中指示燈狀態(tài)、指針儀表狀態(tài)和字符等進行功能檢測。本設(shè)計采用COGNEX公司提供的相機自帶的開發(fā)環(huán)境Insight Explore，該軟件有兩種編程界面：EasyBuilder開發(fā)界面和電子表格開發(fā)界面，本設(shè)計的圖像處理部分都是在電子表格界面開發(fā)的。

3.1 指示燈狀態(tài)檢測

汽車指示燈包括左轉(zhuǎn)燈、右轉(zhuǎn)燈、機油、壓力、安全氣囊、ABS燈、ESP燈等。以左轉(zhuǎn)燈為例，當(dāng)左轉(zhuǎn)燈亮和滅的時候，左轉(zhuǎn)燈位置的灰度[6]是不一樣的，如圖4所示，首先確定左轉(zhuǎn)燈的位置，左圖中所示區(qū)域就是左轉(zhuǎn)燈的位置，外圍區(qū)域是搜索區(qū)域的位置，調(diào)用提取灰度的函數(shù)ExtractHistogram，得到此時所示區(qū)域的平均灰度值21。當(dāng)左轉(zhuǎn)燈接收到信號后被點亮，如圖4右圖所示，此時檢測到所示區(qū)域的平均灰度值為45。在實時檢測的時候，設(shè)定灰度的閾值為30，若檢測到所示區(qū)域的灰度值小于30，就判定此時左轉(zhuǎn)燈沒被點亮，若大于30，則判定左轉(zhuǎn)燈接收到信號被點亮。

3.2 指針儀表位置的檢測

通過測量指針旋轉(zhuǎn)的角度換算成儀表對應(yīng)的刻度來實現(xiàn)。以車速表為例，當(dāng)指針接收到仿真信號發(fā)生轉(zhuǎn)動時，首先將指針區(qū)域轉(zhuǎn)化為二值圖像，以0刻度作為起始點。調(diào)用函數(shù)FindMultiLine來尋找0刻度的兩條邊，確定邊的原則是邊的兩邊灰度是不一樣的。尋找到0刻度的兩條邊，記為0和1，根據(jù)邊的坐標(biāo)得到起始點的坐標(biāo)。接著將指針移動到的位置記為終點。根據(jù)指針兩邊的灰度不同，找到指針的兩條邊，同樣記為0和1，根據(jù)邊的坐標(biāo)得到終點的坐標(biāo)。因為指針儀表的形狀是一個圓形，儀表的正中間也是一個黑色的圓，調(diào)用函數(shù)FindCircle來獲取圓的位置，圖中確定圓的算法是在兩個圈的中間尋找，根據(jù)灰度的不同來確定圓的位置。圖中所示區(qū)域即是尋找到的圓，根據(jù)圓的位置可以得到圓心的坐標(biāo)。最后將前面步驟中得到了起點的坐標(biāo)、終點的坐標(biāo)和圓心的坐標(biāo)，連接起點和圓心的坐標(biāo)，終點和圓心的坐標(biāo)，會得到兩條連線的夾角，而儀表盤的刻度又是均勻的，通過夾角可以換算出此時指針對應(yīng)的刻度。

3.3 字符的檢測

儀表盤中需要檢測的字符包括0-9、a-z和A-Z等，以字符0-9為例，具體實現(xiàn)方法：

（1）在檢測字符時，字符間的差距很大，如字符的大小、形狀和字體都會影響檢測的結(jié)果，必須先建立一個標(biāo)準(zhǔn)字符庫，作為以后檢測時的模板，調(diào)用函數(shù)TrainFont訓(xùn)練字符，通過訓(xùn)練分割出的字符得到字符庫。

（2）有了字符模板庫，在檢測字符時，只需將檢測到的字符與模板庫進行比對即可，如圖5所示區(qū)域為檢測到的字符。

4 結(jié)束語

文章將機器視覺系統(tǒng)應(yīng)用于汽車電子系統(tǒng)設(shè)計階段的驗證測試，本項目的研究將有助于我國汽車電子系統(tǒng)開發(fā)驗證方法的改進，對我國汽車電子系統(tǒng)的研發(fā)，尤其是新能源汽車電子系統(tǒng)的研究開發(fā)具有重要的現(xiàn)實意義。

參考文獻

[1]機器視覺科技技術(shù)百度百科[EB/OL].http：//baike.baidu.com/link？url=8kpdtj1mMoMeSr5NKvqh7tsn7rtAEkGWtMMNNFcfrdA7RE1ECREjNY

VU5jy3f6_eel0R7Ya23RWFDB2jdskxQzArPuCmzwtC2LxMggFsUfW.

[2]曹曉琳.汽車CAN總線數(shù)字組合儀表設(shè)計[J].汽車工程，2010，32（1）.

[3]李英杰.MATLAB與CCU之間的TCP/IP通訊技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用[J].

計算技術(shù)及自動化，2010，30（4）.

[4]李炳乾.LED環(huán)形光源研制[J].照明工程學(xué)報，2007，18（1）：64-6.

[5]Cognex vision toolbox manuals available at http：//www.cognex.com.[EB/OL].

[6]鄭運平.一種新的灰度圖像表示算法研究[J].計算機學(xué)報，2010，33（12）.

作者簡介：陶旭東（1994，11-），男，漢族，浙江紹興人，嘉興學(xué)院學(xué)生，測控技術(shù)與儀器專業(yè)。

*通訊作者：楊立娜