一种轮胎花纹深度测量装置及轮胎花纹深度计算方法与流程

本发明属于电子信息技术领域，尤其涉及机器视觉技术，特别是一种轮胎花纹深度测量装置及轮胎花纹深度计算方法。

背景技术：

汽车轮胎的花纹的主要作用是增加胎面与路面间的摩擦力，对汽车的动力性、制动性、转向操纵性和行驶安全性等性能有重要影响作用。为了保证汽车的行驶安全性，需要对在用轮胎的磨损量进行限制。

测量轮胎花纹深度是评价轮胎磨损状态的直接方法。目前在生活中通常用目测的方法对轮胎花纹深度进行评价，在检测线上则用轮胎花纹深度尺进行轮胎花纹的测量。第一种方法的误差较大，第二种方法测试方法应用不便，效率较低，严重制约了汽车轮胎花纹深度检测的工作效率。

如何对轮胎花纹的深度进行快速准确地测量是本领域亟待解决的重要问题之一。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的轮胎磨损检测不能实现非接触式检测的问题提供一种轮胎花纹深度测量装置及轮胎花纹深度计算方法。

本发明提出了一种轮胎花纹深度测量装置，其中，包括轮胎支撑台、线激光器、高速连续拍摄的ccd工业摄像机和触发装置；所述轮胎支撑台用于支撑待测量的轮胎；所述触发装置位于所述支撑台的上侧，所述触发装置与所述线激光器、所述ccd工业摄像机电连接；所述线激光器用于产生稳定的线结构光，并投射到待检测轮胎的表面形成一条激光断面轮廓光条；所述ccd工业摄像机位于所述支撑台正下方，所述支撑台是透明的，当轮胎从所述支撑台上滚过时，所述触发装置工作，所述ccd工业摄像机能够等时间间隔连续捕获线结构光投射到轮胎上所形成的多幅轮胎外廓光条图像。

本发明还提出了一种轮胎花纹深度计算方法，其中，具体包括如下步骤：

s1、连续捕获不少于五幅轮胎外廓光条图像；

s2、对各幅轮胎外廓光条图像进行处理，得到基于像素坐标的光条中心线，将光条中心线上的像素的坐标转化为世界坐标，得到基于世界坐标的轮胎外廓曲线；

s3、识别各轮胎外廓曲线上轮胎花纹的位置和深度；

s4、对各位置的深度按时间序列进行样条拟合，得到深度与时间的函数关系式；

s5、对s4中所获得的函数关系式求导，得到导数为零的点所对应的时间点，并根据深度与时间的函数求出该时间点所对应的深度。

如上所述的轮胎花纹深度计算方法，其中，优选的是，所述s1中具体包括以下步骤：

s101、利用线激光产生稳定的线结构光，并投射到轮胎轮廓表面形成一条激光断面轮廓光条；

s102、触发相机，对行驶中的轮胎进行等时间间隔连续拍摄，且连续拍摄的轮胎外廓光条图像不少于5幅；

s103、将拍摄的轮胎外廓光条图像按拍摄顺序传输到计算机。

如上所述的轮胎花纹深度计算方法，其中，优选的是，所述s2中具体包括以下步骤：

s201、获得各幅轮胎外廓光条图像上线结构光条的中心线；

s202、将各中心线上的各像素的坐标转换为世界坐标。

如上所述的轮胎花纹深度计算方法，其中，优选的是，所述s3中具体包括以下步骤：

s301、对获得的光条中心线上的像素对应的世界坐标进行样条插值，得到轮胎外廓拟合曲线；

s302、对获得的光条中心线上的像素对应的世界坐标进行多项式拟合，得到轮胎外廓拟合曲线外凸方向的外包络曲线；

s303、将轮胎外廓拟合曲线与外廓拟合曲线外凸方向的外包络曲线作差，得到差值曲线；

s304、求差值曲线的最小值，并记录差值曲线上的所有差值小于0.6倍最小差值的点；

s305、将取出点的横坐标按升序排列，得到x坐标升序排列序列；

s306、对x坐标升序排列序列进行差分，得到x坐标差分序列；

s307、用x坐标差分序列减去x坐标差分序列的平均值，取符号后加1，所有大于平均值的点，其值为2，所有小于平均值的点，其值为0，得到x坐标标记序列；

s308、找出x坐标标记序列中所有不等于0的点，并记录x坐标标记序列的第一个点，得到单一的沟底标记点序列，记录沟底标记点序列相邻点之间的x坐标差值；

s309、在沟底标记点序列对应的各点两侧与相邻的标记点之间坐标差值0.5倍的范围内，得到差值曲线上的最小值，并记录横坐标和深度值，得到轮胎外廓光条图像上的各花纹深度；

s310、重复步骤301-309，直到计算出所有轮胎外廓光条图像上的轮胎花纹位置和深度。

如上所述的轮胎花纹深度计算方法，其中，优选的是，s302中所采用的多项式为8阶多项式。

如上所述的轮胎花纹深度计算方法，其中，优选的是，所述s4中具体包括以下步骤：

s401、将各曲线上所测量的花纹深度值，按照横坐标位置排序；

s402、对比所有曲线上相同顺序的轮胎花纹所对应的横坐标值，x坐标相近的花纹为同一个直纹所对应的花纹深度；

s403、将同一个轮胎直纹所对应的各深度按拍摄时间顺序排列得到深度序列，并从第一幅开始，按照时间间隔建立时间序列；

s404、采用二次多项式，分别对各直纹所对应的花纹深度按照时间序列进行拟合，得到所有直纹所对应的深度随时间变化关系。

如上所述的轮胎花纹深度计算方法，其中，优选的是，所述s5中具体包括以下步骤：

s501、对轮胎直纹所对应的深度时间关系曲线进行求导，求0导数所对应的时间；

s502、在轮胎直纹所对应的深度时间关系曲线上，求0导数时间所对应的深度，该深度就是该直纹所对应的深度；

s503、重复步骤s501-s502，得到所有直纹所对应的轮胎花纹深度。

本发明的有益效果是：

本发明提出的一种轮胎花纹深度测量装置，将线激光投射到轮胎轮廓表面上形成一个激光断面轮廓光条；利用一台ccd摄像机，连续捕获行驶中的轮胎的外廓形状光条图像；对捕获的轮胎轮廓图像进行图像处理获得光条中心线，并将光条中心线像素坐标转换为世界坐标；根据获得的轮廓线世界坐标，识别各幅图像中所拍摄的轮胎花纹位置和深度；对轮胎直纹所对应的花纹深度和拍摄时间进行拟合，形成拟合曲线，基于拟合曲线求导，寻找到真实的轮胎花纹深度。本方法对触发位置没有严格要求，能够适应各种大小直径轮胎的测试需求，具有较好的可靠性。此外，本方法所用的轮胎外廓光条图像在轮胎滚动的过程中就能够获得，检测更加简便。

附图说明

图1为本发明具体实施方式提出的轮胎花纹深度测量装置的结构示意图；

图2为本发明具体实施方式提出的轮胎花纹深度计算方法的步骤流程图；

图3为本发明具体实施方式提出的s1的具体步骤流程图；

图4为本发明具体实施方式提出的s2的具体步骤流程图；

图5为本发明具体实施方式提出的s3的具体步骤流程图；

图6为本发明具体实施方式提出的s4的具体步骤流程图；

图7为本发明具体实施方式提出的s5的具体步骤流程图；

图8为本发明具体实施方式提出的轮胎花纹深度计算方法的等时间间隔测量的5幅轮胎外廓光条图像；

图9为本发明具体实施方式提出的轮胎花纹深度计算方法获得的5幅单像素图像；

图10为本发明具体实施方式提出的轮胎花纹深度计算方法获得的5条轮胎外廓拟合曲线；

图11为本发明具体实施方式提出的轮胎花纹深度计算方法的轮胎外廓拟合曲线的外凸方向的包络线；

图12为本发明具体实施方式提出的轮胎花纹深度计算方法获得的轮胎外廓拟合曲线与轮胎外廓拟合曲线的外凸方向的包络线的差值曲线图；

图13为本发明具体实施方式提出的轮胎花纹深度计算方法得到的差值曲线；

图14为本发明具体实施方式提出的轮胎花纹深度计算方法对沟底标记点x坐标进行排序图；

图15为本发明具体实施方式提出的轮胎花纹深度计算方法对排序后的沟底标记点x坐标序列进行差分得到差分序列的示意图；

图16为本发明具体实施方式提出的轮胎花纹深度计算方法得到的标记序列示意图；

图17为本发明具体实施方式提出的轮胎花纹深度计算方法将标记序的第一个点和非零点取出得到的沟底对应序列的示意图；

图18为本发明具体实施方式提出的轮胎花纹深度计算方法在花纹差值曲线上找到的沟底对应序列所对应的花纹底部点及对应的花纹深度示意图；

图19为本发明具体实施方式提出的轮胎花纹深度计算方法对花纹深度曲线进行拟合得到的曲线图；

图20为本发明具体实施方式提出的轮胎花纹深度计算方法得到的深度拟合曲线上导数为零的位置所对应的花纹深度示意图。

附图标记说明：

1-支撑台，2-线激光器，3-ccd工业摄像机，4-触发装置，5-轮胎。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进一步说明，附图仅作为对本发明实施方式的说明和解释，不应被理解为对本发明的限定。

图1为本发明具体实施方式提出的轮胎花纹深度测量装置的结构示意图。如图1所示，包括轮胎支撑台1、线激光器2、高速连续拍摄的ccd工业摄像机3和触发装置4；所述轮胎支撑台1用于支撑待测量的轮胎5；所述触发装置4位于所述支撑台1的上侧，所述触发装置4与所述ccd工业摄像机3连接；如此，通过触发装置4能够对线激光器2及ccd工业摄像机3的启动进行控制。所述线激光器2用于产生稳定的线结构光，并投射到待检测轮胎5的表面形成一条激光断面轮廓光条；所述ccd工业摄像机3位于所述支撑台1正下方，所述支撑台1是透明的，轮胎5从所述支撑台1上滚过时，当轮胎5前缘越过所述触发装置4时，触发所述ccd工业摄像机3，且能够等时间间隔连续捕获多幅线结构光投射到轮胎5上所形成的轮胎外廓光条图像。如此，能够在车辆行驶状态下，拍摄轮胎多个部位的外廓图像，能够获得多个位置的轮胎花纹深度信息，也可以避免单幅拍摄时由于车速与触发时间不协调而引起的捕捉不到轮胎外廓光条图像的问题，整个测试系统的鲁棒性更好。

本发明具体实施方式还提出了一种轮胎花纹深度计算方法，下面以某次测量为例，请参照图6到图20，为该次计算过程中产生的图线，以便对于本方法的阐述和理解，不作为对于本发明具体实施方式的限制。

图2为本发明具体实施方式提出的轮胎花纹深度计算方法的步骤流程图；图3为本发明具体实施方式提出的s1的具体步骤流程图；图4为本发明具体实施方式提出的s2的具体步骤流程图；图5为本发明具体实施方式提出的s3的具体步骤流程图；图6为本发明具体实施方式提出的s4的具体步骤流程图；图7为本发明具体实施方式提出的s5的具体步骤流程图，图8为本发明具体实施方式提出的轮胎花纹深度计算方法的等时间间隔测量的5幅轮胎外廓光条图像；图9为本发明具体实施方式提出的轮胎花纹深度计算方法获得的5幅单像素图像；图10为本发明具体实施方式提出的轮胎花纹深度计算方法获得的5条轮胎外廓拟合曲线；图11为本发明具体实施方式提出的轮胎花纹深度计算方法的轮胎外廓拟合曲线的外凸方向的包络线。图12为本发明具体实施方式提出的轮胎花纹深度计算方法获得的轮胎外廓拟合曲线与轮胎外廓拟合曲线的外凸方向的包络线的差值曲线图。图13为本发明具体实施方式提出的轮胎花纹深度计算方法得到的差值曲线。图14为本发明具体实施方式提出的轮胎花纹深度计算方法对沟底标记点x坐标进行排序图。图15为本发明具体实施方式提出的轮胎花纹深度计算方法对排序后的沟底标记点x坐标序列进行差分得到差分序列的示意图。图16为本发明具体实施方式提出的轮胎花纹深度计算方法得到的标记序列示意图。图17为本发明具体实施方式提出的轮胎花纹深度计算方法将标记序的第一个点和非零点取出得到的沟底对应序列的示意图。图18为本发明具体实施方式提出的轮胎花纹深度计算方法在花纹差值曲线上找到的沟底对应序列所对应的花纹底部点及对应的花纹深度示意图。图19为本发明具体实施方式提出的轮胎花纹深度计算方法对花纹深度曲线进行拟合得到的曲线图。图20为本发明具体实施方式提出的轮胎花纹深度计算方法得到的深度拟合曲线上导数为零的位置所对应的花纹深度示意图。

请参照图2到图20，本发明还提出了一种轮胎花纹深度计算方法，其中包括以下步骤：s1、连续捕获不少于五幅线结构光轮胎外廓光条图像。具体实施时，相邻两轮胎外廓光条图像的拍摄时间间隔相等，记录下所记录图像上花纹深度随时间变化信息。s2、对各幅轮胎外廓光条图像进行处理，得到基于像素坐标的光条中心线，将光条中心线上的像素的坐标转化为世界坐标，得到基于世界坐标的轮胎外廓曲线，获得坐标表示的实际轮胎外廓曲线的大小和形状信息。s3、识别各轮胎外廓曲线上轮胎花纹的位置和深度，判断花纹的位置和深度是关键技术，所设计算法能够使得测试程序智能的判断各种花纹条数、各种轮胎花纹深度的轮胎上的花纹位置和深度，能满足各种直纹轮胎的测试要求。s4、对各位置的深度按时间序列进行样条拟合，得到深度与时间的函数关系，基于多个测量点的信息获得轮胎花纹深度，能够降低随机误差的影响。s5、对s4中所获得的函数关系式求导，得到导数为零的点所对应的时间点，并根据深度与时间的函数求出该时间点所对应的深度。

下面结合某次测量作进一步说明：某轮胎直纹数为四条，以连续拍摄照片数5张为例，具体实施时，s1中包括如下步骤：s101、利用线激光产生稳定的线结构光，并投射到轮胎轮廓表面形成一条激光断面轮廓光条；s102、触发相机，对行驶中的轮胎进行等时间间隔连续拍摄，且连续拍摄的轮胎外廓光条图像不少于5幅；s103、将拍摄的轮胎外廓光条图像按拍摄顺序传输到计算机。具体地，将一字型线结构光投射到轮胎轮廓表面形成激光断面轮廓光条，通过触发装置触发相机，等时间间隔捕获不少于5幅光条图像，将相机拍摄图像传输到计算机保存，如图8所示，其中，五幅光条图按拍摄的时间顺序排列。

s2中具体包括以下步骤：s201、获得各幅轮胎外廓光条图像上线结构光条的中心线；s202、将各中心线上的各像素的坐标转换为世界坐标。具体实施时，对各光条轮廓图像进行处理得到光条中心线的单像素轮廓图，所得结果如图9所示。将各单像素中心线的图像坐标转换为世界坐标。

接着对各轮胎外廓曲线上的花纹进行识别，确定沟底位置及花纹深度，具体步骤为：s301、对获得的光条中心线上的像素对应的世界坐标进行样条插值，获得轮胎外廓拟合曲线，拟合曲线如图10所示，其中，拟合得出的曲线具有能够反映出轮胎花纹的沟槽，同时，获得外廓曲线的数学表达形式，方便后续的作差计算；s302、对获得的光条中心线上的像素对应的世界坐标进行多项式拟合，得到轮胎外廓拟合曲线外凸方向的外包络曲线，具体实施时采用8阶多项式对轮胎外廓拟合曲线进行拟合，得到轮胎外廓外凸方向外包络曲线，近似结果如图11所示，其中，轮胎外廓外凸方向外包络曲线为平滑的曲线，本步骤中所得到的轮胎外廓曲线的外凸方向的包络线是测量花纹深度的基准；s303、用等间距拟合曲线与外廓外凸方向的外包络曲线进行相减，得到差值曲线，结果如图12所示，花纹深度信息就蕴含在差值曲线中，差值最小的代表轮胎所有的花纹中深度最深的花纹，其他花纹的深度与这个深度相近。s304、求差值曲线的最小值，并记录所有差值小于0.6倍最小差值的点，差值小于0.6倍最小差值的点，全部在各花纹的底部，基于这个标准，将花纹所在位置估测出来，这些点中，x坐标相近的点，在同一个花纹中，x坐标差别比较大的点，在不同的花纹中。如此，能够滤除非花纹点，所得结果如图13所示；s305、将取出点的横坐标按升序排列，得到x坐标升序排列序列，结果如图14所示，差分序列中，数值较大的点，表示不同直纹的点x坐标相减，数值接近于零的点，表示同一直纹中的点x坐标相减，依据差分值的大小，可以将不同花纹的x坐标区分出来。s306、对升序排列序列，进行差分，得到差分序列，所得差分序列如图15所示，s307、差分序列减去平均值，取符号后加1，即：将差分序列减去平均值，差值小于0的记为-1，差值大于0的记为+1，然后再分别加1，使得所有大于平均值的点，其值为2，所有小于平均值的点，其值为0，得到标记序列，结果如图16所示，此处是以差分值的平均值作为判断依据，高于平均值的，认为是不同花纹深度相减，低于平均值的，认为是同一花纹深度里的x坐标相减，这样可以为程序自动判断和识别轮胎花纹打下基础。s308、找出标记序列中所有不等于0的点，并记录标记序列的第一个点，得到单一的沟底标记点序列，如图17所示，其中，方形标记为对应的点，经过此步，获得了与花纹一一对应的x点坐标，识别出了花纹位置。s309、在沟底标记点序列对应的各点附近，具体实施时，在沟底标记点序列对应的各点两侧与相邻的标记点之间坐标差值0.5倍的范围内，寻找差值曲线上的最小值，并记录横坐标和深度值，得到一幅轮胎外廓光条图像上的花纹深度；s310、重复s301-s309，直到计算出所有曲线上的轮胎花纹位置和深度，结果如图18所示，具体实施时，在每个花纹识别位置的左右两侧到下一个花纹位置的1/2距离范围内，寻找差值曲线上差值最小的点，这个点的差值就对应这个花纹的深度。

s4中的具体步骤为：s401、将各曲线上所测量的花纹深度值，按照横坐标位置排序；s402、对比所有曲线上相同顺序的轮胎花纹所对应的横坐标值，x坐标相近的花纹为同一个直纹所对应的花纹深度；s403、将同一个轮胎直纹所对应的各深度按顺序排列的到深度序列，并从第一幅开始，按照时间间隔建立时间序列。s404、采用二次多项式，分别对各直纹所对应的花纹深度按照时间序列进行拟合，得到所有直纹所对应的深度随时间变化关系，如图19所示，图中分别为拟合得到的四条花纹深度随时间变化的曲线，如此，得到了线结构光投射到5个不同位置时，所获得的图像上轮胎外廓曲线上的深度变化规律；

s5中具体包括以下步骤：s501、对轮胎直纹所对应的深度时间关系曲线进行求导，求0导数所对应的时间；s502、在轮胎直纹所对应的深度时间关系曲线上，求0导数时间所对应的深度，该深度就是该直纹所对应的深度；s503、重复步骤s501-s502，得到所有直纹所对应的轮胎花纹深度。具体实施时，在拟合的深度曲线上，求出导数为零的点所对应的深度值，即得到所要测量的轮胎花纹深度，如图20所示，其中方形标记对应的纵坐标为花纹深度值，如此，同一花纹的深度值由5个点的测试信息共同得到，能够消除单次测量随机误差的影响，结果更准确。测量结果与实际结果如表1所示。可见，该方法能够弥补单一照片测量所引起的较大误差，具有较好的精度和鲁棒性。

实用使用时，采用5幅照片拍摄，相当于进行了5次测量，这些测量结果所得到的深度，符合二项式分布，用二次多项式拟合的结果，可以相机测是本身随机误差所引起的误差。

表1

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。本领域技术人员能够理解的是，图2到图15为某次测量过程中所得到的曲线，而非对于本方法的限定。