實車碰撞試驗室高速攝像系統設計淺析

楊康和

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

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實車碰撞試驗室高速攝像系統設計淺析

楊康和

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

摘 要：碰撞試驗是一項高速的、破壞性極大的試驗項目，從全面掌握轉瞬即逝的汽車碰撞過程來看，高速攝像系統是整個試驗過程中十分重要的環節。文章介紹了實車碰撞試驗中高速攝像系統的組成，并對高速攝像機和燈光照明設備的設計和選擇進行了詳細介紹。

關鍵詞：碰撞試驗；高速攝像；燈光照明；照度

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.045

CLC NO.: U467.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-135-03

前言

實車碰撞試驗是綜合評價汽車碰撞安全性能的最基本、最有效的方法，也是汽車研發過程中，設計人員了解碰撞過程，掌握有關碰撞數據，改進汽車安全設計的重要手段。實車碰撞試驗是一項高速的、破壞性極大的試驗項目，在碰撞過程中碰撞車輛車身變形、假人運動形態、安全氣囊的開爆形態等具有不可預見性，僅使用簡單的電測量方法很難全面的了解碰撞過程。從全面掌握轉瞬即逝的汽車碰撞過程這一點來看，高速攝像系統是實車碰撞試驗過程中十分重要的環節。

1、高速攝像系統的組成

實車碰撞試驗中的高速攝像系統主要由高速攝像機和燈光照明設備兩大部分構成。高速攝像機是整個高速攝像系統的核心部分，而燈光照明設備作為高速攝像系統的輔助設備，對高速攝像機能否完整記錄試驗過程起到決定性作用。

1.1 高速攝像機

在高速攝像機出現以前，在汽車碰撞試驗中主要使用的是16mm膠片高速攝影機。使用高速攝影機獲取碰撞過程序列影像時，在膠片處理中手工操作較多，影像處理周期長，當試驗完成后，無法及時了解試驗結果、膠片沖洗處理技術要求高，一旦操作失誤，將給費用昂貴的汽車碰撞試驗造成嚴重的經濟損失。隨著電子光學技術的發展，現在汽車碰撞試驗中已大量使用全數字的新型高速攝像機。高速攝像機不僅可以記錄高速運動圖像，如碰撞過程中車輛形態變化、假人動態變化等，也可以用來分析位移、速度、加速度以及汽車零部件的其他碰撞參數。而且，高速攝像機影像獲取過程自動化程度高，使用非常方便。

實車碰撞試驗過程中，為全方位的記錄試驗過程，需要一整套的高速攝像機。整個一套的高速攝像機是針對碰撞瞬間要求設置的，可以說基本上要求的是全方位、立體式拍攝，為此要在不同的區域和角度放置多個相機，如圖1所示。

圖1　高速攝像機分布示意圖

另外，由于對同一位置的變化量需要綜合各個角度的數據加以剖析，所以對于同一位置所有相機拍攝的必須是同一時刻內的同一個畫面，否則由于相機時差的不一致，在同一時刻拍攝的位置變化不是同一個外力所造成的結果（如下圖所示），勢必會使最終的試驗結果分析出現偏差，進而影響整改方向和應對措施。因此，所有相機的同步性至關重要。在選擇高速攝像機時，需要通過同步信號線纜將所有的高速攝像機聯成一個多機系統，并通過一臺控制電腦同步控制。控制電腦可以對高速攝像機進行系統設置，同步拍攝，同步下載，同步數據格式轉換等，保證所有高速攝像機在拍攝時共享同一個時鐘，使每張照片都同步。

圖2　高速攝像機拍攝不同步示意圖

1.2 燈光照明設備

燈光照明設備是高速攝像成功與否的重要環節，很多拍攝失敗的事例都是由于光照強度不夠，曝光不足，影響反差過小而導致畫面模糊。所以，燈光照明設備的設計和選擇也是至關重要的。

在燈光照明設備的設計和選擇過程中，必須全面考慮其兩個方面：

（1）光照度

高速攝像機的供應商傾向于以低光照度來展示其產品優勢，他們認為有很多因素可以影響相機對光照的需求，通過調整光圈級數或者減少曝光時間，低光照度可以實現高速攝像。這個理論在普通領域里可能是對的，但對于高速攝像領域卻不完全正確。

根據目前規劃的碰撞試驗室系統建設需求，在開啟boost功能情況下，碰撞區域要求平均有120000Lux的光照度要求，同時地坑中應有55000Lux的光照度要求，這是在試驗方案中主要測試區域的標準值。

Lux的值不是由CCD或CMOS傳感器來決定的，是由燈光系統的光譜能量分布來決定的。接下來我們將對Lux進行計算。對于高速攝像系統，普遍采用CMOS高速相機進行攝像，其典型幀頻為1000fps，曝光時間為1/5000或更少。這里我們選擇光圈級數為5.6，快門開角為72，以此來計算高速相機所能感受到的光照度Lux：

常量因子A=25.5，幀頻F=1000，光圈F=5.60，快門開角ShA=72，拍攝速度S=400

對于燈光系統，要求規定的Lux值是真實可信的（光譜和太陽光光譜基本吻合）。在系統的設計階段，這些值將通過計算有效的光通量來再次驗證，通過計算來選擇相機供應商，也就是說公式中的F是通過計算確定的，而不是由相機供應商所提供的。

（2）有效照度

即便光照度是由Lux的測量來定義的，但是對于高速攝影和相機系統光照效率或更好的有效照度可能會有所不同。

LUX測量是通過一個傳感器，其和人類雙眼的敏感度類似（如圖3（a））。但是重要的是，對于安全測試應用來講，有效的輻照度是由攝影或視頻的靈敏度來決定的（如圖3 （b））。因此，光照系統更需要滿足這個敏感度，而不僅僅這個照度值。

圖3　光譜能量分布

為實現高速攝像系統所需有效照度，需滿足一下幾個條件：

（1）對于高質量的圖像和良好的數據分析，特別是自動采集，照度分布的均勻性是非常重要的。照明區域均勻性要求：（Emax- Emin）/Emax ≤20%；

（2）需配備超穩定的光調制器，可以使圖像至10000FPS下無閃爍；

（3）優秀高質量的高速攝像的色溫應該在5600到6000 °K(日光)以上。

根據上述原則，開展燈光照明設備的設計。碰撞區域采用16盞HMI燈可滿足高速攝像照明要求，為了不影響拍攝效果，將16盞燈分成兩組，分別懸掛在碰撞拍攝區域的正上方，如圖4所示。

圖4　燈光照明設備示意圖

2、結束語

在實車碰撞試驗中，高速攝像技術能夠獲得豐富的信息，可以彌補電測量獲得的一維信息對現象描述不直觀、不全面的缺憾。用電測量獲得的假人運動形態和車身形變數據和同步獲取的高速攝像進行對照分析，可以觀察和分析汽車碰撞過程中豐富的信息，為設計人員提供設計和改進車輛狀態提供參考和依據。

本文通過對高速攝像系統中高速攝像機和燈光照明設備的主要參數和指標進行了簡單分析，為碰撞試驗室高速攝像系統的設計和選擇提供參考依據。

參考文獻

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[2] 賴鳴,蘭山,黃廣炎,鄒浩.數字式高速攝像測試技術及其應用[J],實驗技術與管理,2012.06.

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[4] 孫振東,李向榮.淺談實車碰撞試驗中的高速攝像[J],汽車與安全,2002年1期.

Real vehicle crash simulation of high-speed camera system design is analysed

Yang Kanghe
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Abstract:Crash test is a high speed and destructive test project.From fully grasp the fleeting car collision process, the high-speed camera system throughout the test is a very important part.In this paper, the composition of the high-speed camera system in the real vehicle crash test is introduced, and the design and selection of the high-speed camera and the lighting equipment are introduced in detail.

Keywords:crash test; high-speed camera; lighting; illumination

作者簡介：楊康和，大學本科，就職于安徽江淮汽車股份有限公司，主要從事整車裝配工藝研究。

中圖分類號：U467.4

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)03-135-03