基于高速攝像的汽車(chē)碰撞動(dòng)態(tài)分析方法研究

李帆，漆岸凌，徐世平，鄒陽(yáng)，魯鑫

中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心(武漢)有限公司，湖北武漢 430050

0 引言

視頻圖像處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、安全、管理等領(lǐng)域。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)和跟蹤是圖像處理技術(shù)在視頻序列圖像處理方面的一個(gè)重要應(yīng)用,在航天、交通、機(jī)器人視覺(jué)、視頻監(jiān)控、公共場(chǎng)所客流數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等場(chǎng)合發(fā)揮著重要作用，但受限于當(dāng)時(shí)高速攝像的技術(shù)水平，該技術(shù)一直未能成為汽車(chē)檢測(cè)領(lǐng)域內(nèi)的關(guān)鍵技術(shù)。高速攝像作為汽車(chē)碰撞檢測(cè)領(lǐng)域的輔助手段，記錄碰撞的發(fā)生過(guò)程，采集碰撞過(guò)程中肉眼可辨的變形移動(dòng)過(guò)程。隨著近十年來(lái)科學(xué)技術(shù)水平的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外研究高速相機(jī)系統(tǒng)的廠(chǎng)家或研究機(jī)構(gòu)均取得了較大的技術(shù)進(jìn)步，國(guó)外在汽車(chē)檢測(cè)領(lǐng)域內(nèi)的高速相機(jī)供應(yīng)商如日本的NAC、美國(guó)的VISION、德國(guó)的PRO等。國(guó)內(nèi)也是在被國(guó)外技術(shù)封鎖了近幾十年后，在西安光機(jī)所(中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所)研發(fā)下高速相機(jī)的應(yīng)用也只局限于軍工、航天、冶金行業(yè)。

本文基于高速攝像的運(yùn)動(dòng)參數(shù)圖像解析方法，通過(guò)高速攝像機(jī)拍攝汽車(chē)碰撞過(guò)程，應(yīng)用TEMA視頻圖像分析軟件進(jìn)行視頻圖像處理分析，對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了多項(xiàng)式擬合，得到目標(biāo)點(diǎn)軌跡曲線(xiàn)，并與試驗(yàn)傳感器測(cè)試獲取曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證該方法的可行性。

1 動(dòng)態(tài)分析原理

1.1 高速攝像成像原理

高速相機(jī)與普通相機(jī)的區(qū)別在于拍攝幀率，即每秒能夠獲得的照片數(shù)目，汽車(chē)碰撞檢測(cè)領(lǐng)域的視頻幀率普遍要求在1 000幀/s。高速攝像動(dòng)態(tài)分析就是根據(jù)畫(huà)面上的目標(biāo)點(diǎn)位置、形狀、顏色等特征對(duì)其進(jìn)行提取定位，然后比較目標(biāo)點(diǎn)在畫(huà)面上不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)變化，從而得出目標(biāo)點(diǎn)在畫(huà)面中的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。最后得出目標(biāo)點(diǎn)在畫(huà)面上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)后，還需要將其與實(shí)物進(jìn)行對(duì)應(yīng)。相機(jī)成像原理如圖1所示。

圖1 相機(jī)成像原理

根據(jù)相機(jī)成像原理，假設(shè)畫(huà)面中位移為，實(shí)際位移為，像距為，物距為，鏡頭直徑為，則有：

(1)

1.2 動(dòng)態(tài)分析過(guò)程

建立參考平面，該平面與目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)分析方向相平行，如圖2所示。試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)，測(cè)量參考平面及目標(biāo)點(diǎn)到相機(jī)的距離分別為、，測(cè)量參考平面上基準(zhǔn)點(diǎn)至的距離為，其在相機(jī)畫(huà)面內(nèi)有個(gè)像素間隔點(diǎn)，總距離為，鏡頭直徑及相距為高速相機(jī)固有參數(shù)。則根據(jù)式(1)可知每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)際距離為：

(2)

假設(shè)目標(biāo)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)從運(yùn)動(dòng)到，運(yùn)動(dòng)距離為。假設(shè)兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的定格畫(huà)面之間在運(yùn)動(dòng)分析方向有個(gè)像素間隔點(diǎn)，距離為，則根據(jù)式(1)可知運(yùn)動(dòng)距離為：

(3)

=

(4)

圖2 參考平面與目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)分析

2 汽車(chē)碰撞典型工況下的動(dòng)態(tài)分析應(yīng)用

2.1 汽車(chē)行李箱沖擊試驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)GB 15083—2019規(guī)定，在開(kāi)展行李箱沖擊試驗(yàn)時(shí)，座椅頭枕部分的前輪廓不能向前方移出一橫向垂面，此平面經(jīng)過(guò)座椅點(diǎn)前方150 mm處的點(diǎn)。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，需要對(duì)頭枕部分在車(chē)輛方向進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段將高速相機(jī)垂直于車(chē)輛平面的方向拍攝，并設(shè)置參考平面使其與車(chē)輛平面平行。試驗(yàn)前需測(cè)量3個(gè)參數(shù)，分別是：參考平面到高速相機(jī)鏡頭距離，參考平面上方向上設(shè)置點(diǎn)到點(diǎn)的距離為，測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)到相機(jī)距離為。此次采用高速攝像機(jī)參數(shù)如下：拍攝幀率為1 000幀s；分辨率為1 920×1 080。行李箱沖擊試驗(yàn)如圖3所示。應(yīng)用高速攝像和位移傳感器同時(shí)對(duì)座椅頭枕進(jìn)行測(cè)試，得出座椅頭枕方向位移對(duì)比曲線(xiàn)如圖4所示。

圖3 行李箱沖擊試驗(yàn)

圖4 座椅頭枕X方向位移對(duì)比曲線(xiàn)

由圖3和圖4可以看出，兩種測(cè)試手段得出的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)基本一致，而傳感器測(cè)量的位移峰值比高速攝像動(dòng)態(tài)分析得出的位移峰值稍大，這是由于頭枕在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中除了方向的運(yùn)動(dòng)，還包含了其他兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，位移傳感器測(cè)得的是頭枕目標(biāo)點(diǎn)的合成位移，從這一點(diǎn)來(lái)看，高速攝像動(dòng)態(tài)分析得出的方向位移曲線(xiàn)更符合標(biāo)準(zhǔn)要求。綜上所述，基于高速攝像的動(dòng)態(tài)分析方法應(yīng)用在行李箱沖擊試驗(yàn)中是有效的。

2.2 兒童乘員用約束系統(tǒng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)GB 27887—2011《機(jī)動(dòng)車(chē)兒童乘員用約束系統(tǒng)》規(guī)定，在開(kāi)展兒童約束系統(tǒng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中假人位移需滿(mǎn)足以下要求：前向兒童約束系統(tǒng)，假人的頭部不應(yīng)超過(guò)圖5所規(guī)定的平面和平面。因此根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，需要對(duì)假人頭部在車(chē)輛方向和方向進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。試驗(yàn)前需測(cè)量4個(gè)參數(shù)，分別是：參考平面到高速相機(jī)鏡頭距離，參考平面上方向上設(shè)置點(diǎn)到點(diǎn)的距離為以及在方向上設(shè)置點(diǎn)到點(diǎn)的距離為，測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)到相機(jī)距離為。此次采用高速攝像機(jī)參數(shù)如下：拍攝幀率1 000幀s；分辨率為1 920×1 080。兒童乘員用約束系統(tǒng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)如圖6所示。

圖5 前向試驗(yàn)裝置的布置

圖6 兒童乘員用約束系統(tǒng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

應(yīng)用高速攝像和加速度傳感器同時(shí)對(duì)假人頭型進(jìn)行測(cè)試，將加速度傳感器信號(hào)進(jìn)行積分得出位移信號(hào)并對(duì)零位移時(shí)刻進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，得出兒童頭型在方向和方向的位移對(duì)比曲線(xiàn)如圖7和圖8所示。

圖7 兒童頭型X方向位移對(duì)比曲線(xiàn)

圖8 兒童頭型Z方向位移對(duì)比曲線(xiàn)

由圖7和圖8可以看出，采用高速攝像動(dòng)態(tài)分析與傳感器測(cè)量得出的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)基本一致。綜上所述，基于高速攝像的動(dòng)態(tài)分析方法應(yīng)用在兒童乘員用約束系統(tǒng)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)中是有效的。

3 高速攝像動(dòng)態(tài)分析的優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 動(dòng)態(tài)分析優(yōu)點(diǎn)

汽車(chē)碰撞試驗(yàn)屬于一次性破壞性試驗(yàn)，具有不可重復(fù)性，目前試驗(yàn)室進(jìn)行數(shù)據(jù)采集普遍是在車(chē)身上加裝傳感器的方式獲得目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，但對(duì)于碰撞損壞嚴(yán)重區(qū)域，由于碰撞試驗(yàn)的破壞性，則無(wú)法直接獲得碰撞過(guò)程中的變形位移數(shù)據(jù)。而高速攝像動(dòng)態(tài)分析，只要畫(huà)面中可以捕捉到目標(biāo)點(diǎn)，就可以進(jìn)行高速攝像動(dòng)態(tài)分析，因此高速攝像動(dòng)態(tài)分析相比傳感器測(cè)量方式具有數(shù)據(jù)可靠性的優(yōu)點(diǎn)。此外，高速攝像動(dòng)態(tài)分析主要工作在于前期的數(shù)據(jù)測(cè)量和后期軟件分析上的人力消耗，并且在同樣一個(gè)視頻畫(huà)面中，可以同時(shí)分析多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)；而傳感器成本比較高、試驗(yàn)需求量大，并且在碰撞試驗(yàn)中有損壞風(fēng)險(xiǎn)，因此高速攝像動(dòng)態(tài)分析相比傳感器測(cè)量方式具有成本低的優(yōu)勢(shì)。

3.2 動(dòng)態(tài)分析缺點(diǎn)

基于高速攝像的動(dòng)態(tài)分析必須保證測(cè)量點(diǎn)是可見(jiàn)的，意味著目標(biāo)點(diǎn)必須在被測(cè)物體的外表面。一般在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)或者車(chē)內(nèi)隱蔽處，無(wú)法直接用高速相機(jī)拍攝到的位置便無(wú)法開(kāi)展動(dòng)態(tài)分析，因此該方法存在一定的局限性。另外，基于高速攝像的動(dòng)態(tài)分析方法需要在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段滿(mǎn)足以下3個(gè)條件：①攝像機(jī)垂直于目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向;②參考平面要與目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向相平行;③相關(guān)計(jì)算參數(shù)的準(zhǔn)確性。因此，該方法對(duì)于試驗(yàn)的前期準(zhǔn)備工作的精確性要求較高。

4 高速攝像動(dòng)態(tài)分析應(yīng)用趨勢(shì)

高速攝像動(dòng)態(tài)分析作為一種新的檢測(cè)方法，在汽車(chē)碰撞檢測(cè)領(lǐng)域內(nèi)其實(shí)已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注，最基礎(chǔ)的座椅動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，如假人鞭打試驗(yàn)等。基于現(xiàn)在汽車(chē)電子技術(shù)發(fā)展，利用高速攝像動(dòng)態(tài)分析來(lái)解決汽車(chē)研發(fā)過(guò)程中的各類(lèi)位移、速度和加速度變化對(duì)整車(chē)安全、節(jié)能和環(huán)保智能化方面的影響，尤其是在實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)、行人保護(hù)試驗(yàn)、模擬臺(tái)車(chē)試驗(yàn)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用正在不斷地完善高速視頻動(dòng)態(tài)分析的測(cè)試方法。同時(shí)，近幾年來(lái)高速視頻3D動(dòng)態(tài)分析也正在逐漸從軍工、航天領(lǐng)域開(kāi)始向汽車(chē)檢測(cè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用，對(duì)于后期車(chē)輛自動(dòng)駕駛、監(jiān)管評(píng)價(jià)等試驗(yàn)應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于高速攝像動(dòng)態(tài)分析的基本原理，將其應(yīng)用在汽車(chē)檢測(cè)領(lǐng)域內(nèi)的典型案例中，并與傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，說(shuō)明了其在汽車(chē)碰撞測(cè)試領(lǐng)域的有效性；同時(shí)指出了將該方法應(yīng)用在汽車(chē)碰撞檢測(cè)領(lǐng)域內(nèi)的典型場(chǎng)景和局限性，以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員提供一定的參考。