基于CATIA的客車內外監控視野校核設計

歐陽鵬飛,張群政,羅仔翼,王徐洋

(中車時代電動汽車股份有限公司,湖南 株洲 412007)

城市客車車載視頻監控系統是城市治安監控系統的重要組成[1]。車載監控能幫助用戶了解和掌握行車情況和車輛內部的治安動態情況,方便辦案人員調查取證和專案偵察,同時也是公交公司進行運營管理的主要手段,監控視頻上傳到公交后臺,能讓后臺有效了解駕駛員開車時動作的規范程度、公司要求的諸如人行道禮讓等運營規定的執行情況、車廂內客流實時空滿度。本文探討通過CATIA軟件進行車輛內外監控視野校核的方法。

1 建立攝像頭視野模型

1.1 攝像頭工作原理

目標物體通過攝像頭的鏡頭(LENS)生成光學圖像投射到圖像傳感器上,光信號轉變為電信號,再經過AC/DC(模數轉換)變為數字圖像信號,最后送到DSP(數字信號處理芯片)中進行加工處理,由DSP將信號處理成特定格式的圖像傳輸到顯示屏上進行顯示,其工作原理如圖1所示[2]。

圖1 攝像頭視野成像工作原理

攝像頭的水平視場角、垂直視場角主要與感光傳感器的尺寸[3]和鏡頭的焦段有關：圖像傳感器尺寸越大,采集的像素點越多,視場角越大;鏡頭焦段越小,可視距離越近,視場角越大;鏡頭焦段越大,可視距離越遠,視場角越小。

1.2 確定攝像頭配置方案

以某款10.5 m純電動城市客車為例,根據GB/T 19056—2021《汽車行車記錄儀》[4]、JT/T 1094—2016《營運客車安全技術條件》[5]以及JT/T 794—2019《道路運輸車輛 衛星定位系統終端》[6],純電動城市客車應具備覆蓋車輛前方路況、面向駕駛員、覆蓋油門踏板、駕駛區、乘客區、乘客門區的視頻監控。根據已有經驗,該車的攝像頭配置方案見表1。

表1 10.5 m城市客車監控系統配置

1.3 創建攝像頭視野模型庫

首先使用CATIA軟件[7]建立2.1 mm油門攝像頭視野模型。根據輸入的水平、垂直視場角度,拉伸4個對應成夾角的外廓曲面來模擬視野模型。新建product,將2.1 mm油門攝像頭模型插入product結構下,進入創成式外形設計,在鏡頭上建立20 mm×20 mm基準面以及一個平行于基準面的偏移500 mm的平面。使用拉伸指令,分別提取基準面草圖的4個邊,拉伸為曲面。再使用面操作的旋轉指令,將拉伸的水平曲面旋轉57°,垂直曲面旋轉29°,形成基準視野模型。在4個基準模型的曲面上創建4個無限平面,使用線操作中的相交指令,將4個無限平面的兩兩相交線找到。使用切割命令,將4個相交棱線在基準平面和偏移平面中切割成線段,再將4條線段的末端依次用直線連接,使用相合命令合成閉合輪廓,最終使用多截面曲線將相合輪廓和20 mm×20 mm基準平面拉面,得到本文的模擬視野模型,另存為零件part,以便后期調整視野。

上述2.1 mm油門攝像頭模型建立后,測量視野模型的水平視場角為82°(見圖2模型水平視場角),垂直視場角為114°(見圖3模型垂直視場角),模型參數復核合格,且模型的景深是可編輯參數(見圖4模型景深參數可調)。然后按照同樣方法建立其他攝像頭視野的模型庫。圖5為駕駛室攝像頭模型,圖6為二合一攝像頭模型。

圖2 模型水平視場角

圖3 模型垂直視場角

圖4 模型景深參數可調

圖5 駕駛室攝像頭模型

圖6 二合一攝像頭模型

2 CATIA建模視野與真實視野對比

視野校核的主要影響因素是攝像鏡頭的水平視場角、垂直視場角的參數,鏡頭的邊緣等微小參數可忽略不計[8-9]。為驗證該方法的效果,根據攝像頭在三維模型上的裝配,本文做了一組實車測試。CATIA建模視野與實車觀測視野效果對比如下：

1) 前車廂視野對比。從圖7可以看出,實車視野左邊界到駕駛員包圍,右邊界到右前輪罩處,上邊界到頂蓋,下邊界到駕駛員包圍前,景深均在禁止站立區域,與模型視野完全一致。

圖7 前車廂實車視野與模型視野

2) 后車廂視野對比。從圖8可以看出,實車視野左邊界到中乘客門前,右邊界到殘疾人區域,上邊界到車頂,下邊界到禁止站立前方,景深從禁止站立區貫穿致車尾,與模型視野完全一致。

圖8 后車廂實車視野與模型視野

3) 駕駛室視野對比。從圖9可以看出,實車視野左到駕駛區玻璃,右到前乘客門,上到前擋風玻璃,下到駕駛員包圍,與模型視野完全一致。

圖9 駕駛室實車視野與模型視野

4) 中門區視野對比。從圖10可以看出,實車視野左右邊界為中門前三排座椅到中門后一排座椅,上下邊界覆蓋乘客門區域,與模型視野完全一致。

圖10 中門實車視野與模型視野

5) 駕駛員區視野對比。從圖11可以看出,實車視野左右邊界為駕駛員包圍扶手到駕駛員左風窗玻璃,上下視野為駕駛員頂蓋到儀表臺上方,與模型視野完全一致。

圖11 駕駛員區實車視野與模型視野

6) 加速踏板區視野對比。從圖12可以看出,實車視野左右邊界為加速踏板到轉向管柱,上下邊界覆蓋加速踏板區域,與模型視野保持一致。但實車視野中部被儀表臺和地板遮擋,而模型視野穿透了遮擋物體,便于觀察。由此可見,越是空間狹小、結構復雜區域,仿真效果更為簡單明了。

圖12 加速踏板實車視野與模型視野

7) 車輛前方視野對比。從圖13可以看出,實車前方左右視野有立柱,而本文模型中沒有建立對應場景的數模,因此無法對比。實車前方上下視野顯示車輛前保險杠區域有明顯盲區,在模型視野中同樣出現視野盲區(三角形區域),可見車輛前方上下視野實車與模型完全一致。

圖13 前方實車視野模型與模型視野

從上述比較可知,模型視野能夠完美復現實車視野,可用此方法校核整車監控視野[9]。基于CATIA的模型視野校核方法有以下優點：

1) 操作便捷性。此方法可以根據攝像頭的性能參數建立視野模型,且可以隨時調整景深、角度范圍等,比現場調校視野更加容易操作,且無需采購攝像頭樣品來進行試驗,節約時間和成本。

2) 直觀有效性。本方法與傳統的CAD三視圖校核方法相比,效果更加簡單直觀,能輕松判斷視野是否被遮擋,能夠剖開車體結構,使加速踏板、電池艙內等結構復雜的區域也能輕松校核視野盲區。

3) 可以建立模塊化數據庫。本方法建立的視野模型,能夠調整視野的水平視場角和垂直視場角,并與不同性能的攝像頭裝配使用,可搭建起工程化的攝像頭視野數模庫,調用簡單[10]。

3 結束語

本文把CATIA建模的方法引入攝像頭視野校核,解決了車載監控設計校核視野覆蓋的難題,通過實車驗證證明模型視野與真實視野基本無偏差,極大提升了視野校核的便利性。