实车碰撞试验室高速摄像系统设计浅析

杨康和

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）



实车碰撞试验室高速摄像系统设计浅析

杨康和

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

摘 要：碰撞试验是一项高速的、破坏性极大的试验项目，从全面掌握转瞬即逝的汽车碰撞过程来看，高速摄像系统是整个试验过程中十分重要的环节。文章介绍了实车碰撞试验中高速摄像系统的组成，并对高速摄像机和灯光照明设备的设计和选择进行了详细介绍。

关键词：碰撞试验；高速摄像；灯光照明；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

实车碰撞试验是综合评价汽车碰撞安全性能的最基本、最有效的方法，也是汽车研发过程中，设计人员了解碰撞过程，掌握有关碰撞数据，改进汽车安全设计的重要手段。实车碰撞试验是一项高速的、破坏性极大的试验项目，在碰撞过程中碰撞车辆车身变形、假人运动形态、安全气囊的开爆形态等具有不可预见性，仅使用简单的电测量方法很难全面的了解碰撞过程。从全面掌握转瞬即逝的汽车碰撞过程这一点来看，高速摄像系统是实车碰撞试验过程中十分重要的环节。

1、高速摄像系统的组成

实车碰撞试验中的高速摄像系统主要由高速摄像机和灯光照明设备两大部分构成。高速摄像机是整个高速摄像系统的核心部分，而灯光照明设备作为高速摄像系统的辅助设备，对高速摄像机能否完整记录试验过程起到决定性作用。

1.1 高速摄像机

在高速摄像机出现以前，在汽车碰撞试验中主要使用的是16mm胶片高速摄影机。使用高速摄影机获取碰撞过程序列影像时，在胶片处理中手工操作较多，影像处理周期长，当试验完成后，无法及时了解试验结果、胶片冲洗处理技术要求高，一旦操作失误，将给费用昂贵的汽车碰撞试验造成严重的经济损失。随着电子光学技术的发展，现在汽车碰撞试验中已大量使用全数字的新型高速摄像机。高速摄像机不仅可以记录高速运动图像，如碰撞过程中车辆形态变化、假人动态变化等，也可以用来分析位移、速度、加速度以及汽车零部件的其他碰撞参数。而且，高速摄像机影像获取过程自动化程度高，使用非常方便。

实车碰撞试验过程中，为全方位的记录试验过程，需要一整套的高速摄像机。整个一套的高速摄像机是针对碰撞瞬间要求设置的，可以说基本上要求的是全方位、立体式拍摄，为此要在不同的区域和角度放置多个相机，如图1所示。

图1　高速摄像机分布示意图

另外，由于对同一位置的变化量需要综合各个角度的数据加以剖析，所以对于同一位置所有相机拍摄的必须是同一时刻内的同一个画面，否则由于相机时差的不一致，在同一时刻拍摄的位置变化不是同一个外力所造成的结果（如下图所示），势必会使最终的试验结果分析出现偏差，进而影响整改方向和应对措施。因此，所有相机的同步性至关重要。在选择高速摄像机时，需要通过同步信号线缆将所有的高速摄像机联成一个多机系统，并通过一台控制电脑同步控制。控制电脑可以对高速摄像机进行系统设置，同步拍摄，同步下载，同步数据格式转换等，保证所有高速摄像机在拍摄时共享同一个时钟，使每张照片都同步。

图2　高速摄像机拍摄不同步示意图

1.2 灯光照明设备

灯光照明设备是高速摄像成功与否的重要环节，很多拍摄失败的事例都是由于光照强度不够，曝光不足，影响反差过小而导致画面模糊。所以，灯光照明设备的设计和选择也是至关重要的。

在灯光照明设备的设计和选择过程中，必须全面考虑其两个方面：

（1）光照度

高速摄像机的供应商倾向于以低光照度来展示其产品优势，他们认为有很多因素可以影响相机对光照的需求，通过调整光圈级数或者减少曝光时间，低光照度可以实现高速摄像。这个理论在普通领域里可能是对的，但对于高速摄像领域却不完全正确。

根据目前规划的碰撞试验室系统建设需求，在开启boost功能情况下，碰撞区域要求平均有120000Lux的光照度要求，同时地坑中应有55000Lux的光照度要求，这是在试验方案中主要测试区域的标准值。

Lux的值不是由CCD或CMOS传感器来决定的，是由灯光系统的光谱能量分布来决定的。接下来我们将对Lux进行计算。对于高速摄像系统，普遍采用CMOS高速相机进行摄像，其典型帧频为1000fps，曝光时间为1/5000或更少。这里我们选择光圈级数为5.6，快门开角为72，以此来计算高速相机所能感受到的光照度Lux：

常量因子A=25.5，帧频F=1000，光圈F=5.60，快门开角ShA=72，拍摄速度S=400

对于灯光系统，要求规定的Lux值是真实可信的（光谱和太阳光光谱基本吻合）。在系统的设计阶段，这些值将通过计算有效的光通量来再次验证，通过计算来选择相机供应商，也就是说公式中的F是通过计算确定的，而不是由相机供应商所提供的。

（2）有效照度

即便光照度是由Lux的测量来定义的，但是对于高速摄影和相机系统光照效率或更好的有效照度可能会有所不同。

LUX测量是通过一个传感器，其和人类双眼的敏感度类似（如图3（a））。但是重要的是，对于安全测试应用来讲，有效的辐照度是由摄影或视频的灵敏度来决定的（如图3 （b））。因此，光照系统更需要满足这个敏感度，而不仅仅这个照度值。

图3　光谱能量分布

为实现高速摄像系统所需有效照度，需满足一下几个条件：

（1）对于高质量的图像和良好的数据分析，特别是自动采集，照度分布的均匀性是非常重要的。照明区域均匀性要求：（Emax- Emin）/Emax ≤20%；

（2）需配备超稳定的光调制器，可以使图像至10000FPS下无闪烁；

（3）优秀高质量的高速摄像的色温应该在5600到6000 °K(日光)以上。

根据上述原则，开展灯光照明设备的设计。碰撞区域采用16盏HMI灯可满足高速摄像照明要求，为了不影响拍摄效果，将16盏灯分成两组，分别悬挂在碰撞拍摄区域的正上方，如图4所示。

图4　灯光照明设备示意图

2、结束语

在实车碰撞试验中，高速摄像技术能够获得丰富的信息，可以弥补电测量获得的一维信息对现象描述不直观、不全面的缺憾。用电测量获得的假人运动形态和车身形变数据和同步获取的高速摄像进行对照分析，可以观察和分析汽车碰撞过程中丰富的信息，为设计人员提供设计和改进车辆状态提供参考和依据。

本文通过对高速摄像系统中高速摄像机和灯光照明设备的主要参数和指标进行了简单分析，为碰撞试验室高速摄像系统的设计和选择提供参考依据。

参考文献

[1] 钟志华,汽车碰撞安全技术[M],北京理工大学出版社,2007.

[2] 赖鸣,兰山,黄广炎,邹浩.数字式高速摄像测试技术及其应用[J],实验技术与管理,2012.06.

[3] 张慧云,黄建民,柳立志.高速摄像技术在汽车安全试验中的应用[J],装备维修技术,2013年Z1期.

[4] 孙振东,李向荣.浅谈实车碰撞试验中的高速摄像[J],汽车与安全,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

作者简介：杨康和，大学本科，就职于安徽江淮汽车股份有限公司，主要从事整车装配工艺研究。

中图分类号：U467.4

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2016)03-135-03