基于高速摄像的汽车碰撞动态分析方法研究

李帆，漆岸凌，徐世平，邹阳，鲁鑫

中汽研汽车检验中心(武汉)有限公司，湖北武汉 430050

0 引言

视频图像处理技术广泛应用于工业、医疗、安全、管理等领域。运动目标的检测和跟踪是图像处理技术在视频序列图像处理方面的一个重要应用,在航天、交通、机器人视觉、视频监控、公共场所客流数据监测等场合发挥着重要作用，但受限于当时高速摄像的技术水平，该技术一直未能成为汽车检测领域内的关键技术。高速摄像作为汽车碰撞检测领域的辅助手段，记录碰撞的发生过程，采集碰撞过程中肉眼可辨的变形移动过程。随着近十年来科学技术水平的快速发展，国内外研究高速相机系统的厂家或研究机构均取得了较大的技术进步，国外在汽车检测领域内的高速相机供应商如日本的NAC、美国的VISION、德国的PRO等。国内也是在被国外技术封锁了近几十年后，在西安光机所(中国科学院光电技术研究所)研发下高速相机的应用也只局限于军工、航天、冶金行业。

本文基于高速摄像的运动参数图像解析方法，通过高速摄像机拍摄汽车碰撞过程，应用TEMA视频图像分析软件进行视频图像处理分析，对目标点的运动轨迹进行了多项式拟合，得到目标点轨迹曲线，并与试验传感器测试获取曲线进行对比，以验证该方法的可行性。

1 动态分析原理

1.1 高速摄像成像原理

高速相机与普通相机的区别在于拍摄帧率，即每秒能够获得的照片数目，汽车碰撞检测领域的视频帧率普遍要求在1 000帧/s。高速摄像动态分析就是根据画面上的目标点位置、形状、颜色等特征对其进行提取定位，然后比较目标点在画面上不同时刻的运动变化，从而得出目标点在画面中的运动参数。最后得出目标点在画面上的运动状态后，还需要将其与实物进行对应。相机成像原理如图1所示。

图1 相机成像原理

根据相机成像原理，假设画面中位移为，实际位移为，像距为，物距为，镜头直径为，则有：

(1)

1.2 动态分析过程

建立参考平面，该平面与目标点运动分析方向相平行，如图2所示。试验准备时，测量参考平面及目标点到相机的距离分别为、，测量参考平面上基准点至的距离为，其在相机画面内有个像素间隔点，总距离为，镜头直径及相距为高速相机固有参数。则根据式(1)可知每个像素点对应的实际距离为：

(2)

假设目标点在一段时间内从运动到，运动距离为。假设两个时间点的定格画面之间在运动分析方向有个像素间隔点，距离为，则根据式(1)可知运动距离为：

(3)

=

(4)

图2 参考平面与目标点的运动分析

2 汽车碰撞典型工况下的动态分析应用

2.1 汽车行李箱冲击试验

标准GB 15083—2019规定，在开展行李箱冲击试验时，座椅头枕部分的前轮廓不能向前方移出一横向垂面，此平面经过座椅点前方150 mm处的点。

根据标准要求，需要对头枕部分在车辆方向进行动态分析。在试验准备阶段将高速相机垂直于车辆平面的方向拍摄，并设置参考平面使其与车辆平面平行。试验前需测量3个参数，分别是：参考平面到高速相机镜头距离，参考平面上方向上设置点到点的距离为，测量目标点到相机距离为。此次采用高速摄像机参数如下：拍摄帧率为1 000帧s；分辨率为1 920×1 080。行李箱冲击试验如图3所示。应用高速摄像和位移传感器同时对座椅头枕进行测试，得出座椅头枕方向位移对比曲线如图4所示。

图3 行李箱冲击试验

图4 座椅头枕X方向位移对比曲线

由图3和图4可以看出，两种测试手段得出的运动曲线基本一致，而传感器测量的位移峰值比高速摄像动态分析得出的位移峰值稍大，这是由于头枕在运动过程中除了方向的运动，还包含了其他两个方向的运动，位移传感器测得的是头枕目标点的合成位移，从这一点来看，高速摄像动态分析得出的方向位移曲线更符合标准要求。综上所述，基于高速摄像的动态分析方法应用在行李箱冲击试验中是有效的。

2.2 儿童乘员用约束系统动态试验

标准GB 27887—2011《机动车儿童乘员用约束系统》规定，在开展儿童约束系统动态试验中假人位移需满足以下要求：前向儿童约束系统，假人的头部不应超过图5所规定的平面和平面。因此根据标准要求，需要对假人头部在车辆方向和方向进行动态分析。试验前需测量4个参数，分别是：参考平面到高速相机镜头距离，参考平面上方向上设置点到点的距离为以及在方向上设置点到点的距离为，测量目标点到相机距离为。此次采用高速摄像机参数如下：拍摄帧率1 000帧s；分辨率为1 920×1 080。儿童乘员用约束系统动态试验如图6所示。

图5 前向试验装置的布置

图6 儿童乘员用约束系统动态试验

应用高速摄像和加速度传感器同时对假人头型进行测试，将加速度传感器信号进行积分得出位移信号并对零位移时刻进行相关设置，得出儿童头型在方向和方向的位移对比曲线如图7和图8所示。

图7 儿童头型X方向位移对比曲线

图8 儿童头型Z方向位移对比曲线

由图7和图8可以看出，采用高速摄像动态分析与传感器测量得出的运动曲线基本一致。综上所述，基于高速摄像的动态分析方法应用在儿童乘员用约束系统动态评价中是有效的。

3 高速摄像动态分析的优缺点

3.1 动态分析优点

汽车碰撞试验属于一次性破坏性试验，具有不可重复性，目前试验室进行数据采集普遍是在车身上加装传感器的方式获得目标点的运动参数，但对于碰撞损坏严重区域，由于碰撞试验的破坏性，则无法直接获得碰撞过程中的变形位移数据。而高速摄像动态分析，只要画面中可以捕捉到目标点，就可以进行高速摄像动态分析，因此高速摄像动态分析相比传感器测量方式具有数据可靠性的优点。此外，高速摄像动态分析主要工作在于前期的数据测量和后期软件分析上的人力消耗，并且在同样一个视频画面中，可以同时分析多个目标点的运动参数；而传感器成本比较高、试验需求量大，并且在碰撞试验中有损坏风险，因此高速摄像动态分析相比传感器测量方式具有成本低的优势。

3.2 动态分析缺点

基于高速摄像的动态分析必须保证测量点是可见的，意味着目标点必须在被测物体的外表面。一般在发动机舱内或者车内隐蔽处，无法直接用高速相机拍摄到的位置便无法开展动态分析，因此该方法存在一定的局限性。另外，基于高速摄像的动态分析方法需要在试验准备阶段满足以下3个条件：①摄像机垂直于目标点运动方向;②参考平面要与目标点运动方向相平行;③相关计算参数的准确性。因此，该方法对于试验的前期准备工作的精确性要求较高。

4 高速摄像动态分析应用趋势

高速摄像动态分析作为一种新的检测方法，在汽车碰撞检测领域内其实已经得到了广泛的关注，最基础的座椅动态试验，如假人鞭打试验等。基于现在汽车电子技术发展，利用高速摄像动态分析来解决汽车研发过程中的各类位移、速度和加速度变化对整车安全、节能和环保智能化方面的影响，尤其是在实车碰撞试验、行人保护试验、模拟台车试验等领域的广泛应用正在不断地完善高速视频动态分析的测试方法。同时，近几年来高速视频3D动态分析也正在逐渐从军工、航天领域开始向汽车检测领域推广应用，对于后期车辆自动驾驶、监管评价等试验应用奠定了良好的基础。

5 结束语

本文基于高速摄像动态分析的基本原理，将其应用在汽车检测领域内的典型案例中，并与传感器测量数据进行对比，说明了其在汽车碰撞测试领域的有效性；同时指出了将该方法应用在汽车碰撞检测领域内的典型场景和局限性，以期为相关领域的研究人员提供一定的参考。