基于高速摄像的汽车碰撞动态数据分析技术

刘倩博

摘 要：汽车碰撞试验是评估车辆安全性的核心环节，而高速摄像技术在这一过程中发挥着不可或缺的作用，通过捕捉车辆在碰撞瞬间的高速动态，测试车辆在碰撞条件下的物理反应。本文提出了一种基于高速摄像的汽车碰撞动态数据分析技术，通过数据捕捉、关键帧与时刻标记的方式记录并分析碰撞动态过程，为车辆安全性能评估提供支持。

关键词：高速摄像机 汽车碰撞实验 动态数据分析

汽车碰撞动态数据分析的目的在于，根据车辆碰撞中的关键数据来评估车辆的安全性能以及设计效果，能够为汽车设计与改进提供必要支持。但传统的碰撞测试方法往往是根据碰撞后的车辆损伤程度、乘员受伤程度进行评估，时效性差且存在安全隐患。而高速摄像技术可以准确记录并重现碰撞中的每一处细节，识别图像中的像素变化从而判断车辆形变与乘员动态分析，大大提高了碰撞实验的时效性与准确性。

1 高速摄像机技术参数

1.1 分辨率和帧率

摄像机的分辨率和帧率决定了图像的清晰度，所以需采用至少1920x1080的分辨率，由于碰撞过程发生极快，通常在几十毫秒至几百毫秒之间，因此需要极高的帧率来记录这一过程，高速摄像机的帧率应该达到至少1000帧/秒，以捕捉足够的动态信息。

1.2 焦距选择和视角设计

焦距的选取直接影响到摄像机的视场角（FOV），而视场角则决定了摄像机能够捕获的碰撞事件范围，视场角可以通过以下公式计算：

（1）

其中，d表示攝像机感光元件的尺寸，f为摄像机的焦距。碰撞测试中，要求摄像机能够实时监控并记录车辆的结构变形、安全带状态变化、乘员动态等[1]。对此本文引入了一种基于图像处理的实时监测算法，利用连续帧间的像素差异来检测和跟踪车辆碰撞过程中的关键动态，算法的核心是连续帧间像素差异的计算，可以用以下公式表示：

（2）

其中，Dt（x，y）表示在时间t和像素位置（x，y）的像素差异，It（x，y）和It-1（x，y）分别是连续两帧在（x，y）位置的像素值。通过对Dt（x，y）的阈值处理和连续性分析，可以实时检测车辆碰撞过程中的关键变化。

1.3 景深的控制和影响

景深控制是指在一定的摄像机设置和环境条件下，保持图像清晰度的范围。在捕捉汽车碰撞动态时，适当的景深对于保持碰撞过程中各个部分的清晰可见至关重要，景深可通过下列公式近似计算：

（3）

其中DOF表示景深，N是光圈值，c代表环圈模糊标准（即接受的最大模糊圆直径），u是被摄物体到镜头的距离，而f是焦距。

2 汽车碰撞动态数据的获取与分析

2.1 碰撞实验设计

汽车碰撞测试主要分为正面碰撞、侧面碰撞、后端碰撞，模拟实际交通事故中可能发生的不同情景，以评估车辆在各种碰撞情况下的安全性能。

正面碰撞测试能够检验车辆对驾驶室的保护能力，车辆以一定的速度向固定障碍物前进，这种碰撞的动力学可通过以下公式表示：

（4）

其中F是碰撞时产生的力，m是车辆的质量，a是碰撞时的加速度，正面碰撞测试的关键在于观察驾驶室的结构完整性以及安全带、气囊是否正常运作。

侧面碰撞测试则关注车辆在侧向受力时的安全性能，模拟另一辆车撞击被测试车辆的侧面，这种碰撞的动能可以用以下公式计算：

（5）

其中KE代表动能，m是撞击车辆的质量，v是其速度，侧面碰撞测试重点评估车门、窗户和侧面气囊的防护能力。

后端碰撞测试评估车辆在被其他车辆从后方撞击时的安全性，重点是乘员颈部和脊椎的保护，翻车测试则是评估车辆在翻滚过程中的结构强度和乘员保护系统的有效性，可以实时计算其加速度和撞击力，这个算法可以通过以下公式实现：

（6）

其中at是在时间t的加速度，Δv是在短时间Δt内的速度变化，Ft是在时间t中的撞击力。通过这种方法，高速摄像技术不仅可以提供碰撞过程的视觉记录，还能实时计算和分析碰撞过程中的关键动力学参数。

2.2 高速摄像数据的收集

2.2.1 数据捕捉过程

摄像机的帧率必须足够高，以捕捉到快速发生的碰撞事件，假设摄像机的帧率为帧/秒，碰撞过程持续时间为秒，则摄像机总共捕捉的帧数可以表示为：

（7）

每一帧图像都需要通过算法进行处理以提取关键数据，采用光流法析连续帧之间的像素位移，可以估算出物体的运动速度和方向，光流向量的大小和方向可以通过以下公式计算：

（8）

其中Δx和Δy分别表示水平和垂直方向上的像素位移，Δt是连续帧之间的时间间隔[2]。为了进一步分析碰撞过程中的力学特性，可以通过光流法计算得到的速度变化来计算碰撞力，假设物体的质量为m，根据牛顿第二定律，碰撞力F可以表示为：

（9）

其中a为加速度，Δv为速度变化量。

2.2.2 关键帧和时刻标记

关键帧的准确标记是检验碰撞动力学过程的主要手段，重点在于物体运动的变化率，通过计算连续帧之间的位置变化来实现，设物体在第i帧和第i+1帧的位置分别为Pi和Pi+1，位置变化可以表示为：

（10）

还需要计算关键帧间的速度变化ΔV和加速度A，如果以Vi和Vi+1表示连续帧的速度，则速度变化可以表示为：

（11）

其中Δt为帧之间的时间间隔。

2.2.3 图像质量和数据完整性

摄像机的分辨率决定了图像的清晰度，而帧率影响到能够捕捉到的动态细节的程度，假设摄像机的分辨率R为像素，帧率f为帧/秒，那么图像的信息量I可以表示为：

（12）

图像的信噪比（SNR）也是评估图像质量的重要指标，影响着图像的清晰程度以及细节展现情况，SNR可以通过以下公式表示：

（13）

其中Psignal是信号功率，Pnoise是噪声功率，为了保证数据的完整性，还需要一个算法来实时监控数据收集过程，并在数据丢失或质量下降时发出警告。可以通过实时计算每帧图像的信息熵来实现，信息熵可以用以下公式表示：

（14）

其中p（xi）是图像中第i像素值的概率，通过监测H的变化可以评估图像质量的稳定性和数据的完整性[3]。

2.3 数据分析方法

2.3.1 图像处理和数据提取

图像预处理包括去噪、对比度增强和图像锐化等，去噪是通过滤波器移除图像中的随机噪声，以提高图像质量，可以使用高斯滤波器来平滑图像，其数学表示为：

（15）

其中G（x，y）是高斯滤波器的响应函数，σ是标准差，代表滤波器的宽度。

对比度增强可以通过直方图均衡化实现，其基本原理是重新分配图像的亮度值以扩展整个可用范围，直方图均衡化的公式可以表示为：

（16）

其中H（v）是均衡化后的值，p（j）是原始图像中亮度为j的像素的概率。图像锐化可以增强图像中的边缘，让物体轮廓的呈现效果更加清晰，可以通过拉普拉斯算子来实现，其数学表达式为：

（17）

其中f（x，y）代表图像f（x，y）的拉普拉斯算子。

在預处理之后就可以从图像中提取出数据，通过基于特征的识别算法来实现，如使用边缘检测技术识别车辆结构的边界，苏贝尔算子是一种常用的边缘检测方法，其水平和垂直算子分别表示为：

（18）

这些算子可以在图像处理中应用，判断水平和垂直方向上的边缘。

2.3.2 碰撞动力学分析

首先需要对碰撞过程中的力量和能量转换进行计算，设车辆的质量为m，在碰撞前的速度为v1，碰撞后的速度为v2，根据动量守恒定律，碰撞中的冲量J可以表示为：

（19）

碰撞的动能变化是检验车辆结构完整性和能量吸收能力的重要指标，其计算公式为：

（20）

通过高速摄像数据可以准测试出车辆的速度变化，计算碰撞中的动能变化，根据车辆的变形过程来估算作用于车辆不同部分的力量，如通过测量车辆前部碰撞前后的变形程度，可以估算碰撞力F，其计算公式为：

（21）

其中Δx是车辆变形的距离，k是车辆前部结构的刚度系数。

2.3.3 安全特性评估

安全特性评估内容包括车辆结构完整性、安全性能、碰撞能量分布和吸收等，可以根据这些评估结果判断车辆的设计效果。根据高速摄像数据可以量化车辆碰撞前后的形变量，这通常通过测量车辆关键部位在碰撞前后的位移来实现，假设车辆某部位在碰撞前后的位移分别为dinitial和dfinal，那么形变量可以表示为：

（22）

乘员保护系统包括安全带和安全气囊，质量评估的重点在于碰撞过程中所受的力量数据，可以利用安全气囊的展开时机、安全带的张力以及乘员头部、颈部和胸部的运动参数来评估，安全气囊的展开时间tairbag需要与碰撞时刻tcollision对应：

（23）

碰撞能量的分布和吸收也是评估车辆安全性的主要指标，假设动能的初值和末值分别为KEinitial和KEfinal，能量吸收量可以通过下列公式计算：

（24）

还可以引入一个基于图像识别和动态分析的算法，对高速摄像数据中的关键特征点进行提取，并计算其运动参数[4]。如通过追踪假人头部的位移和加速度，可以评估假人在碰撞中的受力情况，假设头部的位移向量为，其加速度向量可以通过下列公式计算：

（25）

其中是测量间隔时间。

3 案例研究

选取标准家用轿车进行正面碰撞试验。设定碰撞速度为50公里/小时，模拟实际道路交通事故中的常见碰撞速度，在车辆正面和侧面以及车内安装高速摄像机，确保能捕捉到碰撞的全过程。高速摄像机机位分别设计在车辆的正面、侧面、乘员假人区域，摄像机配置如表1所示。本次测试过程为正面碰撞测试，确保所有数据按照预定配置成功捕捉。

高速摄像数据显示，碰撞发生时车辆前端形变明显，安全气囊在碰撞后0.05秒内成功展开，车内摄像机捕捉到假人在碰撞过程中的动作，包括头部前倾和安全带张紧过程，拍摄结果如表2所示。

通过对高速摄像数据的分析，车辆前端在碰撞后的形变量达到40厘米，显示了前端吸能结构在碰撞时的效能。利用前述公式估算碰撞力量，确定车辆前端吸收了大量碰撞能量。安全气囊的快速展开与安全带的有效约束表明乘员保护系统的响应迅速且有效。高速摄像技术捕捉的数据展示了车辆在碰撞过程中的动态响应，包括车辆结构的变形、乘员约束系统的反应，以及乘员模拟假人的动态。这些数据对于理解车辆在碰撞中的表现至关重要，并为未来车辆安全设计提供了重要参考。

4 结语

高速摄像机为车辆碰撞测试提供了新的思路，对碰撞过程中车辆结构、乘员的动态进行抓捕、记录、数据分析等，能够准确判断出车辆的安全性能，对于车辆设计、安全系统优化、交通安全来说具有关键意义。

参考文献：

[1]李帆，漆岸凌，徐世平等.基于高速摄像的汽车碰撞动态分析方法研究[J].汽车零部件，2022，（08）：32-35.

[2]高龙，梁亚飞.浅谈高速摄像系统在车辆碰撞试验中的应用[J].电子测试，2021，（11）：100-101.

[3]刘天明，刘春艳.高速摄像在车辆碰撞试验中的应用[J].电子测试，2017，（08）：81-83.

[4]杨康和.实车碰撞试验室高速摄像系统设计浅析[J].汽车实用技术，2016，（03）：135-137.