李帆，漆岸凌，徐世平，鄒陽，魯鑫

中汽研汽車檢驗中心(武漢)有限公司，湖北武漢 430050

0 引言

視頻圖像處理技術廣泛應用于工業(yè)、醫(yī)療、安全、管理等領域。運動目標的檢測和跟蹤是圖像處理技術在視頻序列圖像處理方面的一個重要應用,在航天、交通、機器人視覺、視頻監(jiān)控、公共場所客流數(shù)據(jù)監(jiān)測等場合發(fā)揮著重要作用，但受限于當時高速攝像的技術水平，該技術一直未能成為汽車檢測領域內(nèi)的關鍵技術。高速攝像作為汽車碰撞檢測領域的輔助手段，記錄碰撞的發(fā)生過程，采集碰撞過程中肉眼可辨的變形移動過程。隨著近十年來科學技術水平的快速發(fā)展，國內(nèi)外研究高速相機系統(tǒng)的廠家或研究機構均取得了較大的技術進步，國外在汽車檢測領域內(nèi)的高速相機供應商如日本的NAC、美國的VISION、德國的PRO等。國內(nèi)也是在被國外技術封鎖了近幾十年后，在西安光機所(中國科學院光電技術研究所)研發(fā)下高速相機的應用也只局限于軍工、航天、冶金行業(yè)。

本文基于高速攝像的運動參數(shù)圖像解析方法，通過高速攝像機拍攝汽車碰撞過程，應用TEMA視頻圖像分析軟件進行視頻圖像處理分析，對目標點的運動軌跡進行了多項式擬合，得到目標點軌跡曲線，并與試驗傳感器測試獲取曲線進行對比，以驗證該方法的可行性。

1 動態(tài)分析原理

1.1 高速攝像成像原理

高速相機與普通相機的區(qū)別在于拍攝幀率，即每秒能夠獲得的照片數(shù)目，汽車碰撞檢測領域的視頻幀率普遍要求在1 000幀/s。高速攝像動態(tài)分析就是根據(jù)畫面上的目標點位置、形狀、顏色等特征對其進行提取定位，然后比較目標點在畫面上不同時刻的運動變化，從而得出目標點在畫面中的運動參數(shù)。最后得出目標點在畫面上的運動狀態(tài)后，還需要將其與實物進行對應。相機成像原理如圖1所示。

圖1 相機成像原理

根據(jù)相機成像原理，假設畫面中位移為，實際位移為，像距為，物距為，鏡頭直徑為，則有：

(1)

1.2 動態(tài)分析過程

建立參考平面，該平面與目標點運動分析方向相平行，如圖2所示。試驗準備時，測量參考平面及目標點到相機的距離分別為、，測量參考平面上基準點至的距離為，其在相機畫面內(nèi)有個像素間隔點，總距離為，鏡頭直徑及相距為高速相機固有參數(shù)。則根據(jù)式(1)可知每個像素點對應的實際距離為：

(2)

假設目標點在一段時間內(nèi)從運動到，運動距離為。假設兩個時間點的定格畫面之間在運動分析方向有個像素間隔點，距離為，則根據(jù)式(1)可知運動距離為：

(3)

=

(4)

圖2 參考平面與目標點的運動分析

2 汽車碰撞典型工況下的動態(tài)分析應用

2.1 汽車行李箱沖擊試驗

標準GB 15083—2019規(guī)定，在開展行李箱沖擊試驗時，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)過座椅點前方150 mm處的點。

根據(jù)標準要求，需要對頭枕部分在車輛方向進行動態(tài)分析。在試驗準備階段將高速相機垂直于車輛平面的方向拍攝，并設置參考平面使其與車輛平面平行。試驗前需測量3個參數(shù)，分別是：參考平面到高速相機鏡頭距離，參考平面上方向上設置點到點的距離為，測量目標點到相機距離為。此次采用高速攝像機參數(shù)如下：拍攝幀率為1 000幀s；分辨率為1 920×1 080。行李箱沖擊試驗如圖3所示。應用高速攝像和位移傳感器同時對座椅頭枕進行測試，得出座椅頭枕方向位移對比曲線如圖4所示。

圖3 行李箱沖擊試驗

圖4 座椅頭枕X方向位移對比曲線

由圖3和圖4可以看出，兩種測試手段得出的運動曲線基本一致，而傳感器測量的位移峰值比高速攝像動態(tài)分析得出的位移峰值稍大，這是由于頭枕在運動過程中除了方向的運動，還包含了其他兩個方向的運動，位移傳感器測得的是頭枕目標點的合成位移，從這一點來看，高速攝像動態(tài)分析得出的方向位移曲線更符合標準要求。綜上所述，基于高速攝像的動態(tài)分析方法應用在行李箱沖擊試驗中是有效的。

2.2 兒童乘員用約束系統(tǒng)動態(tài)試驗

標準GB 27887—2011《機動車兒童乘員用約束系統(tǒng)》規(guī)定，在開展兒童約束系統(tǒng)動態(tài)試驗中假人位移需滿足以下要求：前向兒童約束系統(tǒng)，假人的頭部不應超過圖5所規(guī)定的平面和平面。因此根據(jù)標準要求，需要對假人頭部在車輛方向和方向進行動態(tài)分析。試驗前需測量4個參數(shù)，分別是：參考平面到高速相機鏡頭距離，參考平面上方向上設置點到點的距離為以及在方向上設置點到點的距離為，測量目標點到相機距離為。此次采用高速攝像機參數(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)動態(tài)試驗如圖6所示。

圖5 前向試驗裝置的布置

圖6 兒童乘員用約束系統(tǒng)動態(tài)試驗

應用高速攝像和加速度傳感器同時對假人頭型進行測試，將加速度傳感器信號進行積分得出位移信號并對零位移時刻進行相關設置，得出兒童頭型在方向和方向的位移對比曲線如圖7和圖8所示。

圖7 兒童頭型X方向位移對比曲線

圖8 兒童頭型Z方向位移對比曲線

由圖7和圖8可以看出，采用高速攝像動態(tài)分析與傳感器測量得出的運動曲線基本一致。綜上所述，基于高速攝像的動態(tài)分析方法應用在兒童乘員用約束系統(tǒng)動態(tài)評價中是有效的。

3 高速攝像動態(tài)分析的優(yōu)缺點

3.1 動態(tài)分析優(yōu)點

汽車碰撞試驗屬于一次性破壞性試驗，具有不可重復性，目前試驗室進行數(shù)據(jù)采集普遍是在車身上加裝傳感器的方式獲得目標點的運動參數(shù)，但對于碰撞損壞嚴重區(qū)域，由于碰撞試驗的破壞性，則無法直接獲得碰撞過程中的變形位移數(shù)據(jù)。而高速攝像動態(tài)分析，只要畫面中可以捕捉到目標點，就可以進行高速攝像動態(tài)分析，因此高速攝像動態(tài)分析相比傳感器測量方式具有數(shù)據(jù)可靠性的優(yōu)點。此外，高速攝像動態(tài)分析主要工作在于前期的數(shù)據(jù)測量和后期軟件分析上的人力消耗，并且在同樣一個視頻畫面中，可以同時分析多個目標點的運動參數(shù)；而傳感器成本比較高、試驗需求量大，并且在碰撞試驗中有損壞風險，因此高速攝像動態(tài)分析相比傳感器測量方式具有成本低的優(yōu)勢。

3.2 動態(tài)分析缺點

基于高速攝像的動態(tài)分析必須保證測量點是可見的，意味著目標點必須在被測物體的外表面。一般在發(fā)動機艙內(nèi)或者車內(nèi)隱蔽處，無法直接用高速相機拍攝到的位置便無法開展動態(tài)分析，因此該方法存在一定的局限性。另外，基于高速攝像的動態(tài)分析方法需要在試驗準備階段滿足以下3個條件：①攝像機垂直于目標點運動方向;②參考平面要與目標點運動方向相平行;③相關計算參數(shù)的準確性。因此，該方法對于試驗的前期準備工作的精確性要求較高。

4 高速攝像動態(tài)分析應用趨勢

高速攝像動態(tài)分析作為一種新的檢測方法，在汽車碰撞檢測領域內(nèi)其實已經(jīng)得到了廣泛的關注，最基礎的座椅動態(tài)試驗，如假人鞭打試驗等?；诂F(xiàn)在汽車電子技術發(fā)展，利用高速攝像動態(tài)分析來解決汽車研發(fā)過程中的各類位移、速度和加速度變化對整車安全、節(jié)能和環(huán)保智能化方面的影響，尤其是在實車碰撞試驗、行人保護試驗、模擬臺車試驗等領域的廣泛應用正在不斷地完善高速視頻動態(tài)分析的測試方法。同時，近幾年來高速視頻3D動態(tài)分析也正在逐漸從軍工、航天領域開始向汽車檢測領域推廣應用，對于后期車輛自動駕駛、監(jiān)管評價等試驗應用奠定了良好的基礎。

5 結束語

本文基于高速攝像動態(tài)分析的基本原理，將其應用在汽車檢測領域內(nèi)的典型案例中，并與傳感器測量數(shù)據(jù)進行對比，說明了其在汽車碰撞測試領域的有效性；同時指出了將該方法應用在汽車碰撞檢測領域內(nèi)的典型場景和局限性，以期為相關領域的研究人員提供一定的參考。