圖像分析法在汽車碰撞試驗中的研究

賈曉東

(1.柳州汽車檢測有限公司；2.國家汽車質(zhì)量檢驗中心（廣西）)

汽車碰撞試驗是研究汽車被動安全性和事后安全性的重要內(nèi)容[1]。碰撞試驗是一個短暫且猛烈的沖擊過程，一般采用高速攝像機拍攝整個碰撞過程。圖像分析法的分析對象是高速攝像機拍攝的碰撞過程的視頻，通過對試驗車輛或假人身上的標(biāo)記點的運動過程進(jìn)行測量，計算標(biāo)記點的位移、速度及加速度等數(shù)據(jù)。

1 圖像分析法的基本原理

圖像由諸多的像素組成，像素是組成圖像的最小單元。圖像分析法的原理，是對圖像中被測對象的像素位置進(jìn)行測量。圖1是圖像分析法的原理圖，每個小方格是1個像素，p1、p2是參考點，p是待測量的標(biāo)記點。使用圖像分析法時，首先定義參考點p1、p2之間的實際距離，再根據(jù)參考點之間的像素數(shù)量，計算圖像中每個像素的實際尺寸，最后根據(jù)標(biāo)記點p在圖像中的像素位置變化，計算出標(biāo)記點p的位移。在圖1b中，p點的終止位置相對圖1a中的初始位置向右移動了3個像素，因此，p點的位移就是向右移動3個像素的尺寸。視頻是諸多連續(xù)圖像的逐幀播放，進(jìn)行圖像分析時，需連續(xù)跟蹤標(biāo)記點在每一幀圖像中的像素位置變化，然后計算出標(biāo)記點在每一幀圖像中的位移，再通過不斷疊加，得出標(biāo)記點在碰撞過程中的位移量及在坐標(biāo)系中的位移方向。

圖1 圖像分析法原理圖

目前，碰撞試驗用的高速攝像機的拍攝幀率可以達(dá)到1 000～2 000 fps/s。當(dāng)高速攝像機以2 000 fps/s的速度拍攝時，連續(xù)2幀圖像的間隔時間為0.5 ms。根據(jù)連續(xù)2幀圖片上標(biāo)記點的位移，可計算出標(biāo)記點的速度，再根據(jù)速度的變化率，可計算出標(biāo)記點的加速度。最后經(jīng)過濾波，輸出標(biāo)記點的位移、速度和加速度的數(shù)據(jù)和曲線。

但在實際拍攝時，若被測量的標(biāo)記點所在的標(biāo)記點平面，與參考點所在的參考平面，距高速攝像機距離不一樣，那么標(biāo)記點和參考點的像素的實際尺寸就不一樣。如果仍以參考點的實際像素尺寸計算，就會造成測量結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差。此時，使用圖像分析法需要進(jìn)行景深修正。景深修正依據(jù)了相似三角形的原理，如圖2所示。

圖2 景深修正示意圖

如果參考平面相對標(biāo)記點平面靠近高速攝像機，如圖2 a所示，p點實際位移為：

如果參考平面相對標(biāo)記點平面遠(yuǎn)離高速攝像機，如圖2 b所示，p點實際位移為：

式中：x2——p點實際位移，mm；

x1——p點基于參考平面實際像素尺寸的位移，mm；

d1——相機平面到參考平面的距離，mm；

d2——參考平面到標(biāo)記點平面的距離，mm。

2 影響測量結(jié)果的因素

2.1 高速攝像機鏡頭的幾何畸變

由于加工誤差和裝配誤差的存在，攝像機光學(xué)系統(tǒng)與理想的小孔透視模型有一定的差別，致使物體點在攝像機圖像平面上實際所成的像與理想成像之間存在不同程度的非線性光學(xué)畸變[2]。光學(xué)畸變改變了圖像中被測對象的像素尺寸，影響分析結(jié)果。采用高質(zhì)量的鏡頭，可以降低畸變的影響。目前，配合高速攝像機使用的主流鏡頭是Nikor 24～85 mm，無論是廣角端還是長焦端，其畸變率均小于1.15%[3]，對測量結(jié)果的影響較小。

2.2 高速攝相機安裝不當(dāng)

攝像機拍攝姿態(tài)，包括俯仰角、側(cè)傾角、偏向角[4]，任何一個角度出現(xiàn)偏差，將導(dǎo)致相機傳感器平面與參考平面不平行或圖像傾斜，在進(jìn)行景深修正時，造成測量結(jié)果不準(zhǔn)確。為解決這一問題，可以借助水泡、數(shù)字傾角儀、激光器及必要的工裝，調(diào)整高速攝像機的機身狀態(tài)，將其安裝不當(dāng)?shù)挠绊懡档偷阶畹汀?/p>

2.3 景深測量不準(zhǔn)確

景深需在試驗前測量，容易出現(xiàn)的問題是測量方向與高速攝像機鏡頭軸線不平行。根據(jù)景深修正原理可知，景深測量不準(zhǔn)確，會造成圖像分析法的計算結(jié)果不準(zhǔn)確。目前，碰撞試驗室可以借助激光器、便攜式三坐標(biāo)測量機等裝置，可以比較準(zhǔn)確地測量景深。

2.4 參考點的布置位置不當(dāng)

參考點作為圖像分析法測量的基準(zhǔn)，如果在碰撞試驗過程中出現(xiàn)了相對位置的改變，那么將無法獲得準(zhǔn)確的像素尺寸，進(jìn)而導(dǎo)致所有的測量結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，參考點一般布置在車身剛性較高的部位，并確保碰撞過程中不出現(xiàn)變形；同時，參考點應(yīng)避免布置在圖像的邊緣，以降低圖像幾何畸變的影響。

2.5 高速攝像機的拍攝幀率不準(zhǔn)確

高速攝像機的拍攝幀率與測點的速度、加速度計算直接相關(guān)。比如，當(dāng)設(shè)置的拍攝速度為2 000 fps/s，連續(xù)2幀圖像之間的間隔應(yīng)為0.5 ms；若實際拍攝速度只有1 500 fps/s，那么連續(xù)2幀圖像之間的間隔為0.667 ms。此時，進(jìn)行圖像分析時，仍按照拍攝速度為2 000 fps/s計算，那么被測對象的速度和加速度將出現(xiàn)較大的偏差。因此，對高速攝像機拍攝速度進(jìn)行校準(zhǔn)，保持拍攝速度的設(shè)置值與實際值一致，就顯得非常重要。

3 測量精度的驗證

文章基于FalCon MovXact圖像分析軟件，驗證其位移、速度和加速度的測量精度。

3.1 位移測量精度驗證

位移測量精度的驗證采用直接比對的方法。在距離高速攝像機4 218 mm的平面上，粘貼了2個距離為195 mm的參考點，分別標(biāo)記為為m、n，在軟件中的定義如圖3所示。然后在直角尺上粘貼1個可移動的標(biāo)記點，標(biāo)記為p，如圖4所示。將標(biāo)記點p放在距離參考點200 mm處的平面上（遠(yuǎn)離高速攝像機方向），軟件中景深的定義如圖5所示。試驗時，將標(biāo)記點移動145 mm，并用高速攝像機拍下標(biāo)記點的移動過程。通過FalCon MovXact圖像分析軟件，對標(biāo)記點移動的視頻進(jìn)行測量，測得標(biāo)記點的最終位移量為145.5 mm，位移曲線如圖6所示。圖像分析法測得標(biāo)記點的位移，相對實際值的偏差只有0.5 mm，說明了圖像分析法的位移測量結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的。

圖3 參考點在軟件中的定義

圖4 可移動的標(biāo)記點

圖5 景深在軟件中的定義

圖6 標(biāo)記點的位移曲線（軟件生成截圖）

3.2 加速度與速度測量精度驗證

加速度與速度測量精度的驗證采用和加速度傳感器比對的方法。以某次在加速式臺車上進(jìn)行的模擬碰撞試驗為例，在車身上粘貼2個已知距離的參考點m、n和1個待測量的標(biāo)記點p，如圖7所示，并在p點處的車身上粘貼1個加速度傳感器。車身安裝在加速式臺車的滑臺上，滑臺以該車型100%正面碰撞的加速度波形發(fā)射，同時用高速攝像機以2 000 fps/s的速度拍攝碰撞過程。加速度傳感器采集的加速度曲線，和圖像分析法測得的標(biāo)記點p的加速度曲線，如圖8所示；對加速度傳感器采集的加速度進(jìn)行積分得到的速度曲線和圖像分析法測得的速度曲線，如圖9所示。

圖7 參考點及標(biāo)記點位置

圖8 加速度曲線對比

圖9 速度曲線對比

通過對比，加速度傳感器和圖像分析法測量的加速度、速度曲線，整體趨勢比較吻合。2種方法測得的峰值/時間、谷值/時間和速度值，也比較接近，如表1所示，說明圖像分析法對加速度、速度的測量精度也是比較準(zhǔn)確的。

表1 加速度極值/時間和速度

4 圖像分析法的應(yīng)用

圖像分析法作為一種非接觸式的測量技術(shù)，已成為汽車碰撞試驗中一種重要的測試手段[5]，能夠得到大量電測量系統(tǒng)無法獲知重要信息[6]。比如，開展碰撞試驗時，可用于測量假人頭部的位移或車身及底盤的變形；開展鞭打試驗時，可以計算靠背張角和座椅滑軌的位移；開展氣囊匹配試驗時，可以計算氣囊展開的過程數(shù)據(jù)；開展商用車駕駛室正面撞擊試驗時，可以測量擺錘對駕駛室的侵入量。當(dāng)然，圖像分析法也有一定的局限性，只能在被測對象無遮擋的情況下應(yīng)用。比如，假人的小腿受車門的遮擋，是無法使用圖像分析法測量小腿的運動狀態(tài)；對假人的頭部測量時，若氣囊彈出后遮擋住假人的頭部，也會導(dǎo)致圖像分析的失敗。

5 結(jié)論

文章介紹了圖像分析法的測量原理，并通過試驗證明了圖像分析法的測量結(jié)果是準(zhǔn)確的。由于影響圖像分析法測量精度的因素較多，對試驗前的準(zhǔn)備工作要求較高，常用于測量一些電測量系統(tǒng)無法測量的數(shù)據(jù)。盡管圖像分析法的應(yīng)用有一定的局限性，但作為一種比較簡便的測量方法，其在碰撞試驗領(lǐng)域仍取得了廣泛的應(yīng)用，有力地支持了汽車被動安全的研究。