高速摄影动态位移计算方法研究

雷斌++李强红++刘宏达++李勋++王鑫鹏

摘 要：以儿童约束系统动态试验中假人头部位移为研究对象，采用不同焦距镜头的地面高速摄像机对整个试验过程进行拍摄，分析了不同滑车位置拍摄的假人头部位移计算结果和比例因子选择的要素，将计算结果与实测结果对比，建立了一套高精度的利用地面高速摄影机拍摄计算假人头部动态位移的方法。

关键词：高速摄像机技术；动态位移计算；数据分析

中图分类号：U467.1+4 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2017）01-0035-04

Study on High Speed Photography for Dynamic Displacement Calculation Method

LEI bin， LI Qiang-hong， LIU Hong-da， LI xun， WANG Xin-peng

（ National Automobile Quality Supervision Test Center（Xiangyang）， Xiangyang441004， China ）

Abstract： With the pictures of the whole test recorded by high speed camera with different focal lengths of the lens on the ground， the displacement of the dummy head in the child restraint system dynamic test is studied. The calculation results of dummy head displacement at different trolley position and scale factors are analyzed. Via comparing the calculation results with actual measurement results， a high precision method of calculating dummy head displacement with the pictures recorded by high speed camera on the ground is established.

雷 斌

毕业于哈尔滨工业大学（威海），大学本科。现工作于国家汽车质量监督检验中心（襄阳）汽车碰撞试验室，主要研究方向为安全试验技术研究。

1 引言

在GB27887-2011《机动车儿童乘员用约束系统》中要求采用加速滑车或减速滑车对儿童约束系统进行模拟碰撞试验时，试验过程中测试假人头部的最大动态位移不超过规定的范围。对于前向儿童约束系统，要求假人的头部的动态位移不应超过图1所示BA和DA平面。由于需要判定头部的最前端和最上端的移动范围，各汽车检测中心普遍采用高速摄影机拍摄试验过程，根据拍摄的图像判定假人的头部位移量。

目前，对于儿童约束系统的动态试验，可以采用车载高速摄影机和地面非车载高速摄影机进行拍摄。对于车载高速摄影机拍摄，拍摄纵深有限，为了拍摄大范围的画面，多采用镜头焦距多为6mm-8mm，拍摄画面畸变较大，如图2所示，可以看出黄黑相间的标尺明显的变形。

根据标准中要求在试验滑车上安装的位移界限标尺，由于不能限制假人的运动，该标尺不能放置与假人纵向中心平面内，只能放置于滑车的外侧，其与假人纵向中心平面平行。标准座椅的中心点Cr点所在纵向中心平面、假人头部纵向中心平面以及位移界限标尺均不在同一横向平面内，通过比例换算进行计算，结果误差比较大。同时，采用车载摄影机拍摄，可能会产生拍摄的画面出现轻微抖动的情况，导致结果计算存在误差。为了解决畸变、比例计算误差及抖动问题，采用地面高速摄像机畸变较小的镜头拍摄整个动态过程，避免车载高速摄影机由于短焦距拍摄画面畸变大和晃动的问题；在假人头部纵向中心平面内建立比例尺还原标尺，得出精确地比例计算标尺。本文采用地面高速摄影机拍摄静态画面，对于不同位置、不同焦距、不同比例尺等影响因素进行了计算，并与实际测量值进行比较，并进行误差分析。

2 假人头部位移计算

众所周知，镜头拍摄的画面随着其与镜头的距离增大，拍摄物也越来越小；镜头中心不存在畸变，偏离镜头中心越远，畸变越大。对于拍摄画面的位移的计算，通常需要在画面中设置标尺以计算出比例尺，從而对目标位移进行计算。为了避免不同平面比例换算不同带来的误差，设置计算标尺，该标尺处于假人头部纵向中心平面内且不影响假人头部向前运动的位置。为了便于测量和计算对比，采用固定的刚性球体代替假人头部进行计算测量。

如图3所示为滑车行进方向侧面拍摄的图片。标尺参考点A、C在假人纵向中心平面内，且垂直于水平面。假设D点为整个运动过程中假人头部最上最前端的点。可得出假人头部运动位移计算比例因子：

α=Lac/lac 式1

式中：α—假人头部运动位移计算比例因子

Lac—实际测量A、C两点的距离，试验前通过三维坐标仪精确测量；

lac—在高速摄像拍摄图像中测量的A、C点距离，为图像距离。

根据比例因子和试验前测量的标准座椅Cr点到标记点的水平与垂直距离，即可得出假人头部相对Cr点的最大水平与垂直位移公式：

Dx=lx-α×Lx 式2

式中：Dx——计算得出的假人头部相对于Cr点的最大水平距离；

lx——A点到座椅Cr点的实际水平距离，试验前可以通过三维坐标仪进行测量；

Lx——高速摄像拍摄图像中A点距D点的水平距离，通过软件图像中获取，为图像距离；

Dz=lz+Lz×α 式3

式中：Dz——计算得出的假人头部相对于Cr点的最大垂直距离；

lz——A点到座椅Cr点的实际垂直距离，试验前可以通过三维坐标仪进行测量；

Lz——高速摄像拍摄图像中A点距D点的垂直距离，通过软件图像中获取，为图像距离。

由计算公式1、公式2、公式3可以看出，影响计算准确度的因素包括比例因子、试验前三维坐标仪测量数据及试验后图像中软件测量数据。

对于试验前三维坐标仪测量数据和试验后图像中软件测量数据而言，主要误差存在于设备误差、人工操作误差。设备误差由设备本身决定，人工操作误差可采用多次测量求平均值的方式尽量减小误差。

3 不同位置不同焦距拍摄计算分析

使用车载高速摄影机进行拍摄计算，优点是车载高速摄影机可以随滑车一起发射，二者没有相对运动。而地面高速摄影机固定不动，假人及位移界限标尺与高速摄影机之间有相对运动。为了分析滑车与摄像机的相对运动及镜头焦距大小对于计算结果的影响，采用不同焦距镜头拍摄滑车不同位置，分别拍摄滑车上假人头部位于摄影机镜头中心、镜头中心右偏0.5m，镜头中心右偏1m位置，每个位置均采用24mm焦距、35mm焦距和45mm焦距镜头进行拍摄，计算假人头部距Cr点的位移，并与实际测量结果相对比。

首先使用三维坐标仪测量圆球最前、最上端D点相对于Cr点的水平距离和垂直距离，分别为Dx=359mm和Dz=796.6mm。然后采用公式1、公式2和公式3计算不同位置不同焦距拍摄图像中圆球D点距离Cr点的水平和垂直距离，如下表1、2所示。

从表1、2可以看出，采用不同焦距不同位置拍摄的图像计算的結果与实测值之间的差别不是很大，都可以控制在4.2mm以内。采用的镜头焦距越大，计算值与实测值之间的差别越小，越靠近镜头中心，计算值与实测值之间的差别越小。为了在动态试验中计算更加精确，应采用无畸变长焦距的镜头尽量将假人头部最大位移处拍摄于图像中心。

4 比例因子计算分析

为了研究比例因子对计算精度的影响，如图4中，选取标尺上距离不同的两组参考点A、C（长标尺）和E、F（短标尺）来计算。选取表1中焦距为45mm镜头、假人头部处于镜头中心拍摄的图片采用长标尺计算的结果，同时用该组拍摄图片采用短标尺进行计算，计算结果如表3所示：

由表3可见，采用短标尺计算结果与实际测量值误差明显比采用长标尺计算结果产生的误差大。由此可见，计算比例尺是计算结果重要的影响因素，尽量选择标尺上相距较远的点作为比例尺，以提高计算的精度。

对于比例因子误差，除了需要选取假人纵向中心面内的标尺以外，由于测量人员人工测量误差、设备误差，包括图像中的测量误差不可避免，标尺上参考点如果相距太近，将会导致误差占真实值的比率增加，导致计算结果误差较大。同等条件下，选取相距较远的参考点，误差占真实值的比率降低，计算误差也随之降低。

5 结语

高速摄像技术在汽车安全试验上具有不可替代的用途，是观察分析试验必不可少的利器。本文通过对采用不同焦距不同位置高速摄影机拍摄的图像中假人头部动态位移计算对比和比例因子影响因素的分析，通过选取合适准备的计算比例因子、选择畸变较小的镜头、拍摄时将最大位移处置于镜头中心等措施，建立了一套高精度的利用地面高速摄影机拍摄计算假人头部动态位移的方法。同时，该方法还可以应用到假人头部、腿部等的位移量、座椅滑轨头枕移动量等方面，正确的使用，巧妙的计算和分析，可以很好的解决试验中一些常规方法无法测量的难题。

参考文献：

[1]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年06期.

[2]刘缠牢，阮萍，熊仁生，孙益善.高速摄影测量的计算机辅助[J].光子学报，2001年01期.

[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]GB27887-2011《机动车儿童乘员用约束系统》[S].