应用4K高速相机提升车辆碰撞试验图像质量

(上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心，上海 200438)

0 前言

1992年世界第一台基于互补金属氧化物半导体(CMOS)的高速数字摄影机问世，给人们探索高速变化的运动世界带来了全新的体验，可以通过摄影图像资料来进行更细化的分析研究。如今，超高速摄像技术的问世，更有助于了解高速变化的事物细节。高速相机在工业、航空航天以及科技研究领域一直发挥着无法替代的作用，如学术研究领域中内燃机燃烧试验、流体扩散、仿生研究、裂纹扩散等[1]。

随着消费者的安全意识逐步深入，人们对汽车的安全性要求也越来越高。在购置汽车时，中国新车评价规程(C-NCAP)评分成为消费车购车选型的重要参考指标。为了切实提高整车的安全性能，各大汽车企业不断增加安全研发方面的投入，纷纷建立了现代化的安全试验中心，除了进行常规的法规试验外，更是投入了大量的人力和物力进行各种要求远超当前法规的严苛的研发试验，这对试验设备、测量仪器、高速相机，以及试验技术方法都提出了更新的要求。

汽车被动安全测试领域高速相机应用广泛，无论是整车级别的各类碰撞试验、滑台的模拟碰撞试验，还是各个零部件如气囊、安全带约束系统测试都对高速相机采集的图像有不同的要求。根据《C-NCAP管理规则(2018年版)》的相关内容，高速相机的最小分辨率为512×384像素，这是C-NCAP考虑到试验中恶劣条件下车载相机的限制给出的分辨率，在实际操作中各实验室当前使用的所有地面相机的分辨率都远远超过这个分辨率，目前大都在满幅1280×80像素，拍摄局部细节的车载相机或用于车载一个主机多摄像头的高速相机也大都在800×600像素。

由于碰撞试验具有一定破坏性，且碰撞试验中存在一些不可控因素，相机可能会直接受到碰撞冲击而超过相机本身的抗冲击耐受范围，或导致相机附件线缆折断等事故，在实际使用中，车载相机的损坏率一直比较高。这个问题也一直困扰着碰撞试验的执行者。如果能够抓拍到足够清晰的影像，或许就可以减少对部分车载相机的使用，从而降低试验的执行成本。

高分辨率的高速相机能够提供更多用于分析的影像信息，从而提高了分析结果的质量和间接测量的精度。C-NCAP也列出了基于影像分析的评判标准，如通过对影像分析计算冲击过程中座椅靠背角的最大变化量、滑轨移动部分相对固定部分移动位移的最大量、气帘上的颜料印迹分布进行展开形态和动态保护性能确认等，这些要求都体现了高速影像信息资料对汽车安全试验的重要性，越来越多的细节分析将会依赖于高质量的高速影像资料。

在C-NCAP标准中的正面碰撞和侧面碰撞试验需要使用多达11台高速相机，相机数量过多会造成试验中相机位置、线缆排布、影像对焦调试、组网通信、同步触发的设置过于复杂，提高了试验中信息采集失败的可能性，且占据了大量的试验准备时间。如果能够在确保采集到的影像信息资料不变并能够适当减少相机的机位数量，将有助于试验效率的提升。

1 4K高速相机参数性能介绍

4K相机中的“4K”指的是相机中CMOS传感器的感知分辨率等级，通常定义为单边(通常指横向或水平方向)最大像素可以达到4 000像素数量级(最大像素量超过900万)。当然，这个4K也不是绝对的4 000像素，通常行业内把分辨率达到3 840×2 160像素和4 096×2 160像素都算是4K。在相机生成的图像文件中，4K图像资料指的是在未经放大处理像素密度最大情况下单边达到4K像素的原始画面的画质，这个画质是目前汽车碰撞试验所使用主流100万像素等级相机的9倍。除了像素的提高外，4K相机能够提供更宽广的动态范围和更低的噪点。像素、动态范围和噪点是各相机研发厂商在市场上竞争角逐的关键技术点。

第一款工业级的4K高速相机在2017年8月正式推出，把工业领域的高速摄像技术提升到全新的高度，在可接受的成本投入下使获取的图像素材更加清晰、精准，能够在后期的图像分析中获得更多的分析信息。尤其适合应用于需要高分辨率、通过放大观察局部细节、拍摄的目标物在大范围空间内移动，以及需要通过影像资料进行极其精确的间接测量等情况。图1所示是试验中所使用的4K高速相机。

图1 4K高速相机

试验中所用的高速相机外形尺寸为12.7 cm ×14 cm ×15 cm(长×宽×高)，质量为2.5 kg，可在-10～50 ℃环境温度中工作。配备特制的940万像素，12位CMOS传感器，每个像素点为6.75 μm2。由于所拍摄的影像资料文件较大，配备了10 GB自适应以太网卡，可以快速地下载拍摄的影像文件，有些相机拥有CFast可移动闪存卡接口，可以快速将相机内存中的图像资料转存到CFast Flash卡中(转存速率达90 MB/s)，确保影像资料的安全，其最大抗冲击达100个G，最大功耗约为75 W，机身可外挂电池组，可以在市电和电池供电间做到无缝切换(外部市电断电后自动切换至电池续航，系统工作不会中断)使相机仍然保持在原有的工作状态,即等待触发的循环记录工作状态，或是触发后的拍摄影像信息存储、转存Flash记忆卡中的状态。此高速相机可以每秒拍摄最大分辨率全画幅4 096×2 304像素照片938张，整车级碰撞试验高速摄像最高帧数标准目前为1 000帧/s(依据《C-NCAP管理规则(2018年版)》)，该相机与之对应的最大分辨率为4 096×2 160像素，配备36 GB的高速内存可以拍摄并存储长达2.8 s的影像资料(即2 800张满足4K标准画质的照片)。通常在整车级碰撞试验中，一般只需拍摄碰撞前50 ms和碰撞时刻起300 ms之间的影像照片，即总共拍摄350张左右的照片，高速相机可拍照数量可充分满足标准要求。

2 4K高速相机在碰撞试验中带来的优势

2.1 分辨率提升带来的优势

当前销售的主流高速相机已经普遍进入到2K时代，在每秒1 000帧的工况下分辨率能够达到2 048×1 080像素(超200万像素)，假设每个像素点的面积相同，相机的像素点越多，该相机的CMOS传感器的面积就越大，相同视野中所得到的影像图片就越清晰，画质就越细腻。图2示出了4K CMOS传感器与2K、全高清(Full HD)、高清(HD)、DVD、VCD的传感器像素面积的对比。

图2 几种常见传感器像素面积对比图

也就是说，4K相机比当前主流的2K相机在分辨率上提高了4倍，分辨率的提升带来更清晰的画面细节。本文以安全带试验为例，通过真实试验所采集到的图像信息进行更直观的对比。

图3所示是使用不同分辨率的高速相机所拍摄到的图像，将不同分辨率的高速相机调整到近似相同的构图，从全局来看，很难察觉画面上存在的明显不同。

图3 不同像素相机拍摄的试验图像

但如果对假人的头部部分进行局部放大，采用高分辨率拍摄的照片，同样的画幅下像素点越多，画面中的影像就越清晰，轮廓界线就越明显。图4所示是采用4种不同的分辨率相机拍摄图像的头部局部放大图，可看出像素越高，轮廓越明显，图像的清晰度也越高，这对于细节分析和图像处理软件对目标像素的捕捉提供了很大的帮助。

图4 不同分辨率相机拍出的头部放大图

2.2 使用更少数量的相机，得到更好的图像

2.2.1 在分辨率接近时得到更大的画幅

在整车级试验中，通常需要在牵引轨道两侧各设置1台机位用于拍摄从壁障到试验车尾部，可以跟踪试验车在碰撞过程中的整体运动过程。在对于相同面积所需要的像素接近时，使用高清4K相机可以得到更大的画幅，无需使用多台相机进行图像拼接就可以满足对影像资料的要求。

图5所示是使用3 840×2 160像素的4K相机拍摄的图像，图6所示是2张分辨率为1 920×1 106像素图片拼接出的画面。虽然图5单张图像和图6中2张拼接图片的总像素点接近，但2张图片的拼接会造成部分图像信息丢失，不利于碰撞试验中的分析研究。

图5 分辨率为3 840×2 160像素的单张图像

图6 2张分辨率为1 920×1 106像素的画面拼接

2.2.2 减少使用相机数量而达到优于预期图像分析所要求的画面质量

通常在碰撞试验摄像中会使用1台相机拍摄全视野，以研究试验目标整车或滑台的整体运动过程，使用另外1台相机拍摄视野局部，以研究特定目标，如假人在试验中的运动情况。如果使用4K相机作为全景机位相机，视野局部画面要取得当前试验要求中普遍认可的画面质量，不需要额外架设拍摄局部视野的相机，可以从4K全景相机的照片中根据需要直接截取画面。也就是说使用1台4K相机就足以获得目前试验方法中使用2台相机(全景相机和中景相机)才能获得的画面信息。试验中使用1台2K相机拍摄局部视野(中景)，然后与从拍摄全视野的4K相机所获取的画面中截取相同的视野局部作比较。图7所示为4K相机拍摄的全视野的图像，图8是截取的画面与2K相机局部拍摄效果的对比图。

图7 4K相机拍摄的全景图

图8 4K相机拍摄画面的截取图与2K相机拍摄的局部图对比

由图7和图8可知，即使在4K相机所拍摄的大画幅中截取出很小的一部分局部画面，其分辨率和整体效果也远超2K相机满画幅拍摄的效果。

在C-NCAP中的正面100%重叠刚性壁障碰撞试验中，试验要求架设11个高速相机机位，具体要求如表1所示，图9为正面100%重叠刚性壁障碰撞试验摄像机位置，其中摄像机9位于拍摄轨道下方，图中无法标示。

如果引入4K相机，机位2和机位4可以采用1台4K相机替代，4K相机选用原摄像机4的拍摄机位，可以在全景图中截取原机位2和原机位4的影像进行分析。另一侧机位3、机位5和机位6可以采用另外1台4K相机替代，拍摄机位选用原摄像机6的机位6，可以在全景照片中分别截取出原机位3、原机位5和原机位6的影像，通过影像处理软件分析。因此可以减少3台相机的架设，取得优于原先架设机位数量所取得的影像质量。

表1 摄像机位置及要求

同样地，在C-NCAP中要求的正面40%重叠可变形壁障碰撞试验和可变形移动壁障侧面碰撞试验摄像机的位置图分别如图10和图11所示，其中图10中摄像机9位于拍摄轨道下方，图中无法标示。

图9 正面100%重叠刚性壁障碰撞试验摄像机位置图

图10 正面40%重叠可变形壁障碰撞试验摄像机位置图

图11 可变形移动壁障侧面碰撞试验摄像机位置图

观察了正面40%重叠可变形壁障碰撞试验和可变形移动壁障侧面碰撞试验流程，如果使用4K相机在相同的拍摄角度上都可以减少一定数量的机位。表2是部分使用4K相机后建议的机位数量以及相机的机位位置。

2.3 宽广的动态范围的优势

动态范围是指在一幅画面中最亮和最暗之间存在多少不同的亮度分级。针对摄像设备来说，动态范围是在同一个场景中相机能够区别出来的最亮和最暗之间的等级数。动态范围越宽的相机能够接收更多的光线从而保留更多的细节。如图12所示是不同像素相机拍摄图像动态范围的对比，图像中可以直观感受到在类似的场景下，使用相同的光圈设定下不同相机像素的动态范围的差异。

表2 部分使用4K相机后建议的相机数量及位置

图12 不同相机拍摄出图像的动态范围对比

4K相机获取的影像能够更好地体现被拍摄目标的细节，保留更多的元素，更逼真地展现出标记点贴纸等(图12)。

2.4 低噪点的优势

图像中的噪点会导致影像照片中丢失很多细节，在照片图像中比较暗的区域尤其明显。对比噪点对图像的影响，以相同的构图。相同的光圈设定，不进行各项电子校正。图13和图14分别是4K相机拍摄的轮胎图像和2K相机拍摄的轮胎图像。

图13 4K相机拍摄的轮胎图像

图14 2K相机拍摄的轮胎图像

从图14可以很清晰地看到垂直状的条纹，在黑色的背景中尤其明显。这个条纹就是由噪点导致的。噪点的多少和去噪点的修正是一款相机优劣的重要指标之一。

3 使用不同镜头配合相机的影响

电影镜头相比普通镜头可以大幅提升获得影像的锐度，也就是可以得到更清晰的摄像目标的边缘轮廓。后期图像分析软件处理可得到更精确的数据，并且有效降低杂散光、降低色散现象、降低画面边缘位置的模糊程度。

4 结论

4K高速相机在汽车被动安全行业碰撞试验中的应用将大幅提高采集的图像画面质量，同时利用4K相机的高分辨率，可以将全景相机和中景相机进行整合，在全景相机获取的图像中截取所需要的中景影像，从而减少摆设的相机机位，减少了试验前的准备工作量，简化了相机的同步触发和网络数据传输布局，降低了相机整体应用的投入成本和运营维护成本，提高了相机同步触发的可靠性，宽广的动态范围也能表现图像更多的细节，配合优质的镜头更能提升相机的效果。4K高速相机为后期图像分析处理软件提供更高质量、包含更多可分析信息的图像资料，提高了碰撞试验的分析能力。

图15 电影镜头和常规镜头拍摄的图像对比