图像分析法在汽车碰撞试验中的研究

贾晓东

(1.柳州汽车检测有限公司；2.国家汽车质量检验中心（广西）)

汽车碰撞试验是研究汽车被动安全性和事后安全性的重要内容[1]。碰撞试验是一个短暂且猛烈的冲击过程，一般采用高速摄像机拍摄整个碰撞过程。图像分析法的分析对象是高速摄像机拍摄的碰撞过程的视频，通过对试验车辆或假人身上的标记点的运动过程进行测量，计算标记点的位移、速度及加速度等数据。

1 图像分析法的基本原理

图像由诸多的像素组成，像素是组成图像的最小单元。图像分析法的原理，是对图像中被测对象的像素位置进行测量。图1是图像分析法的原理图，每个小方格是1个像素，p1、p2是参考点，p是待测量的标记点。使用图像分析法时，首先定义参考点p1、p2之间的实际距离，再根据参考点之间的像素数量，计算图像中每个像素的实际尺寸，最后根据标记点p在图像中的像素位置变化，计算出标记点p的位移。在图1b中，p点的终止位置相对图1a中的初始位置向右移动了3个像素，因此，p点的位移就是向右移动3个像素的尺寸。视频是诸多连续图像的逐帧播放，进行图像分析时，需连续跟踪标记点在每一帧图像中的像素位置变化，然后计算出标记点在每一帧图像中的位移，再通过不断叠加，得出标记点在碰撞过程中的位移量及在坐标系中的位移方向。

图1 图像分析法原理图

目前，碰撞试验用的高速摄像机的拍摄帧率可以达到1 000～2 000 fps/s。当高速摄像机以2 000 fps/s的速度拍摄时，连续2帧图像的间隔时间为0.5 ms。根据连续2帧图片上标记点的位移，可计算出标记点的速度，再根据速度的变化率，可计算出标记点的加速度。最后经过滤波，输出标记点的位移、速度和加速度的数据和曲线。

但在实际拍摄时，若被测量的标记点所在的标记点平面，与参考点所在的参考平面，距高速摄像机距离不一样，那么标记点和参考点的像素的实际尺寸就不一样。如果仍以参考点的实际像素尺寸计算，就会造成测量结果出现较大的偏差。此时，使用图像分析法需要进行景深修正。景深修正依据了相似三角形的原理，如图2所示。

图2 景深修正示意图

如果参考平面相对标记点平面靠近高速摄像机，如图2 a所示，p点实际位移为：

如果参考平面相对标记点平面远离高速摄像机，如图2 b所示，p点实际位移为：

式中：x2——p点实际位移，mm；

x1——p点基于参考平面实际像素尺寸的位移，mm；

d1——相机平面到参考平面的距离，mm；

d2——参考平面到标记点平面的距离，mm。

2 影响测量结果的因素

2.1 高速摄像机镜头的几何畸变

由于加工误差和装配误差的存在，摄像机光学系统与理想的小孔透视模型有一定的差别，致使物体点在摄像机图像平面上实际所成的像与理想成像之间存在不同程度的非线性光学畸变[2]。光学畸变改变了图像中被测对象的像素尺寸，影响分析结果。采用高质量的镜头，可以降低畸变的影响。目前，配合高速摄像机使用的主流镜头是Nikor 24～85 mm，无论是广角端还是长焦端，其畸变率均小于1.15%[3]，对测量结果的影响较小。

2.2 高速摄相机安装不当

摄像机拍摄姿态，包括俯仰角、侧倾角、偏向角[4]，任何一个角度出现偏差，将导致相机传感器平面与参考平面不平行或图像倾斜，在进行景深修正时，造成测量结果不准确。为解决这一问题，可以借助水泡、数字倾角仪、激光器及必要的工装，调整高速摄像机的机身状态，将其安装不当的影响降低到最低。

2.3 景深测量不准确

景深需在试验前测量，容易出现的问题是测量方向与高速摄像机镜头轴线不平行。根据景深修正原理可知，景深测量不准确，会造成图像分析法的计算结果不准确。目前，碰撞试验室可以借助激光器、便携式三坐标测量机等装置，可以比较准确地测量景深。

2.4 参考点的布置位置不当

参考点作为图像分析法测量的基准，如果在碰撞试验过程中出现了相对位置的改变，那么将无法获得准确的像素尺寸，进而导致所有的测量结果不准确。因此，参考点一般布置在车身刚性较高的部位，并确保碰撞过程中不出现变形；同时，参考点应避免布置在图像的边缘，以降低图像几何畸变的影响。

2.5 高速摄像机的拍摄帧率不准确

高速摄像机的拍摄帧率与测点的速度、加速度计算直接相关。比如，当设置的拍摄速度为2 000 fps/s，连续2帧图像之间的间隔应为0.5 ms；若实际拍摄速度只有1 500 fps/s，那么连续2帧图像之间的间隔为0.667 ms。此时，进行图像分析时，仍按照拍摄速度为2 000 fps/s计算，那么被测对象的速度和加速度将出现较大的偏差。因此，对高速摄像机拍摄速度进行校准，保持拍摄速度的设置值与实际值一致，就显得非常重要。

3 测量精度的验证

文章基于FalCon MovXact图像分析软件，验证其位移、速度和加速度的测量精度。

3.1 位移测量精度验证

位移测量精度的验证采用直接比对的方法。在距离高速摄像机4 218 mm的平面上，粘贴了2个距离为195 mm的参考点，分别标记为为m、n，在软件中的定义如图3所示。然后在直角尺上粘贴1个可移动的标记点，标记为p，如图4所示。将标记点p放在距离参考点200 mm处的平面上（远离高速摄像机方向），软件中景深的定义如图5所示。试验时，将标记点移动145 mm，并用高速摄像机拍下标记点的移动过程。通过FalCon MovXact图像分析软件，对标记点移动的视频进行测量，测得标记点的最终位移量为145.5 mm，位移曲线如图6所示。图像分析法测得标记点的位移，相对实际值的偏差只有0.5 mm，说明了图像分析法的位移测量结果是准确可靠的。

图3 参考点在软件中的定义

图4 可移动的标记点

图5 景深在软件中的定义

图6 标记点的位移曲线（软件生成截图）

3.2 加速度与速度测量精度验证

加速度与速度测量精度的验证采用和加速度传感器比对的方法。以某次在加速式台车上进行的模拟碰撞试验为例，在车身上粘贴2个已知距离的参考点m、n和1个待测量的标记点p，如图7所示，并在p点处的车身上粘贴1个加速度传感器。车身安装在加速式台车的滑台上，滑台以该车型100%正面碰撞的加速度波形发射，同时用高速摄像机以2 000 fps/s的速度拍摄碰撞过程。加速度传感器采集的加速度曲线，和图像分析法测得的标记点p的加速度曲线，如图8所示；对加速度传感器采集的加速度进行积分得到的速度曲线和图像分析法测得的速度曲线，如图9所示。

图7 参考点及标记点位置

图8 加速度曲线对比

图9 速度曲线对比

通过对比，加速度传感器和图像分析法测量的加速度、速度曲线，整体趋势比较吻合。2种方法测得的峰值/时间、谷值/时间和速度值，也比较接近，如表1所示，说明图像分析法对加速度、速度的测量精度也是比较准确的。

表1 加速度极值/时间和速度

4 图像分析法的应用

图像分析法作为一种非接触式的测量技术，已成为汽车碰撞试验中一种重要的测试手段[5]，能够得到大量电测量系统无法获知重要信息[6]。比如，开展碰撞试验时，可用于测量假人头部的位移或车身及底盘的变形；开展鞭打试验时，可以计算靠背张角和座椅滑轨的位移；开展气囊匹配试验时，可以计算气囊展开的过程数据；开展商用车驾驶室正面撞击试验时，可以测量摆锤对驾驶室的侵入量。当然，图像分析法也有一定的局限性，只能在被测对象无遮挡的情况下应用。比如，假人的小腿受车门的遮挡，是无法使用图像分析法测量小腿的运动状态；对假人的头部测量时，若气囊弹出后遮挡住假人的头部，也会导致图像分析的失败。

5 结论

文章介绍了图像分析法的测量原理，并通过试验证明了图像分析法的测量结果是准确的。由于影响图像分析法测量精度的因素较多，对试验前的准备工作要求较高，常用于测量一些电测量系统无法测量的数据。尽管图像分析法的应用有一定的局限性，但作为一种比较简便的测量方法，其在碰撞试验领域仍取得了广泛的应用，有力地支持了汽车被动安全的研究。