實(shí)車碰撞試驗(yàn)室高速攝像系統(tǒng)設(shè)計(jì)淺析

楊康和

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

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實(shí)車碰撞試驗(yàn)室高速攝像系統(tǒng)設(shè)計(jì)淺析

楊康和

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

摘 要：碰撞試驗(yàn)是一項(xiàng)高速的、破壞性極大的試驗(yàn)項(xiàng)目，從全面掌握轉(zhuǎn)瞬即逝的汽車碰撞過(guò)程來(lái)看，高速攝像系統(tǒng)是整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中十分重要的環(huán)節(jié)。文章介紹了實(shí)車碰撞試驗(yàn)中高速攝像系統(tǒng)的組成，并對(duì)高速攝像機(jī)和燈光照明設(shè)備的設(shè)計(jì)和選擇進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

關(guān)鍵詞：碰撞試驗(yàn)；高速攝像；燈光照明；照度

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.045

CLC NO.: U467.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-135-03

前言

實(shí)車碰撞試驗(yàn)是綜合評(píng)價(jià)汽車碰撞安全性能的最基本、最有效的方法，也是汽車研發(fā)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員了解碰撞過(guò)程，掌握有關(guān)碰撞數(shù)據(jù)，改進(jìn)汽車安全設(shè)計(jì)的重要手段。實(shí)車碰撞試驗(yàn)是一項(xiàng)高速的、破壞性極大的試驗(yàn)項(xiàng)目，在碰撞過(guò)程中碰撞車輛車身變形、假人運(yùn)動(dòng)形態(tài)、安全氣囊的開(kāi)爆形態(tài)等具有不可預(yù)見(jiàn)性，僅使用簡(jiǎn)單的電測(cè)量方法很難全面的了解碰撞過(guò)程。從全面掌握轉(zhuǎn)瞬即逝的汽車碰撞過(guò)程這一點(diǎn)來(lái)看，高速攝像系統(tǒng)是實(shí)車碰撞試驗(yàn)過(guò)程中十分重要的環(huán)節(jié)。

1、高速攝像系統(tǒng)的組成

實(shí)車碰撞試驗(yàn)中的高速攝像系統(tǒng)主要由高速攝像機(jī)和燈光照明設(shè)備兩大部分構(gòu)成。高速攝像機(jī)是整個(gè)高速攝像系統(tǒng)的核心部分，而燈光照明設(shè)備作為高速攝像系統(tǒng)的輔助設(shè)備，對(duì)高速攝像機(jī)能否完整記錄試驗(yàn)過(guò)程起到?jīng)Q定性作用。

1.1 高速攝像機(jī)

在高速攝像機(jī)出現(xiàn)以前，在汽車碰撞試驗(yàn)中主要使用的是16mm膠片高速攝影機(jī)。使用高速攝影機(jī)獲取碰撞過(guò)程序列影像時(shí)，在膠片處理中手工操作較多，影像處理周期長(zhǎng)，當(dāng)試驗(yàn)完成后，無(wú)法及時(shí)了解試驗(yàn)結(jié)果、膠片沖洗處理技術(shù)要求高，一旦操作失誤，將給費(fèi)用昂貴的汽車碰撞試驗(yàn)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。隨著電子光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在汽車碰撞試驗(yàn)中已大量使用全數(shù)字的新型高速攝像機(jī)。高速攝像機(jī)不僅可以記錄高速運(yùn)動(dòng)圖像，如碰撞過(guò)程中車輛形態(tài)變化、假人動(dòng)態(tài)變化等，也可以用來(lái)分析位移、速度、加速度以及汽車零部件的其他碰撞參數(shù)。而且，高速攝像機(jī)影像獲取過(guò)程自動(dòng)化程度高，使用非常方便。

實(shí)車碰撞試驗(yàn)過(guò)程中，為全方位的記錄試驗(yàn)過(guò)程，需要一整套的高速攝像機(jī)。整個(gè)一套的高速攝像機(jī)是針對(duì)碰撞瞬間要求設(shè)置的，可以說(shuō)基本上要求的是全方位、立體式拍攝，為此要在不同的區(qū)域和角度放置多個(gè)相機(jī)，如圖1所示。

圖1　高速攝像機(jī)分布示意圖

另外，由于對(duì)同一位置的變化量需要綜合各個(gè)角度的數(shù)據(jù)加以剖析，所以對(duì)于同一位置所有相機(jī)拍攝的必須是同一時(shí)刻內(nèi)的同一個(gè)畫(huà)面，否則由于相機(jī)時(shí)差的不一致，在同一時(shí)刻拍攝的位置變化不是同一個(gè)外力所造成的結(jié)果（如下圖所示），勢(shì)必會(huì)使最終的試驗(yàn)結(jié)果分析出現(xiàn)偏差，進(jìn)而影響整改方向和應(yīng)對(duì)措施。因此，所有相機(jī)的同步性至關(guān)重要。在選擇高速攝像機(jī)時(shí)，需要通過(guò)同步信號(hào)線纜將所有的高速攝像機(jī)聯(lián)成一個(gè)多機(jī)系統(tǒng)，并通過(guò)一臺(tái)控制電腦同步控制。控制電腦可以對(duì)高速攝像機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置，同步拍攝，同步下載，同步數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等，保證所有高速攝像機(jī)在拍攝時(shí)共享同一個(gè)時(shí)鐘，使每張照片都同步。

圖2　高速攝像機(jī)拍攝不同步示意圖

1.2 燈光照明設(shè)備

燈光照明設(shè)備是高速攝像成功與否的重要環(huán)節(jié)，很多拍攝失敗的事例都是由于光照強(qiáng)度不夠，曝光不足，影響反差過(guò)小而導(dǎo)致畫(huà)面模糊。所以，燈光照明設(shè)備的設(shè)計(jì)和選擇也是至關(guān)重要的。

在燈光照明設(shè)備的設(shè)計(jì)和選擇過(guò)程中，必須全面考慮其兩個(gè)方面：

（1）光照度

高速攝像機(jī)的供應(yīng)商傾向于以低光照度來(lái)展示其產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，他們認(rèn)為有很多因素可以影響相機(jī)對(duì)光照的需求，通過(guò)調(diào)整光圈級(jí)數(shù)或者減少曝光時(shí)間，低光照度可以實(shí)現(xiàn)高速攝像。這個(gè)理論在普通領(lǐng)域里可能是對(duì)的，但對(duì)于高速攝像領(lǐng)域卻不完全正確。

根據(jù)目前規(guī)劃的碰撞試驗(yàn)室系統(tǒng)建設(shè)需求，在開(kāi)啟boost功能情況下，碰撞區(qū)域要求平均有120000Lux的光照度要求，同時(shí)地坑中應(yīng)有55000Lux的光照度要求，這是在試驗(yàn)方案中主要測(cè)試區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)值。

Lux的值不是由CCD或CMOS傳感器來(lái)決定的，是由燈光系統(tǒng)的光譜能量分布來(lái)決定的。接下來(lái)我們將對(duì)Lux進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于高速攝像系統(tǒng)，普遍采用CMOS高速相機(jī)進(jìn)行攝像，其典型幀頻為1000fps，曝光時(shí)間為1/5000或更少。這里我們選擇光圈級(jí)數(shù)為5.6，快門開(kāi)角為72，以此來(lái)計(jì)算高速相機(jī)所能感受到的光照度Lux：

常量因子A=25.5，幀頻F=1000，光圈F=5.60，快門開(kāi)角ShA=72，拍攝速度S=400

對(duì)于燈光系統(tǒng)，要求規(guī)定的Lux值是真實(shí)可信的（光譜和太陽(yáng)光光譜基本吻合）。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，這些值將通過(guò)計(jì)算有效的光通量來(lái)再次驗(yàn)證，通過(guò)計(jì)算來(lái)選擇相機(jī)供應(yīng)商，也就是說(shuō)公式中的F是通過(guò)計(jì)算確定的，而不是由相機(jī)供應(yīng)商所提供的。

（2）有效照度

即便光照度是由Lux的測(cè)量來(lái)定義的，但是對(duì)于高速攝影和相機(jī)系統(tǒng)光照效率或更好的有效照度可能會(huì)有所不同。

LUX測(cè)量是通過(guò)一個(gè)傳感器，其和人類雙眼的敏感度類似（如圖3（a））。但是重要的是，對(duì)于安全測(cè)試應(yīng)用來(lái)講，有效的輻照度是由攝影或視頻的靈敏度來(lái)決定的（如圖3 （b））。因此，光照系統(tǒng)更需要滿足這個(gè)敏感度，而不僅僅這個(gè)照度值。

圖3　光譜能量分布

為實(shí)現(xiàn)高速攝像系統(tǒng)所需有效照度，需滿足一下幾個(gè)條件：

（1）對(duì)于高質(zhì)量的圖像和良好的數(shù)據(jù)分析，特別是自動(dòng)采集，照度分布的均勻性是非常重要的。照明區(qū)域均勻性要求：（Emax- Emin）/Emax ≤20%；

（2）需配備超穩(wěn)定的光調(diào)制器，可以使圖像至10000FPS下無(wú)閃爍；

（3）優(yōu)秀高質(zhì)量的高速攝像的色溫應(yīng)該在5600到6000 °K(日光)以上。

根據(jù)上述原則，開(kāi)展燈光照明設(shè)備的設(shè)計(jì)。碰撞區(qū)域采用16盞HMI燈可滿足高速攝像照明要求，為了不影響拍攝效果，將16盞燈分成兩組，分別懸掛在碰撞拍攝區(qū)域的正上方，如圖4所示。

圖4　燈光照明設(shè)備示意圖

2、結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)車碰撞試驗(yàn)中，高速攝像技術(shù)能夠獲得豐富的信息，可以彌補(bǔ)電測(cè)量獲得的一維信息對(duì)現(xiàn)象描述不直觀、不全面的缺憾。用電測(cè)量獲得的假人運(yùn)動(dòng)形態(tài)和車身形變數(shù)據(jù)和同步獲取的高速攝像進(jìn)行對(duì)照分析，可以觀察和分析汽車碰撞過(guò)程中豐富的信息，為設(shè)計(jì)人員提供設(shè)計(jì)和改進(jìn)車輛狀態(tài)提供參考和依據(jù)。

本文通過(guò)對(duì)高速攝像系統(tǒng)中高速攝像機(jī)和燈光照明設(shè)備的主要參數(shù)和指標(biāo)進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，為碰撞試驗(yàn)室高速攝像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選擇提供參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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Real vehicle crash simulation of high-speed camera system design is analysed

Yang Kanghe
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Abstract:Crash test is a high speed and destructive test project.From fully grasp the fleeting car collision process, the high-speed camera system throughout the test is a very important part.In this paper, the composition of the high-speed camera system in the real vehicle crash test is introduced, and the design and selection of the high-speed camera and the lighting equipment are introduced in detail.

Keywords:crash test; high-speed camera; lighting; illumination

作者簡(jiǎn)介：楊康和，大學(xué)本科，就職于安徽江淮汽車股份有限公司，主要從事整車裝配工藝研究。

中圖分類號(hào)：U467.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2016)03-135-03