基于Kinovea線性插值假人頭部位移的計算

蔣運誠

1.上海大學管理學院，上海 200444;2.億科檢測認證有限公司,江蘇蘇州 215331

0 引言

兒童安全座椅是用于兒童乘員車上使用的安全裝置，在發(fā)生事故或者突然剎車的時候，能夠起到約束兒童移動而避免受傷的作用。在兒童安全座椅測試中，有很多指標需要考查，在我國國標GB 27887—2011[1]、歐洲標準UNECE R44和UNECE R129、美國標準FMVSS 213中[2]，假人的頭部位移是主要的評判指標之一。因此假人的頭部位移計算準確至關重要。通過高速攝像機可以將拍攝對象投影到二維平面上得到相應的碰撞視頻[3]，借助相應的軟件可以完成有關頭部的位移計算[4]。

兒童安全座椅測試中，圖像分析是必不可少的分析方法[5]，Kinovea是一款功能強大的運動分析軟件[6]，可以逐幀播放高速相機所拍攝的視頻。本文根據(jù)該軟件的部分功能，優(yōu)化兒童安全座椅測試過程中假人頭部位移計算的準確度。

1 相機成像原理

凸透鏡成像原理如圖1所示。

圖1 凸透鏡成像原理

圖1中,H代表實際物體的高度;h表示H在相機成像的高度;u代表物距，即相機到拍攝對象之間的距離;v代表像距，即相機鏡頭的凸透鏡到感光傳感器之間的距離。

相機的成像原理要滿足物距u>2f,像距應滿足f

由圖1可得到△AOB∽△A′OB′,所以可以得到

(1)

待定系數(shù)A的計算公式為：

(2)

式中：H′,h′,u′由兩個已知距離的標記點計算出來。

所以有

(3)

2 模擬碰撞試驗

2.1 試驗過程

首先將兒童安全座椅按照說明書要求的方式進行安裝，再將兒童假人按照GB 27887要求的方法安裝到兒童安全座椅上面，將假人的傳感器連接到數(shù)據(jù)采集器，用于碰撞瞬間采集兒童身體的加速度等數(shù)據(jù)。測試前檢查并調試左側、右側以及頂部的相機狀態(tài)，選擇合適的相機鏡頭。將每一部高速相機的采集頻率設置為1 000幀/s，并將高速相機狀態(tài)設置為待觸發(fā)狀態(tài)。為了滿足高速相機的拍攝，在臺車軌道附近配備有高亮度的LED光源。試驗室采用的是德國PCO高速相機，配有多款鏡頭，不同的鏡頭存在不同程度的畸變，此次測試使用的兩部車載相機使用的鏡頭焦距為12 mm和16 mm,頂部相機使用的鏡頭焦距為8 mm。

試驗使用的設備是加速式臺車，將臺車的速度和加速度按照GB 27887設置完成并將高速相機和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及滑臺設置為同一觸發(fā)信號T0,即在滑臺開始移動的瞬間，數(shù)據(jù)采集器和高速攝像機也同步開始工作。整個模擬碰撞持續(xù)的時間約為100 ms，高速相機采集的時間為300 ms。碰撞完成以后，數(shù)據(jù)采集器和高速相機自動下載原始數(shù)據(jù)。

2.2 FalCon軟件的參數(shù)設定

基于上述的相機成像原理，在圖像分析軟件FalCon中打開一個撞擊測試視頻，定義3個點標，分別記為M1、M2、M3,如圖2所示。其中M3作為基準點，M1、M2的距離u′為300 mm，即上述公式中的參數(shù)H′輸入相機鏡頭到點標平面之間的距離。M1、M2兩點之間的像素點為h′;輸入相機到拍攝物體之間的距離為5 355 mm,即表達式中的u。在圖2中完成從基準點M3到假人頭部邊緣的數(shù)據(jù)采集，即高度h從最大位移之前開始采集到最大位移之后結束采集。因此在眾多數(shù)據(jù)中必有一幀對應的是假人頭部最大的位移，根據(jù)散點圖可以描繪出如圖3所示的曲線。因此可以得出在該測試中，通過FalCon計算得到的假人最大頭部位移為665 mm。在該測試中，M1到M2之間的比例尺為300 mm,在視頻中靠近中間的區(qū)域，但是在實際測量中M3到假人頭部輪廓邊緣靠近視頻的邊界區(qū)域?？紤]到相機鏡頭的畸變，將M1、M2作為比例尺，線性計算M3到假人頭部位移不夠精確。

圖2 FalCon軟件界面

圖3 位移曲線

2.3 FalCon的結果誤差分析

本文采集9組數(shù)據(jù)進行實際距離與誤差之間的Person相關系數(shù)分析，結果見表1。

表1 實際距離與誤差之間的Person相關系數(shù)分析結果 單位:mm

相關系數(shù)計算過程如下：

(4)

將實際距離和誤差代入式(4)可以得到:

(5)

Minitab相關性分析如圖4所示。

圖4 Minitab 相關性分析

由圖4可知，相機鏡頭越靠近邊緣位置，畸變越大，產生的計算誤差也就越大。

3 基于Kinovea軟件位移計算的研究

3.1 標定板制作

如圖5所示，在一塊平整的白板上畫好100×100網(wǎng)格，并在每一個定位格點上粘貼定位標貼，再使用鋼直尺準確測量并記錄相鄰定位標貼中心點的距離,并記錄在表2中。

圖5 標定板示意

表2 X方向相鄰點的實測距離 單位:mm

3.2 基準平面的圖像采集

首先將高速相機固定好位置，并且記錄好相機位置，后續(xù)測試保持該機位的統(tǒng)一。然后把制作好的標定板放在將要測量的假人中心面所在的平面內。最后調整好相機參數(shù)，拍攝10 ms時長的視頻并保存為V1，如圖6所示。

圖6 基準平面示意

3.3 臺車Cr 點坐標采集

保持相機位置不變，安裝并固定測試夾具，以R44座椅為例進行Cr點(座椅的座面和靠背相交線稱為Cr線，Cr線的中點稱為Cr點)的采集，按第3.2節(jié)的方法，采集10 ms的視頻并保存為V2，如圖7所示。

圖7 座椅基準示意

3.4 像素點采集

使用Kinovea軟件打開視頻V1和V2,使用像素坐標功能將所有的標貼以及Cr點的像素坐標讀取并記錄在表3中，像素坐標如圖8所示。

表3 X方向像素坐標值

圖8 像素坐標示意

3.5 線性插值

在Kinovea軟件中可以得到V2視頻中的Cr點坐標位為(799，-930)，查閱表3可以得到該點的X坐標在767～847范圍內，即在X7～X8范圍內，根據(jù)線性插值可以計算Cr點距離標記點(X7，Y8)的距離為：

(6)

3.6 數(shù)據(jù)采集測試及位移計算

在一次常規(guī)撞擊測試中采集撞擊的視頻，利用Kinovea軟件打開，使用“視頻疊加”功能在假人頭部位移最大的時刻與V1疊加，如圖9所示。同時使用“選點”功能選取假人頭部輪廓最大位移的點，并記錄該點的像素坐標X2(397，-539)。該點的X方向坐標在371～451范圍內，距離標記點(X3，Y7)的距離為：

圖9 視頻疊加示意

(7)

記X3～X4距離為D3,X4～X5距離為D4，X5～X6距離為D5，X6～X7距離為D6,由表2可知Y7所在行對應的D3、D4、D5、D6分別是100、99、100、100 mm。所以，此測試假人頭部最大位移為：D=D1+D2+D3+D4+D5+D6=40+67.5+100+99+100+100=506.5(mm)

4 統(tǒng)計過程控制

試驗室分別使用FalCon軟件和上面提出的位移計算方法，對同一產品的相同測試條件進行了30次撞擊測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，其結果見表4和表5。

表4 FalCon計算結果統(tǒng)計 單位:mm

表5 Kinovea插值計算結果統(tǒng)計 單位:mm

FalCon統(tǒng)計數(shù)據(jù)均值極差控制圖如圖10所示，Kinovea統(tǒng)計數(shù)據(jù)均值極差控制圖如圖11所示。

圖10 FalCon統(tǒng)計數(shù)據(jù)均值極差控制圖

圖11 Kinovea統(tǒng)計數(shù)據(jù)均值極差控制圖

由圖10可知，F(xiàn)alCon統(tǒng)計的結果均值為473.47 mm,上控制線為482.57 mm,下控制線為464.36 mm,平均極差為8.90 mm。由圖11可知，Kinovea統(tǒng)計的結果均值為465.4 mm,上控制線為467.425 mm,下控制線為463.375 mm,平均極差為1.979 mm。經(jīng)過對比，Kinovea統(tǒng)計數(shù)據(jù)的過程穩(wěn)定性明顯高于FalCon軟件所統(tǒng)計的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。

5 結束語

根據(jù)微分原理，網(wǎng)格越小，兩點之間的連線越接近于直線，即上述線性插值計算的精度越高。根據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，100×100的網(wǎng)格足以滿足該試驗中的假人頭部位移計算。在上述方法中，得到像素坐標點以后，要查閱表2和表3才能完成相應的插值計算，本文也嘗試過使用Excel中的腳本功能，編寫代碼可以快速完成像素點位的索引并完成計算，返回位移計算結果，這種方式可以大大提升Kinovea線性插值計算假人頭部位移的效率。在兒童安全座椅模擬碰撞測試中，假人頭部位移的計算是必不可少的步驟，通過Kinovea軟件的功能，實現(xiàn)線性插值，減少相機鏡頭畸變導致的誤差，以此來提高假人頭部位移的精度。