基于高速攝像的汽車碰撞動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析技術(shù)

劉倩博

摘 要：汽車碰撞試驗(yàn)是評(píng)估車輛安全性的核心環(huán)節(jié)，而高速攝像技術(shù)在這一過程中發(fā)揮著不可或缺的作用，通過捕捉車輛在碰撞瞬間的高速動(dòng)態(tài)，測試車輛在碰撞條件下的物理反應(yīng)。本文提出了一種基于高速攝像的汽車碰撞動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析技術(shù)，通過數(shù)據(jù)捕捉、關(guān)鍵幀與時(shí)刻標(biāo)記的方式記錄并分析碰撞動(dòng)態(tài)過程，為車輛安全性能評(píng)估提供支持。

關(guān)鍵詞：高速攝像機(jī) 汽車碰撞實(shí)驗(yàn) 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析

汽車碰撞動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析的目的在于，根據(jù)車輛碰撞中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)來評(píng)估車輛的安全性能以及設(shè)計(jì)效果，能夠?yàn)槠囋O(shè)計(jì)與改進(jìn)提供必要支持。但傳統(tǒng)的碰撞測試方法往往是根據(jù)碰撞后的車輛損傷程度、乘員受傷程度進(jìn)行評(píng)估，時(shí)效性差且存在安全隱患。而高速攝像技術(shù)可以準(zhǔn)確記錄并重現(xiàn)碰撞中的每一處細(xì)節(jié)，識(shí)別圖像中的像素變化從而判斷車輛形變與乘員動(dòng)態(tài)分析，大大提高了碰撞實(shí)驗(yàn)的時(shí)效性與準(zhǔn)確性。

1 高速攝像機(jī)技術(shù)參數(shù)

1.1 分辨率和幀率

攝像機(jī)的分辨率和幀率決定了圖像的清晰度，所以需采用至少1920x1080的分辨率，由于碰撞過程發(fā)生極快，通常在幾十毫秒至幾百毫秒之間，因此需要極高的幀率來記錄這一過程，高速攝像機(jī)的幀率應(yīng)該達(dá)到至少1000幀/秒，以捕捉足夠的動(dòng)態(tài)信息。

1.2 焦距選擇和視角設(shè)計(jì)

焦距的選取直接影響到攝像機(jī)的視場角（FOV），而視場角則決定了攝像機(jī)能夠捕獲的碰撞事件范圍，視場角可以通過以下公式計(jì)算：

（1）

其中，d表示攝像機(jī)感光元件的尺寸，f為攝像機(jī)的焦距。碰撞測試中，要求攝像機(jī)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控并記錄車輛的結(jié)構(gòu)變形、安全帶狀態(tài)變化、乘員動(dòng)態(tài)等[1]。對(duì)此本文引入了一種基于圖像處理的實(shí)時(shí)監(jiān)測算法，利用連續(xù)幀間的像素差異來檢測和跟蹤車輛碰撞過程中的關(guān)鍵動(dòng)態(tài)，算法的核心是連續(xù)幀間像素差異的計(jì)算，可以用以下公式表示：

（2）

其中，Dt（x，y）表示在時(shí)間t和像素位置（x，y）的像素差異，It（x，y）和It-1（x，y）分別是連續(xù)兩幀在（x，y）位置的像素值。通過對(duì)Dt（x，y）的閾值處理和連續(xù)性分析，可以實(shí)時(shí)檢測車輛碰撞過程中的關(guān)鍵變化。

1.3 景深的控制和影響

景深控制是指在一定的攝像機(jī)設(shè)置和環(huán)境條件下，保持圖像清晰度的范圍。在捕捉汽車碰撞動(dòng)態(tài)時(shí)，適當(dāng)?shù)木吧顚?duì)于保持碰撞過程中各個(gè)部分的清晰可見至關(guān)重要，景深可通過下列公式近似計(jì)算：

（3）

其中DOF表示景深，N是光圈值，c代表環(huán)圈模糊標(biāo)準(zhǔn)（即接受的最大模糊圓直徑），u是被攝物體到鏡頭的距離，而f是焦距。

2 汽車碰撞動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的獲取與分析

2.1 碰撞實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

汽車碰撞測試主要分為正面碰撞、側(cè)面碰撞、后端碰撞，模擬實(shí)際交通事故中可能發(fā)生的不同情景，以評(píng)估車輛在各種碰撞情況下的安全性能。

正面碰撞測試能夠檢驗(yàn)車輛對(duì)駕駛室的保護(hù)能力，車輛以一定的速度向固定障礙物前進(jìn)，這種碰撞的動(dòng)力學(xué)可通過以下公式表示：

（4）

其中F是碰撞時(shí)產(chǎn)生的力，m是車輛的質(zhì)量，a是碰撞時(shí)的加速度，正面碰撞測試的關(guān)鍵在于觀察駕駛室的結(jié)構(gòu)完整性以及安全帶、氣囊是否正常運(yùn)作。

側(cè)面碰撞測試則關(guān)注車輛在側(cè)向受力時(shí)的安全性能，模擬另一輛車撞擊被測試車輛的側(cè)面，這種碰撞的動(dòng)能可以用以下公式計(jì)算：

（5）

其中KE代表動(dòng)能，m是撞擊車輛的質(zhì)量，v是其速度，側(cè)面碰撞測試重點(diǎn)評(píng)估車門、窗戶和側(cè)面氣囊的防護(hù)能力。

后端碰撞測試評(píng)估車輛在被其他車輛從后方撞擊時(shí)的安全性，重點(diǎn)是乘員頸部和脊椎的保護(hù)，翻車測試則是評(píng)估車輛在翻滾過程中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和乘員保護(hù)系統(tǒng)的有效性，可以實(shí)時(shí)計(jì)算其加速度和撞擊力，這個(gè)算法可以通過以下公式實(shí)現(xiàn)：

（6）

其中at是在時(shí)間t的加速度，Δv是在短時(shí)間Δt內(nèi)的速度變化，F(xiàn)t是在時(shí)間t中的撞擊力。通過這種方法，高速攝像技術(shù)不僅可以提供碰撞過程的視覺記錄，還能實(shí)時(shí)計(jì)算和分析碰撞過程中的關(guān)鍵動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

2.2 高速攝像數(shù)據(jù)的收集

2.2.1 數(shù)據(jù)捕捉過程

攝像機(jī)的幀率必須足夠高，以捕捉到快速發(fā)生的碰撞事件，假設(shè)攝像機(jī)的幀率為幀/秒，碰撞過程持續(xù)時(shí)間為秒，則攝像機(jī)總共捕捉的幀數(shù)可以表示為：

（7）

每一幀圖像都需要通過算法進(jìn)行處理以提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)，采用光流法析連續(xù)幀之間的像素位移，可以估算出物體的運(yùn)動(dòng)速度和方向，光流向量的大小和方向可以通過以下公式計(jì)算：

（8）

其中Δx和Δy分別表示水平和垂直方向上的像素位移，Δt是連續(xù)幀之間的時(shí)間間隔[2]。為了進(jìn)一步分析碰撞過程中的力學(xué)特性，可以通過光流法計(jì)算得到的速度變化來計(jì)算碰撞力，假設(shè)物體的質(zhì)量為m，根據(jù)牛頓第二定律，碰撞力F可以表示為：

（9）

其中a為加速度，Δv為速度變化量。

2.2.2 關(guān)鍵幀和時(shí)刻標(biāo)記

關(guān)鍵幀的準(zhǔn)確標(biāo)記是檢驗(yàn)碰撞動(dòng)力學(xué)過程的主要手段，重點(diǎn)在于物體運(yùn)動(dòng)的變化率，通過計(jì)算連續(xù)幀之間的位置變化來實(shí)現(xiàn)，設(shè)物體在第i幀和第i+1幀的位置分別為Pi和Pi+1，位置變化可以表示為：

（10）

還需要計(jì)算關(guān)鍵幀間的速度變化ΔV和加速度A，如果以Vi和Vi+1表示連續(xù)幀的速度，則速度變化可以表示為：

（11）

其中Δt為幀之間的時(shí)間間隔。

2.2.3 圖像質(zhì)量和數(shù)據(jù)完整性

攝像機(jī)的分辨率決定了圖像的清晰度，而幀率影響到能夠捕捉到的動(dòng)態(tài)細(xì)節(jié)的程度，假設(shè)攝像機(jī)的分辨率R為像素，幀率f為幀/秒，那么圖像的信息量I可以表示為：

（12）

圖像的信噪比（SNR）也是評(píng)估圖像質(zhì)量的重要指標(biāo)，影響著圖像的清晰程度以及細(xì)節(jié)展現(xiàn)情況，SNR可以通過以下公式表示：

（13）

其中Psignal是信號(hào)功率，Pnoise是噪聲功率，為了保證數(shù)據(jù)的完整性，還需要一個(gè)算法來實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)收集過程，并在數(shù)據(jù)丟失或質(zhì)量下降時(shí)發(fā)出警告。可以通過實(shí)時(shí)計(jì)算每幀圖像的信息熵來實(shí)現(xiàn)，信息熵可以用以下公式表示：

（14）

其中p（xi）是圖像中第i像素值的概率，通過監(jiān)測H的變化可以評(píng)估圖像質(zhì)量的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的完整性[3]。

2.3 數(shù)據(jù)分析方法

2.3.1 圖像處理和數(shù)據(jù)提取

圖像預(yù)處理包括去噪、對(duì)比度增強(qiáng)和圖像銳化等，去噪是通過濾波器移除圖像中的隨機(jī)噪聲，以提高圖像質(zhì)量，可以使用高斯濾波器來平滑圖像，其數(shù)學(xué)表示為：

（15）

其中G（x，y）是高斯濾波器的響應(yīng)函數(shù)，σ是標(biāo)準(zhǔn)差，代表濾波器的寬度。

對(duì)比度增強(qiáng)可以通過直方圖均衡化實(shí)現(xiàn)，其基本原理是重新分配圖像的亮度值以擴(kuò)展整個(gè)可用范圍，直方圖均衡化的公式可以表示為：

（16）

其中H（v）是均衡化后的值，p（j）是原始圖像中亮度為j的像素的概率。圖像銳化可以增強(qiáng)圖像中的邊緣，讓物體輪廓的呈現(xiàn)效果更加清晰，可以通過拉普拉斯算子來實(shí)現(xiàn)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

（17）

其中f（x，y）代表圖像f（x，y）的拉普拉斯算子。

在預(yù)處理之后就可以從圖像中提取出數(shù)據(jù)，通過基于特征的識(shí)別算法來實(shí)現(xiàn)，如使用邊緣檢測技術(shù)識(shí)別車輛結(jié)構(gòu)的邊界，蘇貝爾算子是一種常用的邊緣檢測方法，其水平和垂直算子分別表示為：

（18）

這些算子可以在圖像處理中應(yīng)用，判斷水平和垂直方向上的邊緣。

2.3.2 碰撞動(dòng)力學(xué)分析

首先需要對(duì)碰撞過程中的力量和能量轉(zhuǎn)換進(jìn)行計(jì)算，設(shè)車輛的質(zhì)量為m，在碰撞前的速度為v1，碰撞后的速度為v2，根據(jù)動(dòng)量守恒定律，碰撞中的沖量J可以表示為：

（19）

碰撞的動(dòng)能變化是檢驗(yàn)車輛結(jié)構(gòu)完整性和能量吸收能力的重要指標(biāo)，其計(jì)算公式為：

（20）

通過高速攝像數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)測試出車輛的速度變化，計(jì)算碰撞中的動(dòng)能變化，根據(jù)車輛的變形過程來估算作用于車輛不同部分的力量，如通過測量車輛前部碰撞前后的變形程度，可以估算碰撞力F，其計(jì)算公式為：

（21）

其中Δx是車輛變形的距離，k是車輛前部結(jié)構(gòu)的剛度系數(shù)。

2.3.3 安全特性評(píng)估

安全特性評(píng)估內(nèi)容包括車輛結(jié)構(gòu)完整性、安全性能、碰撞能量分布和吸收等，可以根據(jù)這些評(píng)估結(jié)果判斷車輛的設(shè)計(jì)效果。根據(jù)高速攝像數(shù)據(jù)可以量化車輛碰撞前后的形變量，這通常通過測量車輛關(guān)鍵部位在碰撞前后的位移來實(shí)現(xiàn)，假設(shè)車輛某部位在碰撞前后的位移分別為dinitial和dfinal，那么形變量可以表示為：

（22）

乘員保護(hù)系統(tǒng)包括安全帶和安全氣囊，質(zhì)量評(píng)估的重點(diǎn)在于碰撞過程中所受的力量數(shù)據(jù)，可以利用安全氣囊的展開時(shí)機(jī)、安全帶的張力以及乘員頭部、頸部和胸部的運(yùn)動(dòng)參數(shù)來評(píng)估，安全氣囊的展開時(shí)間tairbag需要與碰撞時(shí)刻tcollision對(duì)應(yīng)：

（23）

碰撞能量的分布和吸收也是評(píng)估車輛安全性的主要指標(biāo)，假設(shè)動(dòng)能的初值和末值分別為KEinitial和KEfinal，能量吸收量可以通過下列公式計(jì)算：

（24）

還可以引入一個(gè)基于圖像識(shí)別和動(dòng)態(tài)分析的算法，對(duì)高速攝像數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵特征點(diǎn)進(jìn)行提取，并計(jì)算其運(yùn)動(dòng)參數(shù)[4]。如通過追蹤假人頭部的位移和加速度，可以評(píng)估假人在碰撞中的受力情況，假設(shè)頭部的位移向量為，其加速度向量可以通過下列公式計(jì)算：

（25）

其中是測量間隔時(shí)間。

3 案例研究

選取標(biāo)準(zhǔn)家用轎車進(jìn)行正面碰撞試驗(yàn)。設(shè)定碰撞速度為50公里/小時(shí)，模擬實(shí)際道路交通事故中的常見碰撞速度，在車輛正面和側(cè)面以及車內(nèi)安裝高速攝像機(jī)，確保能捕捉到碰撞的全過程。高速攝像機(jī)機(jī)位分別設(shè)計(jì)在車輛的正面、側(cè)面、乘員假人區(qū)域，攝像機(jī)配置如表1所示。本次測試過程為正面碰撞測試，確保所有數(shù)據(jù)按照預(yù)定配置成功捕捉。

高速攝像數(shù)據(jù)顯示，碰撞發(fā)生時(shí)車輛前端形變明顯，安全氣囊在碰撞后0.05秒內(nèi)成功展開，車內(nèi)攝像機(jī)捕捉到假人在碰撞過程中的動(dòng)作，包括頭部前傾和安全帶張緊過程，拍攝結(jié)果如表2所示。

通過對(duì)高速攝像數(shù)據(jù)的分析，車輛前端在碰撞后的形變量達(dá)到40厘米，顯示了前端吸能結(jié)構(gòu)在碰撞時(shí)的效能。利用前述公式估算碰撞力量，確定車輛前端吸收了大量碰撞能量。安全氣囊的快速展開與安全帶的有效約束表明乘員保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)迅速且有效。高速攝像技術(shù)捕捉的數(shù)據(jù)展示了車輛在碰撞過程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，包括車輛結(jié)構(gòu)的變形、乘員約束系統(tǒng)的反應(yīng)，以及乘員模擬假人的動(dòng)態(tài)。這些數(shù)據(jù)對(duì)于理解車輛在碰撞中的表現(xiàn)至關(guān)重要，并為未來車輛安全設(shè)計(jì)提供了重要參考。

4 結(jié)語

高速攝像機(jī)為車輛碰撞測試提供了新的思路，對(duì)碰撞過程中車輛結(jié)構(gòu)、乘員的動(dòng)態(tài)進(jìn)行抓捕、記錄、數(shù)據(jù)分析等，能夠準(zhǔn)確判斷出車輛的安全性能，對(duì)于車輛設(shè)計(jì)、安全系統(tǒng)優(yōu)化、交通安全來說具有關(guān)鍵意義。

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