例談視頻運(yùn)動(dòng)分析法在汽車碰撞試驗(yàn)中的使用

陳亮鋒

【摘 要】 介紹了視頻運(yùn)動(dòng)分析法的原理及其在汽車碰撞試驗(yàn)中的應(yīng)用情況。通過汽車偏置碰撞試驗(yàn)實(shí)例介紹了圖像運(yùn)動(dòng)分析軟件Movias Pro 2D的使用方法，并通過把該實(shí)例得出的視頻分析數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)測量方法相比對(duì)，總結(jié)了該方法用于汽車碰撞試驗(yàn)中的可取之處與局限，為旨于在試驗(yàn)中獲取更全面研發(fā)數(shù)據(jù)的讀者提供參考。

【關(guān)鍵詞】 視頻運(yùn)動(dòng)分析 電測量 汽車碰撞試驗(yàn) 景深修正 正交分量

隨著汽車業(yè)界對(duì)車輛日益增長的被動(dòng)安全要求，工程人員需要對(duì)汽車碰撞試驗(yàn)中車身各部位變形、假人身體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行追蹤與分析，并以此為依據(jù)對(duì)不同的組件作出完善的調(diào)節(jié)[1]。為此，人們研究出了多種途徑以使汽車碰撞中完整的運(yùn)動(dòng)測量、運(yùn)動(dòng)分析成為可能，視頻運(yùn)動(dòng)分析法便是其中之一。

1 視頻運(yùn)動(dòng)分析法

視頻運(yùn)動(dòng)分析法（下面簡稱視頻分析法）是對(duì)被測物體的運(yùn)動(dòng)用圖像處理的方法進(jìn)行解析，實(shí)現(xiàn)定性分析和定量的動(dòng)態(tài)攝影測量的方法[2]。

1.1 視頻分析法的優(yōu)缺點(diǎn)

（1）優(yōu)點(diǎn)：1）成本低。車外布置高速攝影機(jī)，相比車內(nèi)安裝傳感器，降低了設(shè)備在試驗(yàn)過程中因撞擊而損壞的風(fēng)險(xiǎn)。2）可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的定性分析和定量動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)測量分析的有機(jī)結(jié)合。[2]3）測量位置靈活。只要能被鏡頭捕獲的位置，都可能成為圖像追蹤和運(yùn)動(dòng)分析的對(duì)象。4）對(duì)目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的捕捉更準(zhǔn)確和直觀。

（2）缺點(diǎn)：1）存在測量盲點(diǎn)。如假人下半身的可視性會(huì)受到限制。2）光學(xué)攝錄存在由于硬件的光學(xué)性能及鏡頭成像固有的光學(xué)原理而導(dǎo)致的光學(xué)誤差。對(duì)于缺點(diǎn)1提到的測量盲點(diǎn)本文不作討論。對(duì)碰撞假人的運(yùn)動(dòng)分析，本文只涉及可由車外鏡頭捕獲的，且在碰撞事故中易受致命傷害的頭部。對(duì)于缺點(diǎn)2，下文將重點(diǎn)論述影響視頻分析法精度的因素，克服該不良影響的方法，并以實(shí)例展示視頻分析法在汽車碰撞試驗(yàn)中的表現(xiàn)。

1.2 影響視頻分析法精度的因素及解決方法

（1）攝影機(jī)的幾何畸變。攝影機(jī)的幾何畸變是指在圖像平面上圖像點(diǎn)在幾何位置上的誤差，從而造成成像系統(tǒng)不能使圖像與實(shí)際景物在全視場范圍內(nèi)嚴(yán)格滿足針孔成像模型（或中心投影關(guān)系），使中心投影射線發(fā)生彎曲[3]。隨著攝影工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，利用鏡頭及鏡片組的光學(xué)設(shè)計(jì)、選用高質(zhì)量的光學(xué)材料，配合攝影機(jī)處理器的糾正功能，已使透視變形降到很低的程度。就本文探討的試驗(yàn)所采用的Nikor VR24mm-85mm廣角鏡頭而言，無論是廣角端還是長焦端，其畸變率均小于1.15%，對(duì)運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果的影響可以接受。

（2）多個(gè)目標(biāo)物的景深不同引起的投影坐標(biāo)差異。被拍攝的物體當(dāng)中，最靠近攝影機(jī)鏡頭的物體看起來會(huì)比遠(yuǎn)離鏡頭的物體大得多，這是因?yàn)樵诰吧畈煌母鱾€(gè)平面中，物體在影片中的投影距離是不一樣的。為了在同一個(gè)鏡頭影像中分析與比較各平面上的距離，必須進(jìn)行景深距離修正（下文簡稱景深修正）。景深修正原理如圖1所示。

在圖1中，以目標(biāo)點(diǎn)P1為例：

P1：測量點(diǎn)P1的視覺感知位置；

P1”：測量點(diǎn)P1被景深修正后的位置。

利用三角原理可得出點(diǎn)P1的景深修正系數(shù)；

把修正以前的測量點(diǎn)的坐標(biāo)記為（x，y）；攝影屏幕中心點(diǎn)的坐標(biāo)記為（cx，cy）；經(jīng)過景深修正后的測量點(diǎn)坐標(biāo)記為（X，Y），則有：

X=cx+（x-cx）×k；Y=cy+（y-cy）×k。

從以上方程式可以看出，當(dāng)認(rèn)定基準(zhǔn)平面為比較平臺(tái)時(shí)，測量點(diǎn)P1看上去會(huì)比實(shí)際更遠(yuǎn)離鏡頭光軸，又因?yàn)閷?duì)P1而言d1/D=k的值小于1，所以經(jīng)運(yùn)算后的修正坐標(biāo)會(huì)被縮??；同理，測量點(diǎn)P2經(jīng)運(yùn)算后的修正坐標(biāo)會(huì)被擴(kuò)大。在目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過程景深不變的情況下，景深修正使不同景深的目標(biāo)點(diǎn)得以在同一坐標(biāo)系下進(jìn)行分析。

2 Movias Pro運(yùn)動(dòng)分析實(shí)例

汽車碰撞試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)分析的內(nèi)容包括運(yùn)動(dòng)軌跡、速度、加速度。本文選取了2012年于廣東汽車檢測中心碰撞試驗(yàn)室執(zhí)行的40%偏置碰撞試驗(yàn)視頻作為研究對(duì)象，利用日本著名的視頻分析軟件“Movias Pro 2D”，展示視頻分析法在這三要素測量上的表現(xiàn)。

2.1 Movias Pro分析準(zhǔn)備

本次分析取兩個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，第一點(diǎn)為正駕駛位置假人頭部中心，記為“Point 0”；第二點(diǎn)為車身B柱上方位置，記為“Point 1”。（見圖2）

在Movias Pro中，通過對(duì)圖像中光學(xué)標(biāo)記點(diǎn)的捕捉，可以得到目標(biāo)點(diǎn)未經(jīng)修正的運(yùn)動(dòng)軌跡原始數(shù)據(jù)。這組數(shù)據(jù)完全基于圖像中的像素坐標(biāo)，使用前須進(jìn)行一系列數(shù)據(jù)處理。

（1）基本長度換算。在視頻中的長度標(biāo)識(shí)條上選取兩個(gè)點(diǎn)（Mark1，Mark2）（見圖2），賦予兩點(diǎn)間對(duì)應(yīng)的實(shí)際距離“1m”。

（2）設(shè)定T0時(shí)刻與坐標(biāo)系。要與電測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，就必須取得與電測量同步的“時(shí)鐘”。試驗(yàn)過程已通過帶狀開關(guān)捕捉到了車輛與碰撞壁障接觸的時(shí)刻，并于視頻數(shù)據(jù)與電測量數(shù)據(jù)中同時(shí)記錄。坐標(biāo)系取T0時(shí)刻左前車輪中心所在位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，遠(yuǎn)離碰撞壁障的方向?yàn)閄軸正方向，豎直向上為Y軸正方向。

（3）景深修正。經(jīng)測量：車身標(biāo)記點(diǎn)（Point 1）所在平面景深9.0m，設(shè)為基準(zhǔn)平面；頭部標(biāo)記點(diǎn)（Point 0）所在平面景深9.5m。分別把兩目標(biāo)點(diǎn)景深修正前、后的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線關(guān)于坐標(biāo)系對(duì)齊疊放，得到圖3。

景深修正前后，假人頭部（point 0）的軌跡曲線并沒有發(fā)生太大的偏移。這是由于假人頭部標(biāo)記與基準(zhǔn)平面非常接近，景深修正系數(shù)K=9.5/9=1.06，修正幅度較小。同理，Point 1處在基準(zhǔn)面上，因而無需修正。

至此，已得到經(jīng)過理論校準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。通過軟件的求導(dǎo)功能可進(jìn)一步得到速度與加速度數(shù)據(jù)，用以驗(yàn)證該方法與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法所得結(jié)果的一致性。

2.2 數(shù)據(jù)分析與比對(duì)endprint

為了利用單次試驗(yàn)中有限的數(shù)據(jù)，本文將從三個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比：（1）車身碰撞速度值的一致性；（2）假人頭部合成加速度的一致性；（3）假人頭部加速度正交分量的一致性。

2.2.1 碰撞速度值的一致性

圖4是視頻分析法與激光測速儀分別得到的車輛碰撞前的速度值。

視頻分析曲線中，觸發(fā)前40ms至觸發(fā)0點(diǎn)，車身標(biāo)記（Point1）的速度值保持在30.10km/h～30.25km/h的區(qū)間內(nèi)。

由經(jīng)校準(zhǔn)的激光測速儀測出，車輛距離碰撞位置1m時(shí)，車身對(duì)應(yīng)速度為30.20km/h。

可見，在本次車身碰撞速度的測量上，視頻分析法與激光測速儀測量值高度吻合。

2.2.2 假人頭部合成加速度的一致性

把Movias Pro輸出的假人頭部合成加速度曲線與電測量輸出的曲線關(guān)于時(shí)間軸對(duì)齊，得到圖5。

（1）合成加速度峰值對(duì)比。圖5中，視頻分析法得出的合成加速度峰值為298.56m/s2，出現(xiàn)在第134ms；電測量得出的合成加速度峰值為300.00m/s2，出現(xiàn)在第133ms。視頻分析結(jié)果峰值的大小數(shù)值誤差約為0.4%，峰值時(shí)間基本重合。因此，在加速度峰值的測量上，視頻分析法與電測量法的結(jié)果高度吻合。

（2）合成加速度波形比對(duì)。由圖5可見，兩組合成加速度曲線無論是形狀、峰值大小、響應(yīng)時(shí)刻都有很好的一致性。不甚吻合的位置出現(xiàn)在160ms附近，為了分析偏差原因，筆者把該時(shí)刻的正前方攝影畫面調(diào)出（見圖5右側(cè)）。由于此次碰撞試驗(yàn)為40%偏置碰撞，車輛在碰撞后發(fā)生一定程度的“甩尾”，此刻假人頭部接觸方向盤并向車輛左側(cè)偏扭，使其實(shí)際運(yùn)動(dòng)在分析視頻的拍攝方向產(chǎn)生了分量，而2D視頻分析法無法記錄此方向的運(yùn)動(dòng)，因此兩組數(shù)據(jù)在此刻無法作出有效比對(duì)。當(dāng)頭部離開方向盤后，兩曲線又重新趨向一致。

2.2.3 假人頭部加速度正交分量的一致性

碰撞過程中，由于假人頭部的持續(xù)擺動(dòng)，頭部傳感器的測量軸方向?qū)⒊掷m(xù)變化，而視頻分析坐標(biāo)軸相對(duì)于畫面是固定的。要進(jìn)行正交分量的結(jié)果比對(duì)，首先要統(tǒng)一兩組數(shù)據(jù)的正交軸方向。筆者選擇把視頻分析法得到的加速度分解到頭部傳感器的X、Y兩測量軸上。

如圖6所示，假人頭部由前半部分和后腦蓋部分組成，頭部傳感器的安裝平臺(tái)正好與后腦蓋的安裝面相垂直，因此，只要測量出后腦蓋的安裝面與畫面豎直方向的夾角，就可知道任意時(shí)刻視頻分析坐標(biāo)軸XY與傳感器測量軸XY的夾角。

下文將取t=100ms和t=134ms兩時(shí)刻，驗(yàn)證視頻分析法與電測量法所得的結(jié)果的吻合性。

（1）t=100ms。

對(duì)應(yīng)的頭部畫面如圖6的左圖所示，后腦蓋安裝面始終清晰可辨，可量得此刻頭部傳感器軸線偏離視頻分析坐標(biāo)軸的角度θ=12°。

讀取Movias Pro數(shù)據(jù)表得到ax=81.3m/s2，ay=-114.3m/s2

取相對(duì)假人頭部向前與向上方向?yàn)殡姕y量坐標(biāo)系的X軸、Y軸正方向，把a(bǔ)x、ay矢量轉(zhuǎn)換至X軸、Y軸上，得出：

ax=-ay×sin12°+（-ax×cos12°）=114.3×sin12°-81.3×cos12°=-55.7m/s2

ay=ay×cos12°+（-ax×sin12°）=-114.3×cos12°-81.3×sin12°=-128.7m/s2

（2）t=134ms（合成加速度峰值點(diǎn)）。

通過圖6的右圖可量得此刻頭部傳感器測量軸線偏離視頻分析坐標(biāo)軸的角度θ=57°。

同理，通過Movias Pro讀得：ax=297.6m/s2，ay=6.0m/s2

分別投影到傳感器軸線方向，得出：

ax=-ay×sin57°+（-ax×cos57°）=-6×sin57°-297.6×cos57°=-167.2m/s2

ay=ay×cos57°+（-ax×sin57°）=6×cos57°-297.6×sin57°=-246.2m/s2

（3）視頻分析法與電測量結(jié)果對(duì)比。

圖7是由假人頭部傳感器通過電測量得到的加速度正交分量曲線。

把圖7中第100ms與第134ms兩時(shí)刻的數(shù)值讀出，并與上文通過視頻分析法得到的ax、ay對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

3 結(jié)語

通過比對(duì)可以發(fā)現(xiàn)在碰撞試驗(yàn)中：對(duì)速度的測量，視頻分析結(jié)果與激光測速儀的測量值具有高度的一致性。對(duì)假人頭部加速度的測量：（1）合成加速度峰值：視頻分析法無論在峰值大小或峰值時(shí)刻上，都與傳感器的電測量值具有高度的一致性；（2）合成加速度波形：視頻分析法得到的波形與傳感器的電測量波形基本重合。但一旦假人頭部發(fā)生偏扭，視頻分析法便無法得出準(zhǔn)確的波形，這種影響在汽車偏置碰撞試驗(yàn)中較為明顯；（3）合成加速度的同方向正交分量：在第（2）點(diǎn)所述的兩者合成加速度波形一致的區(qū)域，通過簡單的正交分解運(yùn)算，可由視頻分析法得到與電測量數(shù)值相近的同方向正交分量，但由于坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換角度的測量誤差與目標(biāo)點(diǎn)位移測量誤差的疊加，本案例其中一處加速度分量的計(jì)算出現(xiàn)了8%的較大誤差。綜上所述，使用視頻分析法能得到接近傳統(tǒng)測量方法的結(jié)果，但限于2D畫面無法測量目標(biāo)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和沿光軸方向的運(yùn)動(dòng)，在偏置碰撞試驗(yàn)中車輛、假人發(fā)生偏擺時(shí)，分析結(jié)果無法與傳感器的測量結(jié)果相對(duì)應(yīng)，因此視頻分析法更適用于非偏置的碰撞試驗(yàn)中。筆者建議，對(duì)試驗(yàn)中電測量系統(tǒng)無法獲知的一些信息，應(yīng)充分利用視頻分析法獲??；萬一碰撞試驗(yàn)過程中因車身或假人頭部加速度傳感器失效而無法獲取有效數(shù)據(jù)，也可使用本文的方法進(jìn)行補(bǔ)充。但數(shù)據(jù)只應(yīng)作為技術(shù)參考，在現(xiàn)階段不宜替代電測量所得數(shù)據(jù)作為判斷試驗(yàn)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]Users Manual nac MOVIAS Pro SP-613 （Ver.1.63）[Z]. NAC Image Technology Co.， Ltd. P53-P54.

[2]鄭維，黃世霖，張金換.圖像運(yùn)動(dòng)分析在汽車被動(dòng)安全研究中的應(yīng)用[J].公路交通科技，2003年第3期.0.

[3]賈洪濤，朱元昌.攝像機(jī)圖像畸變糾正技術(shù)[J].電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2005年03期.2.endprint

為了利用單次試驗(yàn)中有限的數(shù)據(jù)，本文將從三個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比：（1）車身碰撞速度值的一致性；（2）假人頭部合成加速度的一致性；（3）假人頭部加速度正交分量的一致性。

2.2.1 碰撞速度值的一致性

圖4是視頻分析法與激光測速儀分別得到的車輛碰撞前的速度值。

視頻分析曲線中，觸發(fā)前40ms至觸發(fā)0點(diǎn)，車身標(biāo)記（Point1）的速度值保持在30.10km/h～30.25km/h的區(qū)間內(nèi)。

由經(jīng)校準(zhǔn)的激光測速儀測出，車輛距離碰撞位置1m時(shí)，車身對(duì)應(yīng)速度為30.20km/h。

可見，在本次車身碰撞速度的測量上，視頻分析法與激光測速儀測量值高度吻合。

2.2.2 假人頭部合成加速度的一致性

把Movias Pro輸出的假人頭部合成加速度曲線與電測量輸出的曲線關(guān)于時(shí)間軸對(duì)齊，得到圖5。

（1）合成加速度峰值對(duì)比。圖5中，視頻分析法得出的合成加速度峰值為298.56m/s2，出現(xiàn)在第134ms；電測量得出的合成加速度峰值為300.00m/s2，出現(xiàn)在第133ms。視頻分析結(jié)果峰值的大小數(shù)值誤差約為0.4%，峰值時(shí)間基本重合。因此，在加速度峰值的測量上，視頻分析法與電測量法的結(jié)果高度吻合。

（2）合成加速度波形比對(duì)。由圖5可見，兩組合成加速度曲線無論是形狀、峰值大小、響應(yīng)時(shí)刻都有很好的一致性。不甚吻合的位置出現(xiàn)在160ms附近，為了分析偏差原因，筆者把該時(shí)刻的正前方攝影畫面調(diào)出（見圖5右側(cè)）。由于此次碰撞試驗(yàn)為40%偏置碰撞，車輛在碰撞后發(fā)生一定程度的“甩尾”，此刻假人頭部接觸方向盤并向車輛左側(cè)偏扭，使其實(shí)際運(yùn)動(dòng)在分析視頻的拍攝方向產(chǎn)生了分量，而2D視頻分析法無法記錄此方向的運(yùn)動(dòng)，因此兩組數(shù)據(jù)在此刻無法作出有效比對(duì)。當(dāng)頭部離開方向盤后，兩曲線又重新趨向一致。

2.2.3 假人頭部加速度正交分量的一致性

碰撞過程中，由于假人頭部的持續(xù)擺動(dòng)，頭部傳感器的測量軸方向?qū)⒊掷m(xù)變化，而視頻分析坐標(biāo)軸相對(duì)于畫面是固定的。要進(jìn)行正交分量的結(jié)果比對(duì)，首先要統(tǒng)一兩組數(shù)據(jù)的正交軸方向。筆者選擇把視頻分析法得到的加速度分解到頭部傳感器的X、Y兩測量軸上。

如圖6所示，假人頭部由前半部分和后腦蓋部分組成，頭部傳感器的安裝平臺(tái)正好與后腦蓋的安裝面相垂直，因此，只要測量出后腦蓋的安裝面與畫面豎直方向的夾角，就可知道任意時(shí)刻視頻分析坐標(biāo)軸XY與傳感器測量軸XY的夾角。

下文將取t=100ms和t=134ms兩時(shí)刻，驗(yàn)證視頻分析法與電測量法所得的結(jié)果的吻合性。

（1）t=100ms。

對(duì)應(yīng)的頭部畫面如圖6的左圖所示，后腦蓋安裝面始終清晰可辨，可量得此刻頭部傳感器軸線偏離視頻分析坐標(biāo)軸的角度θ=12°。

讀取Movias Pro數(shù)據(jù)表得到ax=81.3m/s2，ay=-114.3m/s2

取相對(duì)假人頭部向前與向上方向?yàn)殡姕y量坐標(biāo)系的X軸、Y軸正方向，把a(bǔ)x、ay矢量轉(zhuǎn)換至X軸、Y軸上，得出：

ax=-ay×sin12°+（-ax×cos12°）=114.3×sin12°-81.3×cos12°=-55.7m/s2

ay=ay×cos12°+（-ax×sin12°）=-114.3×cos12°-81.3×sin12°=-128.7m/s2

（2）t=134ms（合成加速度峰值點(diǎn)）。

通過圖6的右圖可量得此刻頭部傳感器測量軸線偏離視頻分析坐標(biāo)軸的角度θ=57°。

同理，通過Movias Pro讀得：ax=297.6m/s2，ay=6.0m/s2

分別投影到傳感器軸線方向，得出：

ax=-ay×sin57°+（-ax×cos57°）=-6×sin57°-297.6×cos57°=-167.2m/s2

ay=ay×cos57°+（-ax×sin57°）=6×cos57°-297.6×sin57°=-246.2m/s2

（3）視頻分析法與電測量結(jié)果對(duì)比。

圖7是由假人頭部傳感器通過電測量得到的加速度正交分量曲線。

把圖7中第100ms與第134ms兩時(shí)刻的數(shù)值讀出，并與上文通過視頻分析法得到的ax、ay對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

3 結(jié)語

通過比對(duì)可以發(fā)現(xiàn)在碰撞試驗(yàn)中：對(duì)速度的測量，視頻分析結(jié)果與激光測速儀的測量值具有高度的一致性。對(duì)假人頭部加速度的測量：（1）合成加速度峰值：視頻分析法無論在峰值大小或峰值時(shí)刻上，都與傳感器的電測量值具有高度的一致性；（2）合成加速度波形：視頻分析法得到的波形與傳感器的電測量波形基本重合。但一旦假人頭部發(fā)生偏扭，視頻分析法便無法得出準(zhǔn)確的波形，這種影響在汽車偏置碰撞試驗(yàn)中較為明顯；（3）合成加速度的同方向正交分量：在第（2）點(diǎn)所述的兩者合成加速度波形一致的區(qū)域，通過簡單的正交分解運(yùn)算，可由視頻分析法得到與電測量數(shù)值相近的同方向正交分量，但由于坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換角度的測量誤差與目標(biāo)點(diǎn)位移測量誤差的疊加，本案例其中一處加速度分量的計(jì)算出現(xiàn)了8%的較大誤差。綜上所述，使用視頻分析法能得到接近傳統(tǒng)測量方法的結(jié)果，但限于2D畫面無法測量目標(biāo)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和沿光軸方向的運(yùn)動(dòng)，在偏置碰撞試驗(yàn)中車輛、假人發(fā)生偏擺時(shí)，分析結(jié)果無法與傳感器的測量結(jié)果相對(duì)應(yīng)，因此視頻分析法更適用于非偏置的碰撞試驗(yàn)中。筆者建議，對(duì)試驗(yàn)中電測量系統(tǒng)無法獲知的一些信息，應(yīng)充分利用視頻分析法獲??；萬一碰撞試驗(yàn)過程中因車身或假人頭部加速度傳感器失效而無法獲取有效數(shù)據(jù)，也可使用本文的方法進(jìn)行補(bǔ)充。但數(shù)據(jù)只應(yīng)作為技術(shù)參考，在現(xiàn)階段不宜替代電測量所得數(shù)據(jù)作為判斷試驗(yàn)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]Users Manual nac MOVIAS Pro SP-613 （Ver.1.63）[Z]. NAC Image Technology Co.， Ltd. P53-P54.

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為了利用單次試驗(yàn)中有限的數(shù)據(jù)，本文將從三個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比：（1）車身碰撞速度值的一致性；（2）假人頭部合成加速度的一致性；（3）假人頭部加速度正交分量的一致性。

2.2.1 碰撞速度值的一致性

圖4是視頻分析法與激光測速儀分別得到的車輛碰撞前的速度值。

視頻分析曲線中，觸發(fā)前40ms至觸發(fā)0點(diǎn)，車身標(biāo)記（Point1）的速度值保持在30.10km/h～30.25km/h的區(qū)間內(nèi)。

由經(jīng)校準(zhǔn)的激光測速儀測出，車輛距離碰撞位置1m時(shí)，車身對(duì)應(yīng)速度為30.20km/h。

可見，在本次車身碰撞速度的測量上，視頻分析法與激光測速儀測量值高度吻合。

2.2.2 假人頭部合成加速度的一致性

把Movias Pro輸出的假人頭部合成加速度曲線與電測量輸出的曲線關(guān)于時(shí)間軸對(duì)齊，得到圖5。

（1）合成加速度峰值對(duì)比。圖5中，視頻分析法得出的合成加速度峰值為298.56m/s2，出現(xiàn)在第134ms；電測量得出的合成加速度峰值為300.00m/s2，出現(xiàn)在第133ms。視頻分析結(jié)果峰值的大小數(shù)值誤差約為0.4%，峰值時(shí)間基本重合。因此，在加速度峰值的測量上，視頻分析法與電測量法的結(jié)果高度吻合。

（2）合成加速度波形比對(duì)。由圖5可見，兩組合成加速度曲線無論是形狀、峰值大小、響應(yīng)時(shí)刻都有很好的一致性。不甚吻合的位置出現(xiàn)在160ms附近，為了分析偏差原因，筆者把該時(shí)刻的正前方攝影畫面調(diào)出（見圖5右側(cè)）。由于此次碰撞試驗(yàn)為40%偏置碰撞，車輛在碰撞后發(fā)生一定程度的“甩尾”，此刻假人頭部接觸方向盤并向車輛左側(cè)偏扭，使其實(shí)際運(yùn)動(dòng)在分析視頻的拍攝方向產(chǎn)生了分量，而2D視頻分析法無法記錄此方向的運(yùn)動(dòng)，因此兩組數(shù)據(jù)在此刻無法作出有效比對(duì)。當(dāng)頭部離開方向盤后，兩曲線又重新趨向一致。

2.2.3 假人頭部加速度正交分量的一致性

碰撞過程中，由于假人頭部的持續(xù)擺動(dòng)，頭部傳感器的測量軸方向?qū)⒊掷m(xù)變化，而視頻分析坐標(biāo)軸相對(duì)于畫面是固定的。要進(jìn)行正交分量的結(jié)果比對(duì)，首先要統(tǒng)一兩組數(shù)據(jù)的正交軸方向。筆者選擇把視頻分析法得到的加速度分解到頭部傳感器的X、Y兩測量軸上。

如圖6所示，假人頭部由前半部分和后腦蓋部分組成，頭部傳感器的安裝平臺(tái)正好與后腦蓋的安裝面相垂直，因此，只要測量出后腦蓋的安裝面與畫面豎直方向的夾角，就可知道任意時(shí)刻視頻分析坐標(biāo)軸XY與傳感器測量軸XY的夾角。

下文將取t=100ms和t=134ms兩時(shí)刻，驗(yàn)證視頻分析法與電測量法所得的結(jié)果的吻合性。

（1）t=100ms。

對(duì)應(yīng)的頭部畫面如圖6的左圖所示，后腦蓋安裝面始終清晰可辨，可量得此刻頭部傳感器軸線偏離視頻分析坐標(biāo)軸的角度θ=12°。

讀取Movias Pro數(shù)據(jù)表得到ax=81.3m/s2，ay=-114.3m/s2

取相對(duì)假人頭部向前與向上方向?yàn)殡姕y量坐標(biāo)系的X軸、Y軸正方向，把a(bǔ)x、ay矢量轉(zhuǎn)換至X軸、Y軸上，得出：

ax=-ay×sin12°+（-ax×cos12°）=114.3×sin12°-81.3×cos12°=-55.7m/s2

ay=ay×cos12°+（-ax×sin12°）=-114.3×cos12°-81.3×sin12°=-128.7m/s2

（2）t=134ms（合成加速度峰值點(diǎn)）。

通過圖6的右圖可量得此刻頭部傳感器測量軸線偏離視頻分析坐標(biāo)軸的角度θ=57°。

同理，通過Movias Pro讀得：ax=297.6m/s2，ay=6.0m/s2

分別投影到傳感器軸線方向，得出：

ax=-ay×sin57°+（-ax×cos57°）=-6×sin57°-297.6×cos57°=-167.2m/s2

ay=ay×cos57°+（-ax×sin57°）=6×cos57°-297.6×sin57°=-246.2m/s2

（3）視頻分析法與電測量結(jié)果對(duì)比。

圖7是由假人頭部傳感器通過電測量得到的加速度正交分量曲線。

把圖7中第100ms與第134ms兩時(shí)刻的數(shù)值讀出，并與上文通過視頻分析法得到的ax、ay對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

3 結(jié)語

通過比對(duì)可以發(fā)現(xiàn)在碰撞試驗(yàn)中：對(duì)速度的測量，視頻分析結(jié)果與激光測速儀的測量值具有高度的一致性。對(duì)假人頭部加速度的測量：（1）合成加速度峰值：視頻分析法無論在峰值大小或峰值時(shí)刻上，都與傳感器的電測量值具有高度的一致性；（2）合成加速度波形：視頻分析法得到的波形與傳感器的電測量波形基本重合。但一旦假人頭部發(fā)生偏扭，視頻分析法便無法得出準(zhǔn)確的波形，這種影響在汽車偏置碰撞試驗(yàn)中較為明顯；（3）合成加速度的同方向正交分量：在第（2）點(diǎn)所述的兩者合成加速度波形一致的區(qū)域，通過簡單的正交分解運(yùn)算，可由視頻分析法得到與電測量數(shù)值相近的同方向正交分量，但由于坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換角度的測量誤差與目標(biāo)點(diǎn)位移測量誤差的疊加，本案例其中一處加速度分量的計(jì)算出現(xiàn)了8%的較大誤差。綜上所述，使用視頻分析法能得到接近傳統(tǒng)測量方法的結(jié)果，但限于2D畫面無法測量目標(biāo)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和沿光軸方向的運(yùn)動(dòng)，在偏置碰撞試驗(yàn)中車輛、假人發(fā)生偏擺時(shí)，分析結(jié)果無法與傳感器的測量結(jié)果相對(duì)應(yīng)，因此視頻分析法更適用于非偏置的碰撞試驗(yàn)中。筆者建議，對(duì)試驗(yàn)中電測量系統(tǒng)無法獲知的一些信息，應(yīng)充分利用視頻分析法獲取；萬一碰撞試驗(yàn)過程中因車身或假人頭部加速度傳感器失效而無法獲取有效數(shù)據(jù)，也可使用本文的方法進(jìn)行補(bǔ)充。但數(shù)據(jù)只應(yīng)作為技術(shù)參考，在現(xiàn)階段不宜替代電測量所得數(shù)據(jù)作為判斷試驗(yàn)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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