高速攝影動態(tài)位移計算方法研究

雷斌++李強紅++劉宏達++李勛++王鑫鵬

摘 要：以兒童約束系統(tǒng)動態(tài)試驗中假人頭部位移為研究對象，采用不同焦距鏡頭的地面高速攝像機對整個試驗過程進行拍攝，分析了不同滑車位置拍攝的假人頭部位移計算結(jié)果和比例因子選擇的要素，將計算結(jié)果與實測結(jié)果對比，建立了一套高精度的利用地面高速攝影機拍攝計算假人頭部動態(tài)位移的方法。

關(guān)鍵詞：高速攝像機技術(shù)；動態(tài)位移計算；數(shù)據(jù)分析

中圖分類號：U467.1+4 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）01-0035-04

Study on High Speed Photography for Dynamic Displacement Calculation Method

LEI bin， LI Qiang-hong， LIU Hong-da， LI xun， WANG Xin-peng

（ National Automobile Quality Supervision Test Center（Xiangyang）， Xiangyang441004， China ）

Abstract： With the pictures of the whole test recorded by high speed camera with different focal lengths of the lens on the ground， the displacement of the dummy head in the child restraint system dynamic test is studied. The calculation results of dummy head displacement at different trolley position and scale factors are analyzed. Via comparing the calculation results with actual measurement results， a high precision method of calculating dummy head displacement with the pictures recorded by high speed camera on the ground is established.

雷 斌

畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學（威海），大學本科?，F(xiàn)工作于國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（襄陽）汽車碰撞試驗室，主要研究方向為安全試驗技術(shù)研究。

1 引言

在GB27887-2011《機動車兒童乘員用約束系統(tǒng)》中要求采用加速滑車或減速滑車對兒童約束系統(tǒng)進行模擬碰撞試驗時，試驗過程中測試假人頭部的最大動態(tài)位移不超過規(guī)定的范圍。對于前向兒童約束系統(tǒng)，要求假人的頭部的動態(tài)位移不應(yīng)超過圖1所示BA和DA平面。由于需要判定頭部的最前端和最上端的移動范圍，各汽車檢測中心普遍采用高速攝影機拍攝試驗過程，根據(jù)拍攝的圖像判定假人的頭部位移量。

目前，對于兒童約束系統(tǒng)的動態(tài)試驗，可以采用車載高速攝影機和地面非車載高速攝影機進行拍攝。對于車載高速攝影機拍攝，拍攝縱深有限，為了拍攝大范圍的畫面，多采用鏡頭焦距多為6mm-8mm，拍攝畫面畸變較大，如圖2所示，可以看出黃黑相間的標尺明顯的變形。

根據(jù)標準中要求在試驗滑車上安裝的位移界限標尺，由于不能限制假人的運動，該標尺不能放置與假人縱向中心平面內(nèi)，只能放置于滑車的外側(cè)，其與假人縱向中心平面平行。標準座椅的中心點Cr點所在縱向中心平面、假人頭部縱向中心平面以及位移界限標尺均不在同一橫向平面內(nèi)，通過比例換算進行計算，結(jié)果誤差比較大。同時，采用車載攝影機拍攝，可能會產(chǎn)生拍攝的畫面出現(xiàn)輕微抖動的情況，導(dǎo)致結(jié)果計算存在誤差。為了解決畸變、比例計算誤差及抖動問題，采用地面高速攝像機畸變較小的鏡頭拍攝整個動態(tài)過程，避免車載高速攝影機由于短焦距拍攝畫面畸變大和晃動的問題；在假人頭部縱向中心平面內(nèi)建立比例尺還原標尺，得出精確地比例計算標尺。本文采用地面高速攝影機拍攝靜態(tài)畫面，對于不同位置、不同焦距、不同比例尺等影響因素進行了計算，并與實際測量值進行比較，并進行誤差分析。

2 假人頭部位移計算

眾所周知，鏡頭拍攝的畫面隨著其與鏡頭的距離增大，拍攝物也越來越小；鏡頭中心不存在畸變，偏離鏡頭中心越遠，畸變越大。對于拍攝畫面的位移的計算，通常需要在畫面中設(shè)置標尺以計算出比例尺，從而對目標位移進行計算。為了避免不同平面比例換算不同帶來的誤差，設(shè)置計算標尺，該標尺處于假人頭部縱向中心平面內(nèi)且不影響假人頭部向前運動的位置。為了便于測量和計算對比，采用固定的剛性球體代替假人頭部進行計算測量。

如圖3所示為滑車行進方向側(cè)面拍攝的圖片。標尺參考點A、C在假人縱向中心平面內(nèi)，且垂直于水平面。假設(shè)D點為整個運動過程中假人頭部最上最前端的點?？傻贸黾偃祟^部運動位移計算比例因子：

α=Lac/lac 式1

式中：α—假人頭部運動位移計算比例因子

Lac—實際測量A、C兩點的距離，試驗前通過三維坐標儀精確測量；

lac—在高速攝像拍攝圖像中測量的A、C點距離，為圖像距離。

根據(jù)比例因子和試驗前測量的標準座椅Cr點到標記點的水平與垂直距離，即可得出假人頭部相對Cr點的最大水平與垂直位移公式：

Dx=lx-α×Lx 式2

式中：Dx——計算得出的假人頭部相對于Cr點的最大水平距離；

lx——A點到座椅Cr點的實際水平距離，試驗前可以通過三維坐標儀進行測量；

Lx——高速攝像拍攝圖像中A點距D點的水平距離，通過軟件圖像中獲取，為圖像距離；

Dz=lz+Lz×α 式3

式中：Dz——計算得出的假人頭部相對于Cr點的最大垂直距離；

lz——A點到座椅Cr點的實際垂直距離，試驗前可以通過三維坐標儀進行測量；

Lz——高速攝像拍攝圖像中A點距D點的垂直距離，通過軟件圖像中獲取，為圖像距離。

由計算公式1、公式2、公式3可以看出，影響計算準確度的因素包括比例因子、試驗前三維坐標儀測量數(shù)據(jù)及試驗后圖像中軟件測量數(shù)據(jù)。

對于試驗前三維坐標儀測量數(shù)據(jù)和試驗后圖像中軟件測量數(shù)據(jù)而言，主要誤差存在于設(shè)備誤差、人工操作誤差。設(shè)備誤差由設(shè)備本身決定，人工操作誤差可采用多次測量求平均值的方式盡量減小誤差。

3 不同位置不同焦距拍攝計算分析

使用車載高速攝影機進行拍攝計算，優(yōu)點是車載高速攝影機可以隨滑車一起發(fā)射，二者沒有相對運動。而地面高速攝影機固定不動，假人及位移界限標尺與高速攝影機之間有相對運動。為了分析滑車與攝像機的相對運動及鏡頭焦距大小對于計算結(jié)果的影響，采用不同焦距鏡頭拍攝滑車不同位置，分別拍攝滑車上假人頭部位于攝影機鏡頭中心、鏡頭中心右偏0.5m，鏡頭中心右偏1m位置，每個位置均采用24mm焦距、35mm焦距和45mm焦距鏡頭進行拍攝，計算假人頭部距Cr點的位移，并與實際測量結(jié)果相對比。

首先使用三維坐標儀測量圓球最前、最上端D點相對于Cr點的水平距離和垂直距離，分別為Dx=359mm和Dz=796.6mm。然后采用公式1、公式2和公式3計算不同位置不同焦距拍攝圖像中圓球D點距離Cr點的水平和垂直距離，如下表1、2所示。

從表1、2可以看出，采用不同焦距不同位置拍攝的圖像計算的結(jié)果與實測值之間的差別不是很大，都可以控制在4.2mm以內(nèi)。采用的鏡頭焦距越大，計算值與實測值之間的差別越小，越靠近鏡頭中心，計算值與實測值之間的差別越小。為了在動態(tài)試驗中計算更加精確，應(yīng)采用無畸變長焦距的鏡頭盡量將假人頭部最大位移處拍攝于圖像中心。

4 比例因子計算分析

為了研究比例因子對計算精度的影響，如圖4中，選取標尺上距離不同的兩組參考點A、C（長標尺）和E、F（短標尺）來計算。選取表1中焦距為45mm鏡頭、假人頭部處于鏡頭中心拍攝的圖片采用長標尺計算的結(jié)果，同時用該組拍攝圖片采用短標尺進行計算，計算結(jié)果如表3所示：

由表3可見，采用短標尺計算結(jié)果與實際測量值誤差明顯比采用長標尺計算結(jié)果產(chǎn)生的誤差大。由此可見，計算比例尺是計算結(jié)果重要的影響因素，盡量選擇標尺上相距較遠的點作為比例尺，以提高計算的精度。

對于比例因子誤差，除了需要選取假人縱向中心面內(nèi)的標尺以外，由于測量人員人工測量誤差、設(shè)備誤差，包括圖像中的測量誤差不可避免，標尺上參考點如果相距太近，將會導(dǎo)致誤差占真實值的比率增加，導(dǎo)致計算結(jié)果誤差較大。同等條件下，選取相距較遠的參考點，誤差占真實值的比率降低，計算誤差也隨之降低。

5 結(jié)語

高速攝像技術(shù)在汽車安全試驗上具有不可替代的用途，是觀察分析試驗必不可少的利器。本文通過對采用不同焦距不同位置高速攝影機拍攝的圖像中假人頭部動態(tài)位移計算對比和比例因子影響因素的分析，通過選取合適準備的計算比例因子、選擇畸變較小的鏡頭、拍攝時將最大位移處置于鏡頭中心等措施，建立了一套高精度的利用地面高速攝影機拍攝計算假人頭部動態(tài)位移的方法。同時，該方法還可以應(yīng)用到假人頭部、腿部等的位移量、座椅滑軌頭枕移動量等方面，正確的使用，巧妙的計算和分析，可以很好的解決試驗中一些常規(guī)方法無法測量的難題。

參考文獻：

[1]賴鳴，蘭山，黃廣炎，鄒浩.數(shù)字式高速攝像測試技術(shù)及其應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理，2012年06期.

[2]劉纏牢，阮萍，熊仁生，孫益善.高速攝影測量的計算機輔助[J].光子學報，2001年01期.

[3]張慧云，黃建民，柳立志.高速攝像技術(shù)在汽車安全試驗中的應(yīng)用[J].裝備維修技術(shù)，2013年Z1期.

[4]GB27887-2011《機動車兒童乘員用約束系統(tǒng)》[S].