應(yīng)用4K高速相機(jī)提升車輛碰撞試驗(yàn)圖像質(zhì)量

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438)

0 前言

1992年世界第一臺(tái)基于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)的高速數(shù)字?jǐn)z影機(jī)問世，給人們探索高速變化的運(yùn)動(dòng)世界帶來了全新的體驗(yàn)，可以通過攝影圖像資料來進(jìn)行更細(xì)化的分析研究。如今，超高速攝像技術(shù)的問世，更有助于了解高速變化的事物細(xì)節(jié)。高速相機(jī)在工業(yè)、航空航天以及科技研究領(lǐng)域一直發(fā)揮著無法替代的作用，如學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域中內(nèi)燃機(jī)燃燒試驗(yàn)、流體擴(kuò)散、仿生研究、裂紋擴(kuò)散等[1]。

隨著消費(fèi)者的安全意識(shí)逐步深入，人們對(duì)汽車的安全性要求也越來越高。在購(gòu)置汽車時(shí)，中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程(C-NCAP)評(píng)分成為消費(fèi)車購(gòu)車選型的重要參考指標(biāo)。為了切實(shí)提高整車的安全性能，各大汽車企業(yè)不斷增加安全研發(fā)方面的投入，紛紛建立了現(xiàn)代化的安全試驗(yàn)中心，除了進(jìn)行常規(guī)的法規(guī)試驗(yàn)外，更是投入了大量的人力和物力進(jìn)行各種要求遠(yuǎn)超當(dāng)前法規(guī)的嚴(yán)苛的研發(fā)試驗(yàn)，這對(duì)試驗(yàn)設(shè)備、測(cè)量?jī)x器、高速相機(jī)，以及試驗(yàn)技術(shù)方法都提出了更新的要求。

汽車被動(dòng)安全測(cè)試領(lǐng)域高速相機(jī)應(yīng)用廣泛，無論是整車級(jí)別的各類碰撞試驗(yàn)、滑臺(tái)的模擬碰撞試驗(yàn)，還是各個(gè)零部件如氣囊、安全帶約束系統(tǒng)測(cè)試都對(duì)高速相機(jī)采集的圖像有不同的要求。根據(jù)《C-NCAP管理規(guī)則(2018年版)》的相關(guān)內(nèi)容，高速相機(jī)的最小分辨率為512×384像素，這是C-NCAP考慮到試驗(yàn)中惡劣條件下車載相機(jī)的限制給出的分辨率，在實(shí)際操作中各實(shí)驗(yàn)室當(dāng)前使用的所有地面相機(jī)的分辨率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這個(gè)分辨率，目前大都在滿幅1280×80像素，拍攝局部細(xì)節(jié)的車載相機(jī)或用于車載一個(gè)主機(jī)多攝像頭的高速相機(jī)也大都在800×600像素。

由于碰撞試驗(yàn)具有一定破壞性，且碰撞試驗(yàn)中存在一些不可控因素，相機(jī)可能會(huì)直接受到碰撞沖擊而超過相機(jī)本身的抗沖擊耐受范圍，或?qū)е孪鄼C(jī)附件線纜折斷等事故，在實(shí)際使用中，車載相機(jī)的損壞率一直比較高。這個(gè)問題也一直困擾著碰撞試驗(yàn)的執(zhí)行者。如果能夠抓拍到足夠清晰的影像，或許就可以減少對(duì)部分車載相機(jī)的使用，從而降低試驗(yàn)的執(zhí)行成本。

高分辨率的高速相機(jī)能夠提供更多用于分析的影像信息，從而提高了分析結(jié)果的質(zhì)量和間接測(cè)量的精度。C-NCAP也列出了基于影像分析的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，如通過對(duì)影像分析計(jì)算沖擊過程中座椅靠背角的最大變化量、滑軌移動(dòng)部分相對(duì)固定部分移動(dòng)位移的最大量、氣簾上的顏料印跡分布進(jìn)行展開形態(tài)和動(dòng)態(tài)保護(hù)性能確認(rèn)等，這些要求都體現(xiàn)了高速影像信息資料對(duì)汽車安全試驗(yàn)的重要性，越來越多的細(xì)節(jié)分析將會(huì)依賴于高質(zhì)量的高速影像資料。

在C-NCAP標(biāo)準(zhǔn)中的正面碰撞和側(cè)面碰撞試驗(yàn)需要使用多達(dá)11臺(tái)高速相機(jī)，相機(jī)數(shù)量過多會(huì)造成試驗(yàn)中相機(jī)位置、線纜排布、影像對(duì)焦調(diào)試、組網(wǎng)通信、同步觸發(fā)的設(shè)置過于復(fù)雜，提高了試驗(yàn)中信息采集失敗的可能性，且占據(jù)了大量的試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間。如果能夠在確保采集到的影像信息資料不變并能夠適當(dāng)減少相機(jī)的機(jī)位數(shù)量，將有助于試驗(yàn)效率的提升。

1 4K高速相機(jī)參數(shù)性能介紹

4K相機(jī)中的“4K”指的是相機(jī)中CMOS傳感器的感知分辨率等級(jí)，通常定義為單邊(通常指橫向或水平方向)最大像素可以達(dá)到4 000像素?cái)?shù)量級(jí)(最大像素量超過900萬)。當(dāng)然，這個(gè)4K也不是絕對(duì)的4 000像素，通常行業(yè)內(nèi)把分辨率達(dá)到3 840×2 160像素和4 096×2 160像素都算是4K。在相機(jī)生成的圖像文件中，4K圖像資料指的是在未經(jīng)放大處理像素密度最大情況下單邊達(dá)到4K像素的原始畫面的畫質(zhì)，這個(gè)畫質(zhì)是目前汽車碰撞試驗(yàn)所使用主流100萬像素等級(jí)相機(jī)的9倍。除了像素的提高外，4K相機(jī)能夠提供更寬廣的動(dòng)態(tài)范圍和更低的噪點(diǎn)。像素、動(dòng)態(tài)范圍和噪點(diǎn)是各相機(jī)研發(fā)廠商在市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)角逐的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。

第一款工業(yè)級(jí)的4K高速相機(jī)在2017年8月正式推出，把工業(yè)領(lǐng)域的高速攝像技術(shù)提升到全新的高度，在可接受的成本投入下使獲取的圖像素材更加清晰、精準(zhǔn)，能夠在后期的圖像分析中獲得更多的分析信息。尤其適合應(yīng)用于需要高分辨率、通過放大觀察局部細(xì)節(jié)、拍攝的目標(biāo)物在大范圍空間內(nèi)移動(dòng)，以及需要通過影像資料進(jìn)行極其精確的間接測(cè)量等情況。圖1所示是試驗(yàn)中所使用的4K高速相機(jī)。

圖1 4K高速相機(jī)

試驗(yàn)中所用的高速相機(jī)外形尺寸為12.7 cm ×14 cm ×15 cm(長(zhǎng)×寬×高)，質(zhì)量為2.5 kg，可在-10～50 ℃環(huán)境溫度中工作。配備特制的940萬像素，12位CMOS傳感器，每個(gè)像素點(diǎn)為6.75 μm2。由于所拍攝的影像資料文件較大，配備了10 GB自適應(yīng)以太網(wǎng)卡，可以快速地下載拍攝的影像文件，有些相機(jī)擁有CFast可移動(dòng)閃存卡接口，可以快速將相機(jī)內(nèi)存中的圖像資料轉(zhuǎn)存到CFast Flash卡中(轉(zhuǎn)存速率達(dá)90 MB/s)，確保影像資料的安全，其最大抗沖擊達(dá)100個(gè)G，最大功耗約為75 W，機(jī)身可外掛電池組，可以在市電和電池供電間做到無縫切換(外部市電斷電后自動(dòng)切換至電池續(xù)航，系統(tǒng)工作不會(huì)中斷)使相機(jī)仍然保持在原有的工作狀態(tài),即等待觸發(fā)的循環(huán)記錄工作狀態(tài)，或是觸發(fā)后的拍攝影像信息存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)存Flash記憶卡中的狀態(tài)。此高速相機(jī)可以每秒拍攝最大分辨率全畫幅4 096×2 304像素照片938張，整車級(jí)碰撞試驗(yàn)高速攝像最高幀數(shù)標(biāo)準(zhǔn)目前為1 000幀/s(依據(jù)《C-NCAP管理規(guī)則(2018年版)》)，該相機(jī)與之對(duì)應(yīng)的最大分辨率為4 096×2 160像素，配備36 GB的高速內(nèi)存可以拍攝并存儲(chǔ)長(zhǎng)達(dá)2.8 s的影像資料(即2 800張滿足4K標(biāo)準(zhǔn)畫質(zhì)的照片)。通常在整車級(jí)碰撞試驗(yàn)中，一般只需拍攝碰撞前50 ms和碰撞時(shí)刻起300 ms之間的影像照片，即總共拍攝350張左右的照片，高速相機(jī)可拍照數(shù)量可充分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 4K高速相機(jī)在碰撞試驗(yàn)中帶來的優(yōu)勢(shì)

2.1 分辨率提升帶來的優(yōu)勢(shì)

當(dāng)前銷售的主流高速相機(jī)已經(jīng)普遍進(jìn)入到2K時(shí)代，在每秒1 000幀的工況下分辨率能夠達(dá)到2 048×1 080像素(超200萬像素)，假設(shè)每個(gè)像素點(diǎn)的面積相同，相機(jī)的像素點(diǎn)越多，該相機(jī)的CMOS傳感器的面積就越大，相同視野中所得到的影像圖片就越清晰，畫質(zhì)就越細(xì)膩。圖2示出了4K CMOS傳感器與2K、全高清(Full HD)、高清(HD)、DVD、VCD的傳感器像素面積的對(duì)比。

圖2 幾種常見傳感器像素面積對(duì)比圖

也就是說，4K相機(jī)比當(dāng)前主流的2K相機(jī)在分辨率上提高了4倍，分辨率的提升帶來更清晰的畫面細(xì)節(jié)。本文以安全帶試驗(yàn)為例，通過真實(shí)試驗(yàn)所采集到的圖像信息進(jìn)行更直觀的對(duì)比。

圖3所示是使用不同分辨率的高速相機(jī)所拍攝到的圖像，將不同分辨率的高速相機(jī)調(diào)整到近似相同的構(gòu)圖，從全局來看，很難察覺畫面上存在的明顯不同。

圖3 不同像素相機(jī)拍攝的試驗(yàn)圖像

但如果對(duì)假人的頭部部分進(jìn)行局部放大，采用高分辨率拍攝的照片，同樣的畫幅下像素點(diǎn)越多，畫面中的影像就越清晰，輪廓界線就越明顯。圖4所示是采用4種不同的分辨率相機(jī)拍攝圖像的頭部局部放大圖，可看出像素越高，輪廓越明顯，圖像的清晰度也越高，這對(duì)于細(xì)節(jié)分析和圖像處理軟件對(duì)目標(biāo)像素的捕捉提供了很大的幫助。

圖4 不同分辨率相機(jī)拍出的頭部放大圖

2.2 使用更少數(shù)量的相機(jī)，得到更好的圖像

2.2.1 在分辨率接近時(shí)得到更大的畫幅

在整車級(jí)試驗(yàn)中，通常需要在牽引軌道兩側(cè)各設(shè)置1臺(tái)機(jī)位用于拍攝從壁障到試驗(yàn)車尾部，可以跟蹤試驗(yàn)車在碰撞過程中的整體運(yùn)動(dòng)過程。在對(duì)于相同面積所需要的像素接近時(shí)，使用高清4K相機(jī)可以得到更大的畫幅，無需使用多臺(tái)相機(jī)進(jìn)行圖像拼接就可以滿足對(duì)影像資料的要求。

圖5所示是使用3 840×2 160像素的4K相機(jī)拍攝的圖像，圖6所示是2張分辨率為1 920×1 106像素圖片拼接出的畫面。雖然圖5單張圖像和圖6中2張拼接圖片的總像素點(diǎn)接近，但2張圖片的拼接會(huì)造成部分圖像信息丟失，不利于碰撞試驗(yàn)中的分析研究。

圖5 分辨率為3 840×2 160像素的單張圖像

圖6 2張分辨率為1 920×1 106像素的畫面拼接

2.2.2 減少使用相機(jī)數(shù)量而達(dá)到優(yōu)于預(yù)期圖像分析所要求的畫面質(zhì)量

通常在碰撞試驗(yàn)攝像中會(huì)使用1臺(tái)相機(jī)拍攝全視野，以研究試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)整車或滑臺(tái)的整體運(yùn)動(dòng)過程，使用另外1臺(tái)相機(jī)拍攝視野局部，以研究特定目標(biāo)，如假人在試驗(yàn)中的運(yùn)動(dòng)情況。如果使用4K相機(jī)作為全景機(jī)位相機(jī)，視野局部畫面要取得當(dāng)前試驗(yàn)要求中普遍認(rèn)可的畫面質(zhì)量，不需要額外架設(shè)拍攝局部視野的相機(jī)，可以從4K全景相機(jī)的照片中根據(jù)需要直接截取畫面。也就是說使用1臺(tái)4K相機(jī)就足以獲得目前試驗(yàn)方法中使用2臺(tái)相機(jī)(全景相機(jī)和中景相機(jī))才能獲得的畫面信息。試驗(yàn)中使用1臺(tái)2K相機(jī)拍攝局部視野(中景)，然后與從拍攝全視野的4K相機(jī)所獲取的畫面中截取相同的視野局部作比較。圖7所示為4K相機(jī)拍攝的全視野的圖像，圖8是截取的畫面與2K相機(jī)局部拍攝效果的對(duì)比圖。

圖7 4K相機(jī)拍攝的全景圖

圖8 4K相機(jī)拍攝畫面的截取圖與2K相機(jī)拍攝的局部圖對(duì)比

由圖7和圖8可知，即使在4K相機(jī)所拍攝的大畫幅中截取出很小的一部分局部畫面，其分辨率和整體效果也遠(yuǎn)超2K相機(jī)滿畫幅拍攝的效果。

在C-NCAP中的正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)中，試驗(yàn)要求架設(shè)11個(gè)高速相機(jī)機(jī)位，具體要求如表1所示，圖9為正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)攝像機(jī)位置，其中攝像機(jī)9位于拍攝軌道下方，圖中無法標(biāo)示。

如果引入4K相機(jī)，機(jī)位2和機(jī)位4可以采用1臺(tái)4K相機(jī)替代，4K相機(jī)選用原攝像機(jī)4的拍攝機(jī)位，可以在全景圖中截取原機(jī)位2和原機(jī)位4的影像進(jìn)行分析。另一側(cè)機(jī)位3、機(jī)位5和機(jī)位6可以采用另外1臺(tái)4K相機(jī)替代，拍攝機(jī)位選用原攝像機(jī)6的機(jī)位6，可以在全景照片中分別截取出原機(jī)位3、原機(jī)位5和原機(jī)位6的影像，通過影像處理軟件分析。因此可以減少3臺(tái)相機(jī)的架設(shè)，取得優(yōu)于原先架設(shè)機(jī)位數(shù)量所取得的影像質(zhì)量。

表1 攝像機(jī)位置及要求

同樣地，在C-NCAP中要求的正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗(yàn)和可變形移動(dòng)壁障側(cè)面碰撞試驗(yàn)攝像機(jī)的位置圖分別如圖10和圖11所示，其中圖10中攝像機(jī)9位于拍攝軌道下方，圖中無法標(biāo)示。

圖9 正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)攝像機(jī)位置圖

圖10 正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗(yàn)攝像機(jī)位置圖

圖11 可變形移動(dòng)壁障側(cè)面碰撞試驗(yàn)攝像機(jī)位置圖

觀察了正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗(yàn)和可變形移動(dòng)壁障側(cè)面碰撞試驗(yàn)流程，如果使用4K相機(jī)在相同的拍攝角度上都可以減少一定數(shù)量的機(jī)位。表2是部分使用4K相機(jī)后建議的機(jī)位數(shù)量以及相機(jī)的機(jī)位位置。

2.3 寬廣的動(dòng)態(tài)范圍的優(yōu)勢(shì)

動(dòng)態(tài)范圍是指在一幅畫面中最亮和最暗之間存在多少不同的亮度分級(jí)。針對(duì)攝像設(shè)備來說，動(dòng)態(tài)范圍是在同一個(gè)場(chǎng)景中相機(jī)能夠區(qū)別出來的最亮和最暗之間的等級(jí)數(shù)。動(dòng)態(tài)范圍越寬的相機(jī)能夠接收更多的光線從而保留更多的細(xì)節(jié)。如圖12所示是不同像素相機(jī)拍攝圖像動(dòng)態(tài)范圍的對(duì)比，圖像中可以直觀感受到在類似的場(chǎng)景下，使用相同的光圈設(shè)定下不同相機(jī)像素的動(dòng)態(tài)范圍的差異。

表2 部分使用4K相機(jī)后建議的相機(jī)數(shù)量及位置

圖12 不同相機(jī)拍攝出圖像的動(dòng)態(tài)范圍對(duì)比

4K相機(jī)獲取的影像能夠更好地體現(xiàn)被拍攝目標(biāo)的細(xì)節(jié)，保留更多的元素，更逼真地展現(xiàn)出標(biāo)記點(diǎn)貼紙等(圖12)。

2.4 低噪點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)

圖像中的噪點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致影像照片中丟失很多細(xì)節(jié)，在照片圖像中比較暗的區(qū)域尤其明顯。對(duì)比噪點(diǎn)對(duì)圖像的影響，以相同的構(gòu)圖。相同的光圈設(shè)定，不進(jìn)行各項(xiàng)電子校正。圖13和圖14分別是4K相機(jī)拍攝的輪胎圖像和2K相機(jī)拍攝的輪胎圖像。

圖13 4K相機(jī)拍攝的輪胎圖像

圖14 2K相機(jī)拍攝的輪胎圖像

從圖14可以很清晰地看到垂直狀的條紋，在黑色的背景中尤其明顯。這個(gè)條紋就是由噪點(diǎn)導(dǎo)致的。噪點(diǎn)的多少和去噪點(diǎn)的修正是一款相機(jī)優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。

3 使用不同鏡頭配合相機(jī)的影響

電影鏡頭相比普通鏡頭可以大幅提升獲得影像的銳度，也就是可以得到更清晰的攝像目標(biāo)的邊緣輪廓。后期圖像分析軟件處理可得到更精確的數(shù)據(jù)，并且有效降低雜散光、降低色散現(xiàn)象、降低畫面邊緣位置的模糊程度。

4 結(jié)論

4K高速相機(jī)在汽車被動(dòng)安全行業(yè)碰撞試驗(yàn)中的應(yīng)用將大幅提高采集的圖像畫面質(zhì)量，同時(shí)利用4K相機(jī)的高分辨率，可以將全景相機(jī)和中景相機(jī)進(jìn)行整合，在全景相機(jī)獲取的圖像中截取所需要的中景影像，從而減少擺設(shè)的相機(jī)機(jī)位，減少了試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作量，簡(jiǎn)化了相機(jī)的同步觸發(fā)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸布局，降低了相機(jī)整體應(yīng)用的投入成本和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，提高了相機(jī)同步觸發(fā)的可靠性，寬廣的動(dòng)態(tài)范圍也能表現(xiàn)圖像更多的細(xì)節(jié)，配合優(yōu)質(zhì)的鏡頭更能提升相機(jī)的效果。4K高速相機(jī)為后期圖像分析處理軟件提供更高質(zhì)量、包含更多可分析信息的圖像資料，提高了碰撞試驗(yàn)的分析能力。

圖15 電影鏡頭和常規(guī)鏡頭拍攝的圖像對(duì)比