基于CATIA的客車內(nèi)外監(jiān)控視野校核設(shè)計

歐陽鵬飛,張群政,羅仔翼,王徐洋

(中車時代電動汽車股份有限公司,湖南 株洲 412007)

城市客車車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)是城市治安監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成[1]。車載監(jiān)控能幫助用戶了解和掌握行車情況和車輛內(nèi)部的治安動態(tài)情況,方便辦案人員調(diào)查取證和專案偵察,同時也是公交公司進(jìn)行運(yùn)營管理的主要手段,監(jiān)控視頻上傳到公交后臺,能讓后臺有效了解駕駛員開車時動作的規(guī)范程度、公司要求的諸如人行道禮讓等運(yùn)營規(guī)定的執(zhí)行情況、車廂內(nèi)客流實時空滿度。本文探討通過CATIA軟件進(jìn)行車輛內(nèi)外監(jiān)控視野校核的方法。

1 建立攝像頭視野模型

1.1 攝像頭工作原理

目標(biāo)物體通過攝像頭的鏡頭(LENS)生成光學(xué)圖像投射到圖像傳感器上,光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?再經(jīng)過AC/DC(模數(shù)轉(zhuǎn)換)變?yōu)閿?shù)字圖像信號,最后送到DSP(數(shù)字信號處理芯片)中進(jìn)行加工處理,由DSP將信號處理成特定格式的圖像傳輸?shù)斤@示屏上進(jìn)行顯示,其工作原理如圖1所示[2]。

圖1 攝像頭視野成像工作原理

攝像頭的水平視場角、垂直視場角主要與感光傳感器的尺寸[3]和鏡頭的焦段有關(guān)：圖像傳感器尺寸越大,采集的像素點越多,視場角越大;鏡頭焦段越小,可視距離越近,視場角越大;鏡頭焦段越大,可視距離越遠(yuǎn),視場角越小。

1.2 確定攝像頭配置方案

以某款10.5 m純電動城市客車為例,根據(jù)GB/T 19056—2021《汽車行車記錄儀》[4]、JT/T 1094—2016《營運(yùn)客車安全技術(shù)條件》[5]以及JT/T 794—2019《道路運(yùn)輸車輛 衛(wèi)星定位系統(tǒng)終端》[6],純電動城市客車應(yīng)具備覆蓋車輛前方路況、面向駕駛員、覆蓋油門踏板、駕駛區(qū)、乘客區(qū)、乘客門區(qū)的視頻監(jiān)控。根據(jù)已有經(jīng)驗,該車的攝像頭配置方案見表1。

表1 10.5 m城市客車監(jiān)控系統(tǒng)配置

1.3 創(chuàng)建攝像頭視野模型庫

首先使用CATIA軟件[7]建立2.1 mm油門攝像頭視野模型。根據(jù)輸入的水平、垂直視場角度,拉伸4個對應(yīng)成夾角的外廓曲面來模擬視野模型。新建product,將2.1 mm油門攝像頭模型插入product結(jié)構(gòu)下,進(jìn)入創(chuàng)成式外形設(shè)計,在鏡頭上建立20 mm×20 mm基準(zhǔn)面以及一個平行于基準(zhǔn)面的偏移500 mm的平面。使用拉伸指令,分別提取基準(zhǔn)面草圖的4個邊,拉伸為曲面。再使用面操作的旋轉(zhuǎn)指令,將拉伸的水平曲面旋轉(zhuǎn)57°,垂直曲面旋轉(zhuǎn)29°,形成基準(zhǔn)視野模型。在4個基準(zhǔn)模型的曲面上創(chuàng)建4個無限平面,使用線操作中的相交指令,將4個無限平面的兩兩相交線找到。使用切割命令,將4個相交棱線在基準(zhǔn)平面和偏移平面中切割成線段,再將4條線段的末端依次用直線連接,使用相合命令合成閉合輪廓,最終使用多截面曲線將相合輪廓和20 mm×20 mm基準(zhǔn)平面拉面,得到本文的模擬視野模型,另存為零件part,以便后期調(diào)整視野。

上述2.1 mm油門攝像頭模型建立后,測量視野模型的水平視場角為82°(見圖2模型水平視場角),垂直視場角為114°(見圖3模型垂直視場角),模型參數(shù)復(fù)核合格,且模型的景深是可編輯參數(shù)(見圖4模型景深參數(shù)可調(diào))。然后按照同樣方法建立其他攝像頭視野的模型庫。圖5為駕駛室攝像頭模型,圖6為二合一攝像頭模型。

圖2 模型水平視場角

圖3 模型垂直視場角

圖4 模型景深參數(shù)可調(diào)

圖5 駕駛室攝像頭模型

圖6 二合一攝像頭模型

2 CATIA建模視野與真實視野對比

視野校核的主要影響因素是攝像鏡頭的水平視場角、垂直視場角的參數(shù),鏡頭的邊緣等微小參數(shù)可忽略不計[8-9]。為驗證該方法的效果,根據(jù)攝像頭在三維模型上的裝配,本文做了一組實車測試。CATIA建模視野與實車觀測視野效果對比如下：

1) 前車廂視野對比。從圖7可以看出,實車視野左邊界到駕駛員包圍,右邊界到右前輪罩處,上邊界到頂蓋,下邊界到駕駛員包圍前,景深均在禁止站立區(qū)域,與模型視野完全一致。

圖7 前車廂實車視野與模型視野

2) 后車廂視野對比。從圖8可以看出,實車視野左邊界到中乘客門前,右邊界到殘疾人區(qū)域,上邊界到車頂,下邊界到禁止站立前方,景深從禁止站立區(qū)貫穿致車尾,與模型視野完全一致。

圖8 后車廂實車視野與模型視野

3) 駕駛室視野對比。從圖9可以看出,實車視野左到駕駛區(qū)玻璃,右到前乘客門,上到前擋風(fēng)玻璃,下到駕駛員包圍,與模型視野完全一致。

圖9 駕駛室實車視野與模型視野

4) 中門區(qū)視野對比。從圖10可以看出,實車視野左右邊界為中門前三排座椅到中門后一排座椅,上下邊界覆蓋乘客門區(qū)域,與模型視野完全一致。

圖10 中門實車視野與模型視野

5) 駕駛員區(qū)視野對比。從圖11可以看出,實車視野左右邊界為駕駛員包圍扶手到駕駛員左風(fēng)窗玻璃,上下視野為駕駛員頂蓋到儀表臺上方,與模型視野完全一致。

圖11 駕駛員區(qū)實車視野與模型視野

6) 加速踏板區(qū)視野對比。從圖12可以看出,實車視野左右邊界為加速踏板到轉(zhuǎn)向管柱,上下邊界覆蓋加速踏板區(qū)域,與模型視野保持一致。但實車視野中部被儀表臺和地板遮擋,而模型視野穿透了遮擋物體,便于觀察。由此可見,越是空間狹小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜區(qū)域,仿真效果更為簡單明了。

圖12 加速踏板實車視野與模型視野

7) 車輛前方視野對比。從圖13可以看出,實車前方左右視野有立柱,而本文模型中沒有建立對應(yīng)場景的數(shù)模,因此無法對比。實車前方上下視野顯示車輛前保險杠區(qū)域有明顯盲區(qū),在模型視野中同樣出現(xiàn)視野盲區(qū)(三角形區(qū)域),可見車輛前方上下視野實車與模型完全一致。

圖13 前方實車視野模型與模型視野

從上述比較可知,模型視野能夠完美復(fù)現(xiàn)實車視野,可用此方法校核整車監(jiān)控視野[9]?；贑ATIA的模型視野校核方法有以下優(yōu)點：

1) 操作便捷性。此方法可以根據(jù)攝像頭的性能參數(shù)建立視野模型,且可以隨時調(diào)整景深、角度范圍等,比現(xiàn)場調(diào)校視野更加容易操作,且無需采購攝像頭樣品來進(jìn)行試驗,節(jié)約時間和成本。

2) 直觀有效性。本方法與傳統(tǒng)的CAD三視圖校核方法相比,效果更加簡單直觀,能輕松判斷視野是否被遮擋,能夠剖開車體結(jié)構(gòu),使加速踏板、電池艙內(nèi)等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的區(qū)域也能輕松校核視野盲區(qū)。

3) 可以建立模塊化數(shù)據(jù)庫。本方法建立的視野模型,能夠調(diào)整視野的水平視場角和垂直視場角,并與不同性能的攝像頭裝配使用,可搭建起工程化的攝像頭視野數(shù)模庫,調(diào)用簡單[10]。

3 結(jié)束語

本文把CATIA建模的方法引入攝像頭視野校核,解決了車載監(jiān)控設(shè)計校核視野覆蓋的難題,通過實車驗證證明模型視野與真實視野基本無偏差,極大提升了視野校核的便利性。