基于高速攝像的汽車碰撞動態(tài)數(shù)據(jù)分析技術

劉倩博

摘 要：汽車碰撞試驗是評估車輛安全性的核心環(huán)節(jié)，而高速攝像技術在這一過程中發(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態(tài)，測試車輛在碰撞條件下的物理反應。本文提出了一種基于高速攝像的汽車碰撞動態(tài)數(shù)據(jù)分析技術，通過數(shù)據(jù)捕捉、關鍵幀與時刻標記的方式記錄并分析碰撞動態(tài)過程，為車輛安全性能評估提供支持。

關鍵詞：高速攝像機 汽車碰撞實驗 動態(tài)數(shù)據(jù)分析

汽車碰撞動態(tài)數(shù)據(jù)分析的目的在于，根據(jù)車輛碰撞中的關鍵數(shù)據(jù)來評估車輛的安全性能以及設計效果，能夠為汽車設計與改進提供必要支持。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、乘員受傷程度進行評估，時效性差且存在安全隱患。而高速攝像技術可以準確記錄并重現(xiàn)碰撞中的每一處細節(jié)，識別圖像中的像素變化從而判斷車輛形變與乘員動態(tài)分析，大大提高了碰撞實驗的時效性與準確性。

1 高速攝像機技術參數(shù)

1.1 分辨率和幀率

攝像機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，高速攝像機的幀率應該達到至少1000幀/秒，以捕捉足夠的動態(tài)信息。

1.2 焦距選擇和視角設計

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

（1）

其中，d表示攝像機感光元件的尺寸，f為攝像機的焦距。碰撞測試中，要求攝像機能夠實時監(jiān)控并記錄車輛的結構變形、安全帶狀態(tài)變化、乘員動態(tài)等[1]。對此本文引入了一種基于圖像處理的實時監(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鍵動態(tài)，算法的核心是連續(xù)幀間像素差異的計算，可以用以下公式表示：

（2）

其中，Dt（x，y）表示在時間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Dt（x，y）的閾值處理和連續(xù)性分析，可以實時檢測車輛碰撞過程中的關鍵變化。

1.3 景深的控制和影響

景深控制是指在一定的攝像機設置和環(huán)境條件下，保持圖像清晰度的范圍。在捕捉汽車碰撞動態(tài)時，適當?shù)木吧顚τ诒３峙鲎策^程中各個部分的清晰可見至關重要，景深可通過下列公式近似計算：

（3）

其中DOF表示景深，N是光圈值，c代表環(huán)圈模糊標準（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 汽車碰撞動態(tài)數(shù)據(jù)的獲取與分析

2.1 碰撞實驗設計

汽車碰撞測試主要分為正面碰撞、側面碰撞、后端碰撞，模擬實際交通事故中可能發(fā)生的不同情景，以評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車輛對駕駛室的保護能力，車輛以一定的速度向固定障礙物前進，這種碰撞的動力學可通過以下公式表示：

（4）

其中F是碰撞時產生的力，m是車輛的質量，a是碰撞時的加速度，正面碰撞測試的關鍵在于觀察駕駛室的結構完整性以及安全帶、氣囊是否正常運作。

側面碰撞測試則關注車輛在側向受力時的安全性能，模擬另一輛車撞擊被測試車輛的側面，這種碰撞的動能可以用以下公式計算：

（5）

其中KE代表動能，m是撞擊車輛的質量，v是其速度，側面碰撞測試重點評估車門、窗戶和側面氣囊的防護能力。

后端碰撞測試評估車輛在被其他車輛從后方撞擊時的安全性，重點是乘員頸部和脊椎的保護，翻車測試則是評估車輛在翻滾過程中的結構強度和乘員保護系統(tǒng)的有效性，可以實時計算其加速度和撞擊力，這個算法可以通過以下公式實現(xiàn)：

（6）

其中at是在時間t的加速度，Δv是在短時間Δt內的速度變化，F(xiàn)t是在時間t中的撞擊力。通過這種方法，高速攝像技術不僅可以提供碰撞過程的視覺記錄，還能實時計算和分析碰撞過程中的關鍵動力學參數(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

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

（7）

每一幀圖像都需要通過算法進行處理以提取關鍵數(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動速度和方向，光流向量的大小和方向可以通過以下公式計算：

（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)幀之間的時間間隔[2]。為了進一步分析碰撞過程中的力學特性，可以通過光流法計算得到的速度變化來計算碰撞力，假設物體的質量為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 關鍵幀和時刻標記

關鍵幀的準確標記是檢驗碰撞動力學過程的主要手段，重點在于物體運動的變化率，通過計算連續(xù)幀之間的位置變化來實現(xiàn)，設物體在第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）

還需要計算關鍵幀間的速度變化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為幀之間的時間間隔。

2.2.3 圖像質量和數(shù)據(jù)完整性

攝像機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態(tài)細節(jié)的程度，假設攝像機的分辨率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）也是評估圖像質量的重要指標，影響著圖像的清晰程度以及細節(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，還需要一個算法來實時監(jiān)控數(shù)據(jù)收集過程，并在數(shù)據(jù)丟失或質量下降時發(fā)出警告?？梢酝ㄟ^實時計算每幀圖像的信息熵來實現(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的變化可以評估圖像質量的穩(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

圖像預處理包括去噪、對比度增強和圖像銳化等，去噪是通過濾波器移除圖像中的隨機噪聲，以提高圖像質量，可以使用高斯濾波器來平滑圖像，其數(shù)學表示為：

（15）

其中G（x，y）是高斯濾波器的響應函數(shù)，σ是標準差，代表濾波器的寬度。

對比度增強可以通過直方圖均衡化實現(xiàn)，其基本原理是重新分配圖像的亮度值以擴展整個可用范圍，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現(xiàn)，其數(shù)學表達式為：

（17）

其中f（x，y）代表圖像f（x，y）的拉普拉斯算子。

在預處理之后就可以從圖像中提取出數(shù)據(jù)，通過基于特征的識別算法來實現(xiàn)，如使用邊緣檢測技術識別車輛結構的邊界，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用，判斷水平和垂直方向上的邊緣。

2.3.2 碰撞動力學分析

首先需要對碰撞過程中的力量和能量轉換進行計算，設車輛的質量為m，在碰撞前的速度為v1，碰撞后的速度為v2，根據(jù)動量守恒定律，碰撞中的沖量J可以表示為：

（19）

碰撞的動能變化是檢驗車輛結構完整性和能量吸收能力的重要指標，其計算公式為：

（20）

通過高速攝像數(shù)據(jù)可以準測試出車輛的速度變化，計算碰撞中的動能變化，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，其計算公式為：

（21）

其中Δx是車輛變形的距離，k是車輛前部結構的剛度系數(shù)。

2.3.3 安全特性評估

安全特性評估內容包括車輛結構完整性、安全性能、碰撞能量分布和吸收等，可以根據(jù)這些評估結果判斷車輛的設計效果。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鍵部位在碰撞前后的位移來實現(xiàn)，假設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）

乘員保護系統(tǒng)包括安全帶和安全氣囊，質量評估的重點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機、安全帶的張力以及乘員頭部、頸部和胸部的運動參數(shù)來評估，安全氣囊的展開時間tairbag需要與碰撞時刻tcollision對應：

（23）

碰撞能量的分布和吸收也是評估車輛安全性的主要指標，假設動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算：

（24）

還可以引入一個基于圖像識別和動態(tài)分析的算法，對高速攝像數(shù)據(jù)中的關鍵特征點進行提取，并計算其運動參數(shù)[4]。如通過追蹤假人頭部的位移和加速度，可以評估假人在碰撞中的受力情況，假設頭部的位移向量為，其加速度向量可以通過下列公式計算：

（25）

其中是測量間隔時間。

3 案例研究

選取標準家用轎車進行正面碰撞試驗。設定碰撞速度為50公里/小時，模擬實際道路交通事故中的常見碰撞速度，在車輛正面和側面以及車內安裝高速攝像機，確保能捕捉到碰撞的全過程。高速攝像機機位分別設計在車輛的正面、側面、乘員假人區(qū)域，攝像機配置如表1所示。本次測試過程為正面碰撞測試，確保所有數(shù)據(jù)按照預定配置成功捕捉。

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

通過對高速攝像數(shù)據(jù)的分析，車輛前端在碰撞后的形變量達到40厘米，顯示了前端吸能結構在碰撞時的效能。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系統(tǒng)的響應迅速且有效。高速攝像技術捕捉的數(shù)據(jù)展示了車輛在碰撞過程中的動態(tài)響應，包括車輛結構的變形、乘員約束系統(tǒng)的反應，以及乘員模擬假人的動態(tài)。這些數(shù)據(jù)對于理解車輛在碰撞中的表現(xiàn)至關重要，并為未來車輛安全設計提供了重要參考。

4 結語

高速攝像機為車輛碰撞測試提供了新的思路，對碰撞過程中車輛結構、乘員的動態(tài)進行抓捕、記錄、數(shù)據(jù)分析等，能夠準確判斷出車輛的安全性能，對于車輛設計、安全系統(tǒng)優(yōu)化、交通安全來說具有關鍵意義。

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