劉天明，劉春艷

（1．中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，吉林長春，130011；2.長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院，吉林長春，130012）

高速攝像在車輛碰撞試驗中的應(yīng)用

劉天明1，劉春艷2

（1．中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，吉林長春，130011；2.長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院，吉林長春，130012）

本文以正面碰撞為例，圍繞高速攝像機參數(shù)配置和鏡頭的選取等方面進行分析。通過計算方法，建議了具體的配置參數(shù)。為避免在試驗過程中出現(xiàn)不必要的損失提供理論基礎(chǔ)。

碰撞試驗；高速攝像；鏡頭；拍攝速度；曝光時間

0 引言

實車碰撞試驗是綜合評價汽車碰撞安全性能的最基本、最有效的實驗方法。從1999年10月頒布汽車碰撞技術(shù)法規(guī)CMVDR294《關(guān)于汽車正面碰撞乘員保護的設(shè)計規(guī)范》以來，國內(nèi)許多汽車生產(chǎn)廠家，按照CMVDR294法規(guī)的要求，進行了實車正面碰撞試驗，實車碰撞試驗是在100ms內(nèi)完成不可重復(fù)再現(xiàn)的試驗，在碰撞過程中碰撞車輛車身變形，假人運動狀態(tài)，安全氣囊的展開狀態(tài)等具有不可預(yù)見性，僅使用傳感器測量方法很難全面直觀了解全過程。從全面掌握轉(zhuǎn)瞬即逝的汽車碰撞過程這一點上看，高速攝像是實車碰撞試驗中十分重要的環(huán)節(jié)。本文參考FMVSS No.208 100%正面碰撞對高速攝像的要求，分析如何配置高速攝像系統(tǒng)。

1 高速攝像機簡介

首先介紹高速攝相機，它是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)。高速攝相機與普通的單反相機的成像原理類似，光線透過鏡頭投影到感光原件(CCD或者CMOS)上感光，然后通過數(shù)據(jù)線將拍攝到的景象呈現(xiàn)在取景器上（一般用筆記本）。這種構(gòu)造，確定了它是完全透過鏡頭對焦拍攝的，因此對于成像而言鏡頭和感光原件的配合使用就整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其地位不言而喻。其中最為重要的是感光原件，目前高速攝像機（以下簡稱相機）的生產(chǎn)商大多使用CMOS傳感器。CMOS影像傳感器將每一畫素的電荷轉(zhuǎn)換成電壓，讀取前將其放大，這個過程中噪聲信號也就被一起放大了，表現(xiàn)在畫面上就是在圖像上出現(xiàn)彩色的斑點，因此信噪比是這種傳感器的重要參數(shù)。與信噪比相關(guān)的另一個指標(biāo)是傳感器的尺寸，面積越大捕獲的光子越多，感光性能越好、信噪比越高，獲得的圖像質(zhì)量也就越好。

2 鏡頭的選取及參數(shù)確定

在高速攝相機選定的情況下，如何選擇與之匹配的外部設(shè)備以及相機參數(shù)的設(shè)定將是本文的重點。首先分析一下鏡頭的選擇，主要從鏡頭的焦距和光圈值的設(shè)定兩個方面研究鏡頭的使用。為了使用方便有一些試驗人員使用大范圍變焦的變焦鏡頭，這樣可以固定相機位置，通過調(diào)整鏡頭來到達理想的拍攝范圍。與變焦鏡頭相比，定焦鏡頭的成像質(zhì)量好，一般光圈也較大，所以用于拍攝速度快圖像質(zhì)量要求高的碰撞試驗更具有優(yōu)勢。下面以定焦鏡頭為例對鏡頭焦距和光圈的定量計算公式進行推導(dǎo)，分析鏡頭的使用。

2.1 鏡頭焦距選擇

為了獲得預(yù)期的攝像效果，在選配鏡頭時，應(yīng)著重注意幾個基本要素：

A)被攝物體的大小——U：景物實際高度、H：景物實際寬度

B)被攝物體的細節(jié)尺寸——u：圖像高度、h：圖像寬度

C)被攝物體的運動預(yù)期趨勢和范圍

D)物距— —D：鏡頭至景物實測距離

E)焦距— —f：鏡頭焦距

F)后焦距— —v：圖像至鏡頭距離

考慮到碰撞后的反彈和碰撞碎片的飛濺，為了確保相機在安全范圍內(nèi)工作。一般將D值設(shè)定為6m，對于碰撞試驗使用的鏡頭來說，可以認為物距為∞，而像距近似的認為v=f，最終覆蓋景物鏡頭的焦距可用下述公式計算：

圖1

下面以圖2（參考FMVSS No.208 100%正面碰撞）拍攝范圍和相機位置為例，具體的分析如何確定鏡頭型號。

圖2

鏡頭到拍攝目標(biāo)距離：1、2、3號相機為6m，O1號相機為1.5m；拍攝寬度范圍：1號拍攝整車（除去后備箱）情況尺寸4m，2號拍攝假人運動及發(fā)動機艙情況尺寸2.2m，3號從后面拍攝假人與氣囊接觸情況尺寸1.2m，O1號從斜上方拍攝假人與氣囊接觸情況尺寸2m；傳感器寬度即圖像寬度為18mm。將上面一系列數(shù)值代入公式2，再綜合目前的可選的鏡頭型號規(guī)格，可以得出分別應(yīng)該使用28mm、50mm、85mm和14mm。另一方面，由于光學(xué)鏡頭本身以及攝像機成像平面與景物平面存在傾角和轉(zhuǎn)角，所以獲取的圖像存在非線性幾何畸變①。所以使用各種規(guī)格的鏡頭拍攝的畫面都會產(chǎn)生不同程度的變形，比較上述鏡頭規(guī)格，其中焦距為50mm的鏡頭在視角方面與人眼的視角最為接近，因此拍攝的畫面給人的感覺最真實。在同樣的條件下，它的幾何畸變相對較小，在圖像后處理時分析的結(jié)果相對較準(zhǔn)確，所以如果沒有相關(guān)的標(biāo)定工具的情況下，對于最關(guān)心的區(qū)域和位置上應(yīng)該盡可能多的使用這種鏡頭。長焦距的鏡頭類似望遠鏡的作用，可以將被拍攝物體“拉到眼前”，適合于捕捉細節(jié)。另外的兩個焦距小的鏡頭我們稱為廣角鏡頭，一般用在空間有限但要求畫面范圍大的位置。

2.2 光圈值的確定

確定了上述的幾個鏡頭的焦距，再來確定鏡頭的另外一個參數(shù)光圈值大小。光圈是一個用來控制光線透過鏡頭，進入機身內(nèi)感光面的光量的裝置，它通常是在鏡頭內(nèi)。表達光圈大小我們是用f值（光圈f值=鏡頭的焦距/鏡頭光圈的直徑）。這里值得一提的是光圈 f 值愈小（見圖3），在同一單位時間內(nèi)的進光量便愈多，而且上一級的進光量剛好是下一級的兩倍，例如光圈從f5.6調(diào)整到f4，進光量便多一倍，我們也說光圈開大了一級。光圈對拍攝的影響主要在于兩個方面：進光量和景深。進光量越多對于相機的性能參數(shù)要求越低。這里又引入了景深的概念。

圖3

一個物體通過鏡頭成像，在理想狀況下是點與點一一對應(yīng)的，但實際上，由于光波的性質(zhì)、像差的影響，物體上的點經(jīng)鏡頭成像后可能就不是一點，而是成了一個圓點。由于人眼的分辨能力(視力)的局限，如果該圓足夠小，就被看成一點，該點就是容許彌散圓。由于容許彌散圓的存在，聚焦完成后，在焦點前后的范圍內(nèi)都能形成清晰的像，這一前一后的距離范圍，便叫做景深。

景深的計算公式：

圖4

其中：

δ——容許彌散圓直徑

f —— 鏡頭焦距

F——鏡頭的拍攝光圈值

L —— 對焦距離

ΔL1 —— 前景深

ΔL2 ——后景深

ΔL —— 景深

對于容許彌散圓直徑見圖4，假定觀察者距離圖像為300mm，把人的視覺極限定為1分，即0.0003弧度。通過19"顯示器分析高速攝像拍攝的圖像。這樣確定δ為0.0075mm。繼續(xù)使用上面的正面碰撞的例子進行分析，如果距離車輛6m處使用高速攝像機，并且配裝50mm的鏡頭。可以得到下表的結(jié)果。我們來分析一下這組數(shù)值對我們來說有什么意義。轎車的內(nèi)部寬度一般在1.5-1.8m范圍之內(nèi)。如果將光圈設(shè)定為8，那么我們幾乎能將整個車內(nèi)情況看得清楚。這在觀察者看來是十分滿意的，但是對于一些后處理軟件這樣的景深可能會帶來不必要的麻煩。人在觀察時一般首先確定假人的輪廓線，將假人的各個目標(biāo)點限定在輪廓線范圍之內(nèi)，將其作為假人的一部分分析。而圖像后處理軟件，在進行目標(biāo)點跟蹤的過程中，是通過目標(biāo)點的特性實現(xiàn)點的定位的，所以在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)的具有相同特征的標(biāo)記點，都有可能被誤認為是該點。如果設(shè)置鏡頭光圈為5.6的話，根據(jù)經(jīng)驗假定兩假人的間距大約為670mm。在進行軟件分析時，兩個假人各部分的運動由于“過分清晰”可能會互相干擾，因為軟件無法在平面的圖形上識別這條“胳膊”到底屬于“哪一個人”。這種情況下，如果將光圈設(shè)定為4或者更大的2.8，將會改善上述情況。對于要求進行后處理的拍攝錄像，鏡頭光圈值4應(yīng)該為臨界值。而且光圈越大，攝像機的拍攝速度和快門速度也就越快，這對于拍攝高速運動的物體更有利。這將會在下面文章中進一步詳細的說明。

光圈 2.8 4 5.6 8前景深 0.29 m 0.4m 0.56m 0.75m后景深 0.32 m 0.46 m 0.67 m 1.00 m景深 0.61 m 0.86 m 1.23 m 1.75 m

3 高速攝像機參數(shù)的設(shè)定原則

在這部分中我們要確定的是高速攝像機拍攝速度和快門速度。它們決定了進光量的多少以及圖像的質(zhì)量高低。對于靜止的拍攝對象，拍攝速度越慢，相機傳感器得到的光線信息越充分（光通量越大），拍攝的圖像上的噪點越少，效果也就更好。但是對于拍攝運動的對象，特別是碰撞試驗中這樣高速運動的車輛，拍攝速度過慢，可能會產(chǎn)生“拖尾”現(xiàn)象。因為從拍攝原理角度講，照片是記錄一個時間點的圖像。在這一個時間點里，傳感器如果記錄了幾個時間點的光，由于只有一個時間點的記錄，因此，幾個時間點的圖片就重合在一起。拍攝目標(biāo)運動的速度大于拍攝速度，拍攝的圖像就會不清楚，嚴重時甚至難以辨認拍攝對象，圖像就產(chǎn)生了“拖尾”。我們都知道靜止和運動是相對的概念，對于整車碰撞試驗?zāi)壳肮J的合理拍攝速度為1000fps。這是為什么呢？通過下面的計算我們可以得出最理想的圖像信息。

V——目標(biāo)運動速度

X——拍攝范圍

F——像機拍攝速率

R——像機分辨率

E——曝光時間（快門速度的倒數(shù)）

Pixel——曝光時間內(nèi)移動的像素數(shù)

根據(jù)經(jīng)驗，當(dāng)Pixel 5時，我們可以獲得清晰的。對于圖2中的1號高速攝像機，假定整車的碰撞速度為50km/h，CMOS傳感器的水平方向的像素為1600，拍攝范圍為4m。為了方便計算和表述，拍攝速度選取10的整數(shù)次冪，分別為100 fps、1000fps、10000 fps，應(yīng)用公式（6）、（7）進行計算 Pixel 分別為 56.7、5.67、0.567，這組值當(dāng)中對應(yīng)最接近5的拍攝速度為1000fps，如果拍攝速度為100那么就不能獲得理想的圖像，如果為10000那么將會大幅度提高成本，而且對于碰撞試驗這樣的速度級別也是沒有必要的，因此選取這個速度為整車碰撞試驗的拍攝速度。但是顯而易見的是，如果以同樣的快門速度的進行拍攝，很難在每一個位置上都得到理想的圖像。這樣我們就可以通過提高快門速度方式得到理想的圖像。用同樣的公式可以得出極限的快門速度。以圖2中的幾種相機的使用情況為例，可以計算出他們的最長曝光時間分別為：1號880us；2號485us；3號265us；O1號440us?？扉T速度的快慢還會影響拍攝物體位置度精確程度，也就是物體的真正位置與圖像中的位置之間的差距比較大。由于物體是連續(xù)運動的，無論快門速度多么快，理論上拍攝得到的位置都會與實際位置之間存在偏差，但是不同的快門速度下偏差值是不同的。進行下面的試驗，以重量170克直徑57.2mm的小球進行自由落體如圖5所示，圖6是小球釋放下落后0.85m時，在不同的快門速度下拍攝到的小球位置，虛線為理論位置。以不同的快門速度經(jīng)過多次試驗發(fā)現(xiàn)，加快快門速度偏差最值逐漸減小，曝光時間為0.5ms時，偏差最小值開始出現(xiàn)，進一步提高快門速度，該值基本保持不變②。綜合上面因素，一般將情況下設(shè)定曝光時間小于400us?？紤]到碰撞過程為減速過程，頭部的瞬時最大加速度值以及出現(xiàn)的時刻等原因，3號相機也可以設(shè)置為400us。這樣對于光場和光圈的要求比較寬松，而且不會影響的測量結(jié)果。

圖5

圖6

4 結(jié)論

本文為高速攝像系統(tǒng)的配置提供了部分理論公式和參數(shù)設(shè)置建議。通過計算可以避免在試驗過程中的失誤，減少不必要的損失。這樣的設(shè)置并非絕對的，因為快門速度、光圈、焦距、分辨率還有光場強度等因素相互影響，在試驗過程中積累經(jīng)驗，綜合的應(yīng)用高速攝像系統(tǒng)的各個部分，它們將不僅僅能夠為我們提供漂亮的畫面，更重要的是能夠彌補傳感器測量方法在碰撞實驗中的不足。

[1]梁銳等.汽車碰撞圖像幾何畸變校正.中國汽車工程學(xué)會學(xué)術(shù)年會 SAE-C2003T371.

[2]蘇振凱等.數(shù)字高速攝影機最佳快門速度之探討.北體學(xué)報（臺灣），第十一期 2003.

Application of high speed photography in vehicle crash test

Liu Tianming1, Liu Chunyan2
（1.China FAW Corporation Limited R&D Center,Changchun Jilin,130011;2.College Of Optical And Electronical lnformation Changchun University Of Science And Technology,Changchun Jilin,130012）

in this paper, the frontal collision is taken as an example to analyze the configuration of high speed camera and the selection of lens. Through the calculation method, the specific configuration parameters are suggested. In order to avoid the unnecessary loss during the experiment, the theoretical basis is provided.

impact test; high speed camera; lens; shooting speed; exposure time

劉天明（1982—），男，研究生學(xué)歷，主要從事車輛被動安全研究。

劉春艷（1981—），女，講師，研究生，主要從事檢測與信號處理研究。