基于高速攝像的汽車碰撞動態數據分析技術

劉倩博

摘 要：汽車碰撞試驗是評估車輛安全性的核心環節，而高速攝像技術在這一過程中發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，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數據分析技術，通過數據捕捉、關鍵幀與時刻標記的方式記錄并分析碰撞動態過程，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 動態數據分析

汽車碰撞動態數據分析的目的在于，根據車輛碰撞中的關鍵數據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。但傳統的碰撞測試方法往往是根據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碰撞中的每一處細節，識別圖像中的像素變化從而判斷車輛形變與乘員動態分析，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

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控并記錄車輛的結構變形、安全帶狀態變化、乘員動態等[1]。對此本文引入了一種基于圖像處理的實時監測算法，利用連續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，算法的核心是連續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境條件下，保持圖像清晰度的范圍。在捕捉汽車碰撞動態時，適當的景深對于保持碰撞過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 汽車碰撞動態數據的獲取與分析

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：

（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，Ft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。

2.2 高速攝像數據的收集

2.2.1 數據捕捉過程

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

（7）

每一幀圖像都需要通過算法進行處理以提取關鍵數據，采用光流法析連續幀之間的像素位移，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，通過計算連續幀之間的位置變化來實現，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 圖像質量和數據完整性

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細節的程度，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展現情況，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，為了保證數據的完整性，還需要一個算法來實時監控數據收集過程，并在數據丟失或質量下降時發出警告?？梢酝ㄟ^實時計算每幀圖像的信息熵來實現，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，通過監測H的變化可以評估圖像質量的穩定性和數據的完整性[3]。

2.3 數據分析方法

2.3.1 圖像處理和數據提取

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，其數學表示為：

（15）

其中G（x，y）是高斯濾波器的響應函數，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，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，讓物體輪廓的呈現效果更加清晰，可以通過拉普拉斯算子來實現，其數學表達式為：

（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據，通過基于特征的識別算法來實現，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）

通過高速攝像數據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。

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，可以根據這些評估結果判斷車輛的設計效果。根據高速攝像數據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，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據，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分析的算法，對高速攝像數據中的關鍵特征點進行提取，并計算其運動參數[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，確保所有數據按照預定配置成功捕捉。

高速攝像數據顯示，碰撞發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。

通過對高速攝像數據的分析，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的響應迅速且有效。高速攝像技術捕捉的數據展示了車輛在碰撞過程中的動態響應，包括車輛結構的變形、乘員約束系統的反應，以及乘員模擬假人的動態。這些數據對于理解車輛在碰撞中的表現至關重要，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、乘員的動態進行抓捕、記錄、數據分析等，能夠準確判斷出車輛的安全性能，對于車輛設計、安全系統優化、交通安全來說具有關鍵意義。

參考文獻：

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