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汽車碰撞測(cè)試高速成像基本原理

2020-12-08 11:49:13·  來(lái)源：PHANTOM 高速攝像機(jī)  
　
隨著汽車行業(yè)對(duì)車輛安全的要求不斷演進(jìn)，愈發(fā)有必要對(duì)碰撞測(cè)試進(jìn)行極高精度的分析。這就需要應(yīng)用最新的高速成像技術(shù)。
隨著汽車行業(yè)對(duì)車輛安全的要求不斷演進(jìn)，愈發(fā)有必要對(duì)碰撞測(cè)試進(jìn)行極高精度的分析。這就需要應(yīng)用最新的高速成像技術(shù)。汽車工程師借助慢速碰撞過(guò)程錄像，能夠觀察、分析安全氣囊、安全帶和其他部件的微妙運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)。這一過(guò)程幫助他們做出關(guān)鍵的設(shè)計(jì)決策，也讓車輛更安全。
 
碰撞測(cè)試有獨(dú)特要求，主要是因?yàn)闇y(cè)試環(huán)境固定，而各種大小不一的物體在這一固定空間內(nèi)移動(dòng)，需從多個(gè)視角捕捉這些物體的畫面。技術(shù)人員需要非常注意光線、視場(chǎng)、景深和鏡頭選擇。在本文中，我們將探討高速攝像經(jīng)驗(yàn)，以幫助高速攝像機(jī)操作員優(yōu)化車載和地面碰撞測(cè)試的高速圖像。
 
我們還將介紹、討論目前市場(chǎng)上的部分高速攝像機(jī)。這些攝像機(jī)在汽車碰撞測(cè)試方面表現(xiàn)優(yōu)異，可幫助工程師提高車輛安全性并優(yōu)化部件設(shè)計(jì)。
 
碰撞測(cè)試攝像目標(biāo)
汽車碰撞測(cè)試通常有以下兩個(gè)目標(biāo)。第一是確保車輛符合行業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)，包括美國(guó)公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì) (IIHS)、美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局 (NHTSA)、歐洲新車評(píng)估計(jì)劃 (NCAP) 等機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)。每個(gè)機(jī)構(gòu)都概述了攝像要求，包括高速攝像機(jī)在測(cè)試車輛內(nèi)和車輛周圍的位置。
 
例如，IIHS 的“小偏置正面耐撞性評(píng)估”(Small Overlap Frontal Crashworthiness evaluation)，適用于駕駛員和乘客側(cè)的偏置碰撞測(cè)試。根據(jù)此協(xié)議，模擬車輛前角與物體碰撞時(shí)發(fā)生的情況，車內(nèi)的高速攝像機(jī)必須滿足以下焦點(diǎn)和焦距：
- 駕駛員側(cè)視圖=10 毫米
- 駕駛員肩膀上方=16 毫米
- 駕駛員后視圖=16 毫米
- 弦線電位計(jì)和儀器視圖=10 毫米
 
在特定的 IIHS 測(cè)試中，所需高速攝像機(jī)可達(dá) 16 臺(tái)，每臺(tái)高速攝像機(jī)捕捉碰撞不同方面的圖像。碰撞測(cè)試還具有工程目的，幫助汽車工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)測(cè)試，以及獨(dú)立的安全氣囊和部件測(cè)試，需要選擇高速攝像機(jī)并設(shè)定位置以收集所需信息。
 
汽車碰撞測(cè)試高速成像
全面解決方案
 
以下高速攝像機(jī)具有快速幀率、高像素分辨率，結(jié)構(gòu)緊湊且堅(jiān)固，在汽車碰撞測(cè)試的車載拍攝和地面拍攝中表現(xiàn)出色：
- Phantom Miro C320 和 C320J 體積小、 耐用、感光度好，非常適合碰撞測(cè)試車載攝像。這兩種高速攝像機(jī)可承受高達(dá) 170G 沖擊力，配有內(nèi)置備用電池，確保因沖擊斷電時(shí)仍能捕捉并保存測(cè)試圖像。該高速攝像機(jī)能以 1920 x 1080 的像素分辨率和 1,400 fps 的速度捕捉圖像。
- Miro C210 和 C210J 結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，在狹窄車內(nèi)空間攝像表現(xiàn)優(yōu)異。其 130 萬(wàn)像素傳感器結(jié)構(gòu)緊湊，5.6 微米像素，12 位深度，可高速捕捉細(xì)節(jié)豐富的圖像。與C320 一樣，C210 和 C210J 也配備內(nèi)置電池和閃存，保護(hù)關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這兩種高速攝像機(jī)能以 1280 x 1024 的像素分辨率和 1,800 fps 的速度捕捉圖像。
- Phantom Miro N5 僅 1 英寸立方體大小，是 Phantom 高速攝像機(jī)當(dāng)中體積最小的，因此非常適合用于高要求的碰撞測(cè)試車載攝像。該高速攝像機(jī)包含三個(gè)可更換組件，包括配備 50 萬(wàn)像素傳感器的高速攝像頭、CXP 電纜和 Miro N-JB 底座。
- Phantom VEO 440 配有 4 百萬(wàn)像素傳感器，適用于碰撞測(cè)試地面拍攝，能提供高分辨率、攝像覆蓋范圍更大、細(xì)節(jié)更豐富。有多種鏡頭可選，包括帶電子鏡頭控制的 F 卡口、C 卡口和佳能 EF 卡口鏡頭。該高速攝像機(jī)能以 2560 x 1600 的像素分辨率和 1,100 fps 的速度捕捉圖像。 
 
碰撞測(cè)試與高速數(shù)據(jù)采集
在碰撞測(cè)試中，高速攝像機(jī)不一定單獨(dú)使用。為了描述碰撞測(cè)試的各個(gè)方面，汽車工程師傳統(tǒng)上依賴加速度計(jì)和其他模擬和/或數(shù)字傳感器。如今，借助 Phantom 的成果，能更方便地把高速成像融入上述組合中，Phantom 高速攝像機(jī)已經(jīng)能夠與第三方數(shù)據(jù)采集 (DAQ) 系統(tǒng)直接連接，碰撞測(cè)試工程師得以同時(shí)收集模擬數(shù)據(jù)或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以及視頻數(shù)據(jù)。工程師可運(yùn)用此功能，在 Phantom 高速攝像機(jī)控制 (PCC) 軟件中把同步的視頻和數(shù)據(jù)可視化，獲得觀察對(duì)象的新視角。
 
車載測(cè)試—
攝像機(jī)設(shè)計(jì)、視場(chǎng)和景深
 
碰撞測(cè)試的具體成像目標(biāo)決定了高速攝像機(jī)的位置，包括車載位置（即在汽車或拖車內(nèi)部位置），還是地面位置。
根據(jù)其在車內(nèi)的位置，車載碰撞測(cè)試需要小型、輕便、耐用的攝像頭。此種高速攝像頭可輕松安裝在狹小的空間中，同時(shí)反復(fù)承受 G 力。例如，Phantom Miro C320 高速攝像機(jī)設(shè)計(jì)可承受高達(dá) 170G 沖擊，且已經(jīng)過(guò)測(cè)試。其結(jié)構(gòu)緊湊而堅(jiān)固，重 1.2 磅，符合 MIL-STD 202G 規(guī)格要求，標(biāo)配承受 100G 沖擊，但大多數(shù)汽車碰撞的沖擊介于 30G 到 75G。
小型專用高速攝像機(jī)還可用于狹小空間，如車門面板內(nèi)或制動(dòng)踏板附近。只帶有傳感器的攝像頭連接到更大、獨(dú)立的控制底座上，得以實(shí)現(xiàn)體積小、重量輕的特性。例如，Phantom Miro N5 高速攝像頭只有 1 英寸立方體大小， 通過(guò) CXP 電纜連接到控制底座上，圖像能夠即時(shí)、安全存儲(chǔ)。
小型專用高速攝像機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
 
- 可設(shè)置在車內(nèi)幾乎任何位置，包括發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤
- 重量輕，便于使用寬膠帶或魔術(shù)貼安裝
- 碰撞存活率高，因?yàn)槲⑿臀矬w常常能免遭破壞

小型專用高速攝像機(jī)也有不足之處。首先，連接電纜裸露，可能出現(xiàn)故障。降低風(fēng)險(xiǎn)的一個(gè)方法是，確保圖像能夠通過(guò) CXP 電纜實(shí)時(shí)下載到控制底座。此外，傳感器、像素通常很小，需要補(bǔ)充光線?？梢杂嗅槍?duì)性地補(bǔ)充 LED 照明。
車載測(cè)試常在照明方面受到限制。為克服這一挑戰(zhàn)，需要選擇動(dòng)態(tài)范圍出色的高速攝像機(jī)，例如，能讓技術(shù)人員觀察到制動(dòng)踏板上黑影的細(xì)微差別，或安全氣囊白色陰影的細(xì)微差別。
PS
碰撞測(cè)試車載高速攝像
 
還需注意下列事項(xiàng)：
NO.1 視場(chǎng) (FOV)
由于高速攝像機(jī)安裝位置與目標(biāo)物體非常近（可能是碰撞測(cè)試假人、儀表板、安全帶等等），技術(shù)人員需要使用寬 FOV 攝像機(jī)。FOV 取決于多個(gè)變量，包括鏡頭選擇、錄制分辨率以及攝像機(jī)與焦平面間的距離。
例如，通過(guò) Vision Research 的在線鏡頭計(jì)算器得知， 如需 5 英尺視場(chǎng)，Phantom Miro C320 設(shè)置為全分辨率 (1920 x 1080)，則需水平焦距 18 毫米、垂直焦距 10.72 毫米的鏡頭。如果攝像機(jī)位置往遠(yuǎn)伸 7 英尺，則需水平焦距 26.55 毫米、垂直焦距 15.01 毫米的鏡頭。一個(gè)變量的變化會(huì)導(dǎo)致其他變量變化。
 
由于傳感器尺寸不同，所需攝像機(jī)型號(hào)可能會(huì)不同，鏡頭格式必須與傳感器格式匹配。
 
NO.2 景深 (DOF)
雖然景深應(yīng)足夠深，以便技術(shù)人員清楚觀察汽車各部分，但光線方面有所妥協(xié)。光圈系數(shù)較高時(shí)，對(duì)焦深度更大，但圖像也較暗。鏡頭的 f-stop （光圈系數(shù)）設(shè)置到最高，可獲得最大景深，對(duì)應(yīng)最小開(kāi)口。反之，f-stop 系數(shù)越小，光圈越大，景深較淺，圖像更亮。為獲得足夠的景深，補(bǔ)充光線是關(guān)鍵。因此，高強(qiáng)度 LED 燈對(duì)汽車碰撞測(cè)試非常重要，這些燈通常是根據(jù)區(qū)域光線需求定制的。
 
雖然高速攝像過(guò)程中通常需要照明，但高速攝像機(jī)的設(shè)計(jì)可以讓其盡可能多地利用光線，以減少這方面的需求。例如，Phantom Miro C320 集成了 CMOS 傳感器， 結(jié)構(gòu)緊湊，10 微米像素，感光度更高，它的 ISO 值也較高：10,000D（單色）和 2,000D（彩色），這意味著捕捉高質(zhì)量圖像所需補(bǔ)充的光線更少。
 
車載測(cè)試鏡頭注意事項(xiàng)
碰撞測(cè)試車載高速拍攝通常使用 C卡口鏡頭，這些鏡頭通常價(jià)格實(shí)惠、體積小，能夠承受重復(fù)沖擊，因此是車載碰撞測(cè)試的理想之選。
鏡頭的選擇取決于高速攝像機(jī)的傳感器格式，傳感器格式根據(jù)其分辨率和像素大小計(jì)算，傳感器尺寸以及相應(yīng)的圖像圓尺寸通常以公制單位測(cè)量，但以英寸單位表達(dá)。示例如下：
 
- 在 2/3 英寸傳感器格式中，對(duì)角線為 11 毫米，即需要的最小圖像圓尺寸為 11 毫米的鏡頭覆蓋 2/3 英寸格式傳感器。
- 在 1 英寸傳感器格式中，對(duì)角線為 16 毫米，即需要的最小圖像圓尺寸為 16 毫米的鏡頭覆蓋 1 英寸格式傳感器。
- 在 4/3 英寸傳感器格式中，對(duì)角線為 22.5 毫米，即需要的最小圖像圓尺寸為 22.5 毫米的鏡頭覆蓋 4/3 英寸格式傳感器。
 
高速攝像機(jī)傳感器尺寸及相應(yīng)鏡頭。
例如，以全分辨率使用 Miro C320 需要 4/3 英寸鏡頭，而使用 Miro C210 則需 1 英寸鏡頭。使用大于傳感器要求的鏡頭也可覆蓋傳感器，但需計(jì)算“裁切系數(shù)”。例如，在 2/3 英寸傳感器上，20 毫米 4/3 鏡頭與 40 毫米鏡頭的覆蓋范圍相當(dāng)。更重要的是，避免使用相對(duì)傳感器過(guò)小的鏡頭，因?yàn)檫@種組合會(huì)使圖像邊角變黑，即出現(xiàn)暈影。例如，2/3 英寸 C 卡口鏡頭應(yīng)安裝在具有 2/3 英寸傳感器的攝像機(jī)上，但若連接到 1 英寸傳感器攝像機(jī)上則會(huì)導(dǎo)致暈影。
 
無(wú)暈影與有暈影
 
以下鏡頭也用于車載碰撞測(cè)試：
NO.1 S (M12) 卡口鏡頭
S 卡口鏡頭是小型專用攝像機(jī)的理想之選，因?yàn)槠潴w積非常小，通常價(jià)格實(shí)惠，有多種焦距可選。操作員將這些鏡頭旋入靠近傳感器的攝像機(jī)，然后用鎖緊螺母鎖定，實(shí)現(xiàn)聚焦。
NO.2 微型4/3 (MFT) 鏡頭
MFT 鏡頭是新開(kāi)發(fā)的高成本效益替代品?？商娲笮蛿z像機(jī)傳感器高清成像所需的大型 4/3 英寸鏡頭。
 
鏡頭計(jì)算示例：
從肩膀上方捕捉安全氣囊應(yīng)用過(guò)程
要在此方案中選擇合適的鏡頭，首先需要考慮觀察對(duì)象（包括其與攝像機(jī)的距離）以及錄制分辨率，計(jì)算選擇鏡頭的公式較為麻煩。例如，此為 Phantom Miro C320 高速攝像機(jī)的計(jì)算公式：
 
然而，PHANTOM網(wǎng)站上提供免費(fèi)的鏡頭計(jì)算器，讓選擇更簡(jiǎn)便。此計(jì)算器專為計(jì)算 Phantom 高速攝像機(jī)使用的定制傳感器而設(shè)。
 
在此例中，我們希望 Phantom Miro C210 高速攝像機(jī)能越過(guò)駕駛員的肩膀，拍攝到約 4 至 5 英尺遠(yuǎn)處的安全氣囊。首先打開(kāi)鏡頭計(jì)算器，選擇高速攝像機(jī)型號(hào)；然后輸入水平和垂直分辨率，因?yàn)槲覀兿Ｍ^察安全氣囊（這一范圍較大），所以需要使用高速攝像機(jī)的 1280 x 1024 全分辨率。
 
然后，輸入與拍攝的距離（6 英尺）、水平視場(chǎng)長(zhǎng)度（2 英尺）和垂直視場(chǎng)高度（2 英尺）；最后，選擇“計(jì)算”，生成以下值：水平焦距 21.25 毫米、垂直焦距 17.04 毫米。
由于這兩個(gè)數(shù)值相差較大，可在兩個(gè)數(shù)字之間選擇平均焦距，或者根據(jù)應(yīng)用需求和偏好，偏向水平視場(chǎng)或垂直視場(chǎng)選擇鏡頭。
 
PHANTOM官網(wǎng)提供的鏡頭計(jì)算器。
 
碰撞測(cè)試地面攝像注意事項(xiàng)
接下來(lái)，我們將討論碰撞測(cè)試的地面攝像，包括安裝遠(yuǎn)離車輛的高速攝像機(jī)（通常從 5 米到 15 米不等），從側(cè)面、頂部、前方或底部捕獲圖像。例如，IIHS 的“小偏置正面耐撞性評(píng)估”包括以下坐標(biāo)和六個(gè)地面攝像機(jī)的鏡頭焦距：
 
IIHS“ 小偏置正面耐撞性評(píng)估”的高速攝像機(jī)坐標(biāo)、焦點(diǎn)和設(shè)置。
 
雖然地面高速攝像機(jī)成像過(guò)程的許多方面（包括鏡頭計(jì)算） 與車載高速攝像機(jī)相同，但確實(shí)存在一些關(guān)鍵的成像差異。例如，空間和光線更充足，因而攝像機(jī)尺寸和感光度要求沒(méi)有那么高，由于其位于車外，地面攝像機(jī)的抗沖擊能力也不必與車載攝像機(jī)一樣強(qiáng)。
 
IIHS“小偏置正面耐撞性評(píng)估”的地面攝像機(jī)位置包括：上方 (A) 、斜后方 (B) 、左側(cè) (C) 、前方 (D)、斜前方 (E) 和右側(cè) (F)。

NO.1 分辨率
地面攝像機(jī)遠(yuǎn)離汽車，因此通常具有更大的傳感器，分辨率也更高，盡管視場(chǎng)更大，工程師和技術(shù)人員仍能輕松跟蹤并分析特定物體。由于待拍攝區(qū)域大于車載攝像，因此最適合的是分辨率更高的攝像機(jī)（400 萬(wàn)像素或更大）。

NO.2 視場(chǎng)
與車載測(cè)試類似，確定適當(dāng)視場(chǎng)首先要確定拍攝對(duì)象與高速攝像機(jī)的距離。通常，視場(chǎng)應(yīng)覆蓋車前、車后的車長(zhǎng)四分之一范圍，是否部署一個(gè)或多個(gè)高速攝像機(jī)來(lái)捕捉碰撞圖像取決于測(cè)試的要求。

NO.3 鏡頭選擇
地面攝像機(jī)通常運(yùn)用大型傳感器，因此常通過(guò)可更換鏡頭卡口使用 F 卡口鏡頭。由于地面高速攝像機(jī)不直接參與碰撞測(cè)試，許多技術(shù)人員偏好一次性設(shè)置攝像機(jī)和鏡頭，然后保持不變。攝像機(jī)長(zhǎng)期保持同一位置，無(wú)需調(diào)整鏡頭，從而簡(jiǎn)化工作流程，且能獲得更一致的圖像。

成像基本概念
一些關(guān)鍵成像概念，它們與碰撞測(cè)試高速攝像有關(guān)，了解這些相關(guān)概念可顯著提高測(cè)試期間拍攝的圖像質(zhì)量。

NO.1 幀率和曝光時(shí)間
雖然大多數(shù)汽車碰撞測(cè)試的記錄速度約為 1,000 幀/每秒 (fps)，但許多高速攝像機(jī)的幀率要高得多，尤其是在分辨率更低的情況下。等式的另外一部分是曝光時(shí)間，或者說(shuō)每一幀暴露在光線下的時(shí)間，即使在一幀內(nèi)也可能發(fā)生快速事件，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)模糊。減少曝光時(shí)間可在更小、更具體的時(shí)間范圍內(nèi)捕捉運(yùn)動(dòng)，并消除運(yùn)動(dòng)模糊。但有一點(diǎn)需要權(quán)衡：減少曝光時(shí)間也會(huì)減少傳感器獲得的光線。

NO.2 分辨率
分辨率以像素為單位，指攝像機(jī)可以捕獲的細(xì)節(jié)量，大多數(shù)高速攝像機(jī)的分辨率在 100 萬(wàn)至 400 萬(wàn)像素之間。

NO.3 動(dòng)態(tài)范圍
如需區(qū)分非常相似的陰影，動(dòng)態(tài)范圍（或圖像中最暗和最亮色調(diào)之間的亮度級(jí)別范圍）尤其重要。具有高動(dòng)態(tài)范圍的攝像機(jī)可以區(qū)分腳部空間中相似的黑色陰影，或在安全氣囊區(qū)域區(qū)分相似的白色陰影。

NO.4 位深度
位深度是指攝像機(jī)用于表示單個(gè)像素灰度的位數(shù)。四位深度等于 16 種灰度，8 位深度等于 256 種灰度，12 位深度等于 4,096 種灰度。較高的位深度可提供更多細(xì)節(jié)，但同時(shí)也會(huì)生成更多數(shù)據(jù)。 
在考慮碰撞測(cè)試車載攝像和地面攝像時(shí)，還需了解以下要點(diǎn)：
• 焦平面或被攝主體平面—焦距最清晰的圖像區(qū)域。
• 焦距—鏡頭光學(xué)中心和傳感器之間的距離（以毫米為單位）。鏡頭根據(jù)焦距區(qū)分。
• 視場(chǎng)—焦平面上圖像的尺寸區(qū)域。
• 景深—焦平面前部、后部的可接受清晰度對(duì)焦的距離。
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