(上海汽車集團股份有限公司商用車技術中心，上海 200438)

0 前言

1992年世界第一臺基于互補金屬氧化物半導體(CMOS)的高速數(shù)字攝影機問世，給人們探索高速變化的運動世界帶來了全新的體驗，可以通過攝影圖像資料來進行更細化的分析研究。如今，超高速攝像技術的問世，更有助于了解高速變化的事物細節(jié)。高速相機在工業(yè)、航空航天以及科技研究領域一直發(fā)揮著無法替代的作用，如學術研究領域中內(nèi)燃機燃燒試驗、流體擴散、仿生研究、裂紋擴散等[1]。

隨著消費者的安全意識逐步深入，人們對汽車的安全性要求也越來越高。在購置汽車時，中國新車評價規(guī)程(C-NCAP)評分成為消費車購車選型的重要參考指標。為了切實提高整車的安全性能，各大汽車企業(yè)不斷增加安全研發(fā)方面的投入，紛紛建立了現(xiàn)代化的安全試驗中心，除了進行常規(guī)的法規(guī)試驗外，更是投入了大量的人力和物力進行各種要求遠超當前法規(guī)的嚴苛的研發(fā)試驗，這對試驗設備、測量儀器、高速相機，以及試驗技術方法都提出了更新的要求。

汽車被動安全測試領域高速相機應用廣泛，無論是整車級別的各類碰撞試驗、滑臺的模擬碰撞試驗，還是各個零部件如氣囊、安全帶約束系統(tǒng)測試都對高速相機采集的圖像有不同的要求。根據(jù)《C-NCAP管理規(guī)則(2018年版)》的相關內(nèi)容，高速相機的最小分辨率為512×384像素，這是C-NCAP考慮到試驗中惡劣條件下車載相機的限制給出的分辨率，在實際操作中各實驗室當前使用的所有地面相機的分辨率都遠遠超過這個分辨率，目前大都在滿幅1280×80像素，拍攝局部細節(jié)的車載相機或用于車載一個主機多攝像頭的高速相機也大都在800×600像素。

由于碰撞試驗具有一定破壞性，且碰撞試驗中存在一些不可控因素，相機可能會直接受到碰撞沖擊而超過相機本身的抗沖擊耐受范圍，或導致相機附件線纜折斷等事故，在實際使用中，車載相機的損壞率一直比較高。這個問題也一直困擾著碰撞試驗的執(zhí)行者。如果能夠抓拍到足夠清晰的影像，或許就可以減少對部分車載相機的使用，從而降低試驗的執(zhí)行成本。

高分辨率的高速相機能夠提供更多用于分析的影像信息，從而提高了分析結果的質量和間接測量的精度。C-NCAP也列出了基于影像分析的評判標準，如通過對影像分析計算沖擊過程中座椅靠背角的最大變化量、滑軌移動部分相對固定部分移動位移的最大量、氣簾上的顏料印跡分布進行展開形態(tài)和動態(tài)保護性能確認等，這些要求都體現(xiàn)了高速影像信息資料對汽車安全試驗的重要性，越來越多的細節(jié)分析將會依賴于高質量的高速影像資料。

在C-NCAP標準中的正面碰撞和側面碰撞試驗需要使用多達11臺高速相機，相機數(shù)量過多會造成試驗中相機位置、線纜排布、影像對焦調試、組網(wǎng)通信、同步觸發(fā)的設置過于復雜，提高了試驗中信息采集失敗的可能性，且占據(jù)了大量的試驗準備時間。如果能夠在確保采集到的影像信息資料不變并能夠適當減少相機的機位數(shù)量，將有助于試驗效率的提升。

1 4K高速相機參數(shù)性能介紹

4K相機中的“4K”指的是相機中CMOS傳感器的感知分辨率等級，通常定義為單邊(通常指橫向或水平方向)最大像素可以達到4 000像素數(shù)量級(最大像素量超過900萬)。當然，這個4K也不是絕對的4 000像素，通常行業(yè)內(nèi)把分辨率達到3 840×2 160像素和4 096×2 160像素都算是4K。在相機生成的圖像文件中，4K圖像資料指的是在未經(jīng)放大處理像素密度最大情況下單邊達到4K像素的原始畫面的畫質，這個畫質是目前汽車碰撞試驗所使用主流100萬像素等級相機的9倍。除了像素的提高外，4K相機能夠提供更寬廣的動態(tài)范圍和更低的噪點。像素、動態(tài)范圍和噪點是各相機研發(fā)廠商在市場上競爭角逐的關鍵技術點。

第一款工業(yè)級的4K高速相機在2017年8月正式推出，把工業(yè)領域的高速攝像技術提升到全新的高度，在可接受的成本投入下使獲取的圖像素材更加清晰、精準，能夠在后期的圖像分析中獲得更多的分析信息。尤其適合應用于需要高分辨率、通過放大觀察局部細節(jié)、拍攝的目標物在大范圍空間內(nèi)移動，以及需要通過影像資料進行極其精確的間接測量等情況。圖1所示是試驗中所使用的4K高速相機。

圖1 4K高速相機

試驗中所用的高速相機外形尺寸為12.7 cm ×14 cm ×15 cm(長×寬×高)，質量為2.5 kg，可在-10～50 ℃環(huán)境溫度中工作。配備特制的940萬像素，12位CMOS傳感器，每個像素點為6.75 μm2。由于所拍攝的影像資料文件較大，配備了10 GB自適應以太網(wǎng)卡，可以快速地下載拍攝的影像文件，有些相機擁有CFast可移動閃存卡接口，可以快速將相機內(nèi)存中的圖像資料轉存到CFast Flash卡中(轉存速率達90 MB/s)，確保影像資料的安全，其最大抗沖擊達100個G，最大功耗約為75 W，機身可外掛電池組，可以在市電和電池供電間做到無縫切換(外部市電斷電后自動切換至電池續(xù)航，系統(tǒng)工作不會中斷)使相機仍然保持在原有的工作狀態(tài),即等待觸發(fā)的循環(huán)記錄工作狀態(tài)，或是觸發(fā)后的拍攝影像信息存儲、轉存Flash記憶卡中的狀態(tài)。此高速相機可以每秒拍攝最大分辨率全畫幅4 096×2 304像素照片938張，整車級碰撞試驗高速攝像最高幀數(shù)標準目前為1 000幀/s(依據(jù)《C-NCAP管理規(guī)則(2018年版)》)，該相機與之對應的最大分辨率為4 096×2 160像素，配備36 GB的高速內(nèi)存可以拍攝并存儲長達2.8 s的影像資料(即2 800張滿足4K標準畫質的照片)。通常在整車級碰撞試驗中，一般只需拍攝碰撞前50 ms和碰撞時刻起300 ms之間的影像照片，即總共拍攝350張左右的照片，高速相機可拍照數(shù)量可充分滿足標準要求。

2 4K高速相機在碰撞試驗中帶來的優(yōu)勢

2.1 分辨率提升帶來的優(yōu)勢

當前銷售的主流高速相機已經(jīng)普遍進入到2K時代，在每秒1 000幀的工況下分辨率能夠達到2 048×1 080像素(超200萬像素)，假設每個像素點的面積相同，相機的像素點越多，該相機的CMOS傳感器的面積就越大，相同視野中所得到的影像圖片就越清晰，畫質就越細膩。圖2示出了4K CMOS傳感器與2K、全高清(Full HD)、高清(HD)、DVD、VCD的傳感器像素面積的對比。

圖2 幾種常見傳感器像素面積對比圖

也就是說，4K相機比當前主流的2K相機在分辨率上提高了4倍，分辨率的提升帶來更清晰的畫面細節(jié)。本文以安全帶試驗為例，通過真實試驗所采集到的圖像信息進行更直觀的對比。

圖3所示是使用不同分辨率的高速相機所拍攝到的圖像，將不同分辨率的高速相機調整到近似相同的構圖，從全局來看，很難察覺畫面上存在的明顯不同。

圖3 不同像素相機拍攝的試驗圖像

但如果對假人的頭部部分進行局部放大，采用高分辨率拍攝的照片，同樣的畫幅下像素點越多，畫面中的影像就越清晰，輪廓界線就越明顯。圖4所示是采用4種不同的分辨率相機拍攝圖像的頭部局部放大圖，可看出像素越高，輪廓越明顯，圖像的清晰度也越高，這對于細節(jié)分析和圖像處理軟件對目標像素的捕捉提供了很大的幫助。

圖4 不同分辨率相機拍出的頭部放大圖

2.2 使用更少數(shù)量的相機，得到更好的圖像

2.2.1 在分辨率接近時得到更大的畫幅

在整車級試驗中，通常需要在牽引軌道兩側各設置1臺機位用于拍攝從壁障到試驗車尾部，可以跟蹤試驗車在碰撞過程中的整體運動過程。在對于相同面積所需要的像素接近時，使用高清4K相機可以得到更大的畫幅，無需使用多臺相機進行圖像拼接就可以滿足對影像資料的要求。

圖5所示是使用3 840×2 160像素的4K相機拍攝的圖像，圖6所示是2張分辨率為1 920×1 106像素圖片拼接出的畫面。雖然圖5單張圖像和圖6中2張拼接圖片的總像素點接近，但2張圖片的拼接會造成部分圖像信息丟失，不利于碰撞試驗中的分析研究。

圖5 分辨率為3 840×2 160像素的單張圖像

圖6 2張分辨率為1 920×1 106像素的畫面拼接

2.2.2 減少使用相機數(shù)量而達到優(yōu)于預期圖像分析所要求的畫面質量

通常在碰撞試驗攝像中會使用1臺相機拍攝全視野，以研究試驗目標整車或滑臺的整體運動過程，使用另外1臺相機拍攝視野局部，以研究特定目標，如假人在試驗中的運動情況。如果使用4K相機作為全景機位相機，視野局部畫面要取得當前試驗要求中普遍認可的畫面質量，不需要額外架設拍攝局部視野的相機，可以從4K全景相機的照片中根據(jù)需要直接截取畫面。也就是說使用1臺4K相機就足以獲得目前試驗方法中使用2臺相機(全景相機和中景相機)才能獲得的畫面信息。試驗中使用1臺2K相機拍攝局部視野(中景)，然后與從拍攝全視野的4K相機所獲取的畫面中截取相同的視野局部作比較。圖7所示為4K相機拍攝的全視野的圖像，圖8是截取的畫面與2K相機局部拍攝效果的對比圖。

圖7 4K相機拍攝的全景圖

圖8 4K相機拍攝畫面的截取圖與2K相機拍攝的局部圖對比

由圖7和圖8可知，即使在4K相機所拍攝的大畫幅中截取出很小的一部分局部畫面，其分辨率和整體效果也遠超2K相機滿畫幅拍攝的效果。

在C-NCAP中的正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗中，試驗要求架設11個高速相機機位，具體要求如表1所示，圖9為正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗攝像機位置，其中攝像機9位于拍攝軌道下方，圖中無法標示。

如果引入4K相機，機位2和機位4可以采用1臺4K相機替代，4K相機選用原攝像機4的拍攝機位，可以在全景圖中截取原機位2和原機位4的影像進行分析。另一側機位3、機位5和機位6可以采用另外1臺4K相機替代，拍攝機位選用原攝像機6的機位6，可以在全景照片中分別截取出原機位3、原機位5和原機位6的影像，通過影像處理軟件分析。因此可以減少3臺相機的架設，取得優(yōu)于原先架設機位數(shù)量所取得的影像質量。

表1 攝像機位置及要求

同樣地，在C-NCAP中要求的正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗和可變形移動壁障側面碰撞試驗攝像機的位置圖分別如圖10和圖11所示，其中圖10中攝像機9位于拍攝軌道下方，圖中無法標示。

圖9 正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗攝像機位置圖

圖10 正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗攝像機位置圖

圖11 可變形移動壁障側面碰撞試驗攝像機位置圖

觀察了正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗和可變形移動壁障側面碰撞試驗流程，如果使用4K相機在相同的拍攝角度上都可以減少一定數(shù)量的機位。表2是部分使用4K相機后建議的機位數(shù)量以及相機的機位位置。

2.3 寬廣的動態(tài)范圍的優(yōu)勢

動態(tài)范圍是指在一幅畫面中最亮和最暗之間存在多少不同的亮度分級。針對攝像設備來說，動態(tài)范圍是在同一個場景中相機能夠區(qū)別出來的最亮和最暗之間的等級數(shù)。動態(tài)范圍越寬的相機能夠接收更多的光線從而保留更多的細節(jié)。如圖12所示是不同像素相機拍攝圖像動態(tài)范圍的對比，圖像中可以直觀感受到在類似的場景下，使用相同的光圈設定下不同相機像素的動態(tài)范圍的差異。

表2 部分使用4K相機后建議的相機數(shù)量及位置

圖12 不同相機拍攝出圖像的動態(tài)范圍對比

4K相機獲取的影像能夠更好地體現(xiàn)被拍攝目標的細節(jié)，保留更多的元素，更逼真地展現(xiàn)出標記點貼紙等(圖12)。

2.4 低噪點的優(yōu)勢

圖像中的噪點會導致影像照片中丟失很多細節(jié)，在照片圖像中比較暗的區(qū)域尤其明顯。對比噪點對圖像的影響，以相同的構圖。相同的光圈設定，不進行各項電子校正。圖13和圖14分別是4K相機拍攝的輪胎圖像和2K相機拍攝的輪胎圖像。

圖13 4K相機拍攝的輪胎圖像

圖14 2K相機拍攝的輪胎圖像

從圖14可以很清晰地看到垂直狀的條紋，在黑色的背景中尤其明顯。這個條紋就是由噪點導致的。噪點的多少和去噪點的修正是一款相機優(yōu)劣的重要指標之一。

3 使用不同鏡頭配合相機的影響

電影鏡頭相比普通鏡頭可以大幅提升獲得影像的銳度，也就是可以得到更清晰的攝像目標的邊緣輪廓。后期圖像分析軟件處理可得到更精確的數(shù)據(jù)，并且有效降低雜散光、降低色散現(xiàn)象、降低畫面邊緣位置的模糊程度。

4 結論

4K高速相機在汽車被動安全行業(yè)碰撞試驗中的應用將大幅提高采集的圖像畫面質量，同時利用4K相機的高分辨率，可以將全景相機和中景相機進行整合，在全景相機獲取的圖像中截取所需要的中景影像，從而減少擺設的相機機位，減少了試驗前的準備工作量，簡化了相機的同步觸發(fā)和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸布局，降低了相機整體應用的投入成本和運營維護成本，提高了相機同步觸發(fā)的可靠性，寬廣的動態(tài)范圍也能表現(xiàn)圖像更多的細節(jié)，配合優(yōu)質的鏡頭更能提升相機的效果。4K高速相機為后期圖像分析處理軟件提供更高質量、包含更多可分析信息的圖像資料，提高了碰撞試驗的分析能力。

圖15 電影鏡頭和常規(guī)鏡頭拍攝的圖像對比