（仪器科学与技术专业论文）基于车身变形的汽车碰撞事故再现仿真研究.pdf

r e s e a r c ho nc a rc r a s ha c c i d e n t r e c o n s t r u c t i o nb a s e do n d e f o r m a t i o no f c a rb o d y at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s 时 f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y s h ux i n s u p e r v i s e db y p r o fq i nw e n h u s c h o o lo fi n s t m m e n ts c i e n c ea n d e n g i l l e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s 时 j u n e2 0 l o 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：韭导师签名：埠日期：汐一b ) 摘要 摘要 随着汽车工业和交通运输业的高速发展，道路交通安全事故发生频率越来越高，并 已成为危害社会经济发展和人类生命安全的重要方面。研究道路交通事故再现技术不仅 能弄清交通事故的起因，而且能改进道路、车辆的设计，对道路交通事故的发生起到防 范作用。传统的交通事故再现主要是基于轮胎印迹、汽车停止位置和抛撤物，但是这些 痕迹很容易被破坏掉，而汽车车身的变形是客观存在且难以移除的，因此，基于车身的 变形量分析和再现汽车碰撞事故的研究具有重要的理论意义和社会应用价值。 论文首先依据n h t s a 汽车变形测量参数准则，利用数字摄影测量的方法测量车身 的变形量。采用d l t 算法解算变形特征点的三维空间坐标，通过变形汽车的三维模型 与基准模型的比较，得到特征点的变形值。其次根据变形与能量关系的数学模型来进行 事故分析，在动能损失完全转化为变形能的假设前提下，计算出碰撞瞬间的速度向量。 然后，采用弹簧质点算法建立汽车模型，通过试验对比的方法优化模型参数，实现了计 算机模拟汽车变形的技术。最后利用v c + + 和0 i p e n g l 开发了汽车碰撞变形事故的仿真 软件，并用该软件对碰撞变形事故的实际案例进行分析和再现，效果较好。 关键词：摄影测量，碰撞变形，弹簧质点 a b s t r a c t w i t l lt l l el l i g l l l yd e v e l o p m e mo fa u t o m o b i l ei n d l l s t r ya n dt r a n s p o 删o n ，m er o a d 仃a m c a c c i d e n th a dr i s e no v e ry e 剐瞎a n dt b i sl 【i n do fs i t i l a t jo nh a db e c o m eat h r e a df o rs o c i a l e c o n o m i c 孤l dh u m a ns a f e 戗t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c h0 ft r a m ca c c i d e n tr e c o n s 仇l c t i o n t e c h n o l o g yi l o to i l l yc a nf i 擘跚r eo u tt 1 1 ec a u s e ，b u ta l s oc a i li 瑚【p r o v et 1 1 ed e s i g mo fr o a da i l d v e l l i c l e h o 、1 w e r ，t l l et r a d i t i o n a la c c i d e n tr e c o n s t r i l c t i o nm e t h o dw a sb a s e do nt l l ew h e e lp r i l 也 p o s i t i o n 锄ds t a 正a n dn l o s ep 】d j n sc 锄e a s i l yb er 锄o v e d i na n o t h e rw a y ，w ef i n do mt 1 1 e d e f o h n a t i o no ft l l ev e l l i c l ei t s e l fi sr e a l 锄dc a nr e m a i l lf o ral o n gt i m e s o ，“i sv e r vi m p o r t 锄 t l l a t 、v eh a v ear e s e a l c ho nt h ea c c i d e mr e c o n 咖c t i o nb a s e do nt h ed e f o n n a t i o no fc r a s h e d c a r n l i sp 印e rm e 嬲u r e d 廿l ed e 南n n a t i o no f 廿1 ec a rb a s e do nt 1 1 en h t s ac a rd e f o 姗a t i o n p r i n c i p l eu s i n gc l o s e - r a n g ep h o t o 黟a m m e t 巧f i r s t l y nt a k e st h e3 - dp o s i t i o nm e a s u r e db y d l t a l g o r i t l l mc o m p a r et 0t h eo r i g i l l a lc a rt og e tt l l ec a rd e f o m l a t i o n a n dm e n ，a s s 啪et h a t a l l l em o t i o ne n e r 鼢，h a db e e n 仃a n s f o 眦e di n 幻d e f o n n a t i o ne n e r g y ；w ec a nu s et h em a ：吐l h l o d e lb 舐e e nc r a s ha 1 1 de n e r g yt oc a l c u l a t et h er e a l - t i m es p e e do fm ec r a s h a r e rt h a t ，w e b u i l tam o d e lb 嬲e do nm a s s s p r i r 培a l g o r i t l l mt 0s i l i m l a t e 吐l ep r o c e s so fc a rd e f 0 咖a t i o n a t l a s t ，w ed e v e l o p e dn l es o r w a r es y s t e n lw i t l lv c + + 甜l do p e n g lt ov e r i 母t h em e t l l o dw e p r o p o s e d l b o v e ，a n di t 、o f k e dw e u k e yw o r d s ：p h o t o 铲觚l l i l e 臼mc a rd e f o 衄a t i o n ，m a s s s p 血gs y s t e m n 目录 目录 摘要i a b s 仃a c t i i 第一章绪论1 1 1 论文研究的目的和意义。l 1 2 国内外研究现状1 1 2 1 国内外交通事故再现软件研究现状。l 1 2 2 国内外变形技术研究现状2 1 3 论文研究内容一3 第二章变形量的摄影测量方法研究5 2 1 引言5 2 2 碰撞变形事故信息的采集方法5 2 2 1 碰撞事故信息采集5 2 2 2 变形量的测量方法6 2 3 摄影测量技术概述6 2 3 1 摄影测量概述6 2 ，3 2 相机成像模型7 2 3 3 摄影测量的坐标系8 2 3 4 坐标系间的转换关系9 2 4 变形量测量l o 2 4 1 车身变形的测量准则1 l 2 4 2 变形特征点的解算1 2 2 4 3 变形测量试验。1 2 2 5 本章小结1 3 第三章车辆碰撞变形事故研究1 4 3 1 引言1 4 3 2 碰撞变形事故过程分析方法1 4 3 2 1 汽车碰撞过程。1 4 3 2 2 碰撞过程分析1 4 3 3 基于变形能量的事故分析1 5 i 目录 3 3 1 理论基础前提15 3 3 2 基于变形j 童击力公式的碰撞事故分析1 5 3 3 3 基于变形能量公式的碰撞事故分析1 7 3 4 刚度系数的获取方法1 9 3 5 本章小结2 4 第四章交通事故车辆碰撞变形再现技术研究。2 5 4 1 弓i 言2 5 4 2 计算机模拟变形方法2 5 4 2 1 自由变形算法2 5 4 2 2 有限元算法2 8 4 2 3 弹簧质点算法2 9 4 2 4 几种变形算法的比较2 9 4 3 基于弹簧质点算法的汽车模型3 0 4 3 1 弹簧质点模型的拓扑结构。3 0 4 3 2 基于弹簧质点的汽车建模。3l 4 ，3 ，3 弹簧质点模型动力学分析3 2 4 4 汽车弹簧质点模型的数值积分算法研究3 3 4 4 1 欧拉积分法3 3 4 4 2 中值积分法3 4 4 4 3 经典龙格库塔积分法3 4 4 5 弹簧质点模型以及变形算法的实现3 5 4 5 1 建立汽车的弹簧质点模型。3 5 4 5 2 变形算法的实现。3 6 4 5 3 模拟碰撞试验。3 8 4 6 本章小结3 9 第五章事故实例分析4 0 5 1 引言4 0 5 2 碰撞事故实例分析4 0 5 3 本章小结4 3 第六章总结与展望。4 4 致谢4 5 参考文献4 6 第一章绪论 1 1 论文研究的目的和意义 第一章绪论 随着社会的快速发展，汽车产量和使用量的不断增加，交通事故发生率急剧增加， 今天它已成为十大“人类杀手”之一，造成了重大的社会问题。根据2 0 0 4 年1 0 月由世界 卫生组织和世界银行组织编写的世界预防道路交通伤害报告，全球每年大约有1 2 0 万人死于交通事故，每天有3 2 4 2 人死亡，而受交通事故伤害的人数高达5 0 0 0 万，而造 成的直接经济损失约5 1 8 0 亿美元。这个可怕的数字还一直随着时间不断的增加着。而 随着我国社会经济、机动车保有量、道路设施建设的飞速发展，道路交通安全问题已经 成为人民生活中的重要问题之一。道路交通事故造成的伤害严重危害了我国社会经济和 公共安全事业的发展，已成为危害我国人民群众生命财产安全的第一杀手。 在所有的交通事故中，汽车碰撞是最为常见的事故形式( 约占事故总数的9 0 ) ， 一般会造成的很严重的人员伤亡和财产损失，所以对汽车碰撞事故的分析是交通事故研 究的重点。汽车碰撞事故在瞬间发生并结束，许多细节无从知道，而且当事人或旁观者 极易判断错误，甚至有时会对事故发生过程做出违背事实的陈述，这些都决定了交通事 故处理比较困难。公正客观的查明交通事故真相，分析事故原因，认定事故责任，在交 通事故的处理中极为重要。因此有必要对车辆碰撞交通事故做全面地、科学地定量分析 与研究。 我们可以根据交通事故现场所遗留的种种痕迹，如碰撞后车辆的位移、滑行方向角、 损坏变形程度、拖印长度、路面特性、车辆特性等资料，运用理论力学的知识，对事故 发生过程进行理论推算与验证，得到事故发生原因的一些重要信息，如碰撞发生时两车 的初始位置、速度和角速度等。而某些情况下，刹车印不明显或事故现场遭到破坏时， 准确再现事故的发生难度很大。但是由于汽车碰撞造成的物理损坏变形却无法消除，因 此分析汽车变形就成为分析事故的重要证据。 由于汽车变形轮廓复杂，用传统方法对现场事故车辆变形信息的采集精度很低，很 难得到有效的分析和利用。随着计算机仿真技术的发展，通过数值模拟的方法再现汽车 碰撞事故的变形的方法逐渐成为可能。 利用计算机模拟碰撞变形事故，能够直观地演示事故发生后车辆的变形情况，可以 提供给交通警察和司法鉴定部门，评估交通事故造成的损失，提高事故鉴定的客观性； 还可以将其应用于交通事故安全宣传中，科学直观的再现事故真相，起到警示作用，减 少事故发生概率。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外交通事故再现软件研究现状 国外对交通事故再现的研究工作从上世纪三十年代就开始了，到六十年代以后，随 着计算机的发展，人们开始利用计算机技术对汽车碰撞事故进行研究，建立了多种事故 再现模型及开发了相应的事故再现软件。如卡尔斯本公路事故速度再现模型( c l 认s h ) 、 能量速度当量事故再现模型( e s s a r m ) 、公路车辆模拟模型( h v o s m ) 、平面角碰撞 东南大学硕士学位论文 冲量模型( i m p a c ) 、汽车碰撞模拟模型( s m a c ) 、曳引刹车和转向模拟( t b s ) 和汽 车轨迹模拟模型( v t s ) 等。这些模型参考刹车痕长度、车辆损害的程度、道路设施( 包 括路肩、杂道、边沟等) 、车辆轨迹以及车辆的外形尺寸、质量、转动惯量、轮胎特性 等信息，运用动量定理、动量守恒和能量守恒的基本原理研究了事故再现的方法。 我国对汽车碰撞变形交通事故的研究起步较晚，九十年代初，湖南大学宗子安教授 从国外引进了d 、a 3 d 软件，并运用该软件对假人碰撞试验进行了有限元分析研究l ， 还对驾驶员与安全带构造了碰撞模拟模型。吉林工业大学的姜萍和西安公路学院的葛闻 雷分别在其硕士学位论文中对汽车碰撞事故的定量分析与仿真技术进行了初步探讨。由 于当时实验条件和计算条件的限制，仅进行了较为简单的模拟计算和小比例模型碰撞试 验，但从中得到不少有意义的经验与结论。吉林工业大学与长春汽车研究所合作于1 9 9 7 年在s g i 图形工作站上建立了国内第一个比较完善的整车碰撞分析模拟，并通过可视化 技术得到了车身结构碰撞变形完整过程的模拟结果。清华大学汽车研究所的刘学率等人 开发出关于汽车碰撞交通事故分析的计算机模拟软件t a r 。t a r 的原理是根据车辆动 力学模型进行碰撞后过程的分析。 长安大学主要进行车辆碰撞运动力学模型，人员碰撞柔性多体动力学模型、模拟实 现技术、事故过程再现动画技术研究。上海交通大学以上海超级计算中心交通大学分中 心和上海交通大学高性能计算中心为依托，基于国外的有限元分析软件，对交通事故再 现进行了研究【2 】。太原理工大学的孙姣姣，马宏伟等人例，提出了基于变形能的汽车碰 撞分析新模型，以动量守恒为基础，根据恢复系数与碰撞过程中的能量损失，建立补充 方程来进行碰撞过程的分析计算。 大连理工大学动力工程系的刘学术、于长吉、孙宏图等人，采用有限元软件a 璐y s 的前处理部分建立模型【4 】【5 1 ，采用以显式为主，隐式为辅的通用非线性动力分析有限元 程序l s d 呵a 3 d ，求解二维、三维非线性结构的汽车高速碰撞变形问题。以此为基础 编制了“交通事故分析专家系统”。大连理工大学对汽车碰撞的研究主要通过计算机模拟 碰撞过程，通过分析数据来找出不同类型汽车在碰撞中的内在规律性，并希望将这一规 律应用于交通事故分析中，为交通事故分析提供可靠的理论依据，使我国交警对交通事 故的分析达到准确无误的的地步。 江苏理工大学汽车与交通工程学院的龚友等人，应用动态非线性有限元法对小型客 车在正面碰撞过程中的大变形过程进行了计算机模拟，并医用a n s y s l s - d y n a 3 d 软 件，通过计算机模拟，预测了某小型客车在正面碰撞过程中的变形位置和变形形式。 总体来说，国外的事故再现软件的研究已经相当成熟，对碰撞事故的分析包括刹车 印迹，车辆损害变形程度，道路设施，人的受伤程度，行人碰撞抛射模型，车辆零件抛 射模型等方面。而我国在这方面的研究尚处于起步阶段，碰撞试验研究和计算机模拟碰 撞研究的基础都很薄弱，且主要借助于国外的有限元分析软件进行研究。 1 2 2 国内外变形技术研究现状 计算机模拟变形技术的研究日新月异，主要有基于几何模型的变形如自由变形模 型；基于物理模型的变形，如有限元模型和弹簧质点模型。 1 9 8 4 年，b a 玎首先提出了整体和局部的非自由变形算法。在这种方法中，变形可以 表示为作用于物体顶点或控制顶点的变换矩阵，而变换矩阵是空间位置函数。可以实现 拉伸，弯曲，扭转等简单的变形。后来，s e d e 慨玛和p 哪提出一种自由变形算法，即 ( f r e ef o md e f l o m l a ：t i o n ，f f d ) 。f f d 算法被比喻为雕塑家的手，相当于每实施一次动 作就把物体雕塑一遍，随着算法的逐次实施，最终把物体变形称为所希望的形状。这种 2 第一章绪论 方法很灵活；可应用到汽车变形上，如啊a 9 0 蒯g 嘴s 州等人开发了基于f f d 自由变形 算法的汽车碰撞变形仿真系统d 4 m d ，但是控制点非常多，调整顶点的工作非常繁琐。 国内研究变形算法f f d 模型多运用于人体变形r 7 1 ，人脸表情模拟等方面。 t e 脚p o l o s 在1 9 8 7 年s i g 蓼印h 会议上提出了将弹性理论应用到计算机图形动画上， 开创了基于物理模型的图形发展方向。通过将连续介质力学的分析方法应用到物体变形 中，使用弹性力学理论将柔性物体运动表示成时间的函数。 有限元分析方法( f i i l i t ee l 锄e n tm o d e l ，f e m ) ，把变形物体分为许多个的有限单 元，并在各个有限单元内实现变形。在应用于汽车变形上，n o 慨r tf r i s c h 和1 如m 硒e r t l 嗍 先运用软件c r 够h e 、e r 对汽车进行有限元建模，然后通过f f d 算法对模型进行变形。 国内上海交通大学金先龙【2 】等人用有限元分析方法提出了基于车身关键点三维变形的事 故再现方法。有限元算法的计算量非常之大，难以做到实时仿真。 弹簧质点模型( m 嬲s s p r i n gs y s t e m ，m s s ) 最早由p l a 位和b a d l e r 提出，是一种经 典的物理变形模型，把整个变形体的物理特性离散到各个节点和连接节点的弹簧上，在 每个质点上建立运动方程，从而实现物体变形的模拟。弹簧质点模型在国内外研究应用 上都相当广泛，包括衣物变形【9 l ，布料仿真i l o j ，外科手术仿真等等。弹簧质点模型既可 用于静态分析也可用于动态分析，在汽车变形模拟的研究上有很大空间。 总体来说，国外在计算机模拟变形技术对汽车碰撞事故方面的应用，已经有很多的 研究，达到了较高的水平，而国内对变形技术的研究不少，但鲜有应用于汽车碰撞事故。 1 3 论文研究内容 本文研究的基于车身变形的碰撞事故再现系统，论文每一章的研究内容具体如下： 第一章是首先是论文研究的目的和意义，提出研究汽车碰撞事故再现的重要性，和 车身变形分析对事故再现仿真的必要性。然后对事故分析方法做了简要介绍，提出本文 基于变形能量的分析方法。对国内外碰撞变形的研究现状，分为再现软件的研究现状和 变形技术的研究现状。 第二章是变形量的摄影测量方法研究，首先提出一些与摄影测量相关的基本理论， 然后研究了变形量的测量方法：将变形物体变形前和变形后的轮廓进行三维空间模拟， 分析比较，得出特征点变形量。本文做了一个铁盒碰撞变形的试验，研究了对它的变形 量进行摄影测量的整个过程。 第三章是车辆碰撞变形事故分析，分析碰撞过程中最重要的直接碰撞过程，根据不 同碰撞速度和变形恢复过程，从弹性碰撞模型，塑性碰撞模型和弹塑性碰撞模型入手对 车辆进行动力学分析，得出我们分析的碰撞速度为2 0 蛔l l 8 0 k n l l l 范围内的事故为弹塑 性碰撞。根据车身变形的测量c r a s h 准则，在事故现场采集到车辆变形数据，从基于 变形碰撞力和变形能量两种方法分析变形量与碰撞速度的关系。 第四章是对变形仿真技术研究，首先列出几种基于几何模型和基于物理模型的变形 算法：自由变形算法，有限元算法和弹簧质点算法在汽车碰撞变形仿真上的应用。本文 采用弹簧质点算法对汽车进行建模，对模型进行碰撞事故的受力分析，根据经典龙格库 塔方法计算得出质点受碰撞力后的位置，从而得出变形后的模型。 第五章是基于车辆碰撞事故变形的道路交通事故再现系统，对它的框架结构以及各 个功能模块的详解。重点对弹簧质点模型的建模和变形算法做了介绍。 第六章是对一个碰撞变形事故的实例进行分析，首先建立事故现场的虚拟场景和汽 车弹簧质点模型；通过现场拍摄的车身变形照片和同型号车的未变形照片，利用摄影测 量的方法得出特征点的变形量；然后根据变形能量分析方法，得出碰撞前速度；把碰撞 3 东南大学硕士学位论文 速度代入模拟的事故现场中，观察汽车弹簧指点模型的变形结果，对比实际变形分析误 差。 第七章是总结与展望。 4 第二章变形量的摄影测量方法研究 2 1 引言 第二章变形量的摄影测量方法研究 汽车碰撞事故再现，一般可以按照下面的流程进行：事故现场信息的采集，事故分 析和事故再现，如图所示。 图2 - l 事故再现步骤 可见，交通事故发生后，事故现场往往隐含着与事故相关的重要信息，要分析事故 发生的过程，首先要进行现场的信息采集。因为本文研究的是基于车身变形量的事故再 现，所以本章重点介绍的是事故现场变形量的摄影测量方法。 2 2 碰撞变形事故信息的采集方法 2 2 1 碰撞事故信息采集 在交通事故再现分析中，碰撞速度的计算是关键。轮胎印迹，路面的散落物，车身 的变形量等事故现场的信息都是判断速度的重要证据。目前，对于事故分析，根据各种 不同的现场数据有很多种研究方法。 1 ) 、轮胎印迹 轮胎的刹车印迹一直是事故勘测和事故过程再现分析的很重要的传统研究方向i l 。 传统的事故现场勘测方法主要是通过对轮胎刹车痕迹的定位测量，然后手工绘制事故草 绘图，从而进行事故的分析，这是一种很直接的方式。 刹车印迹的重要信息有两点：印迹的长度和相对角度。通常来说，从路面轮胎印迹 可以大致确定碰撞发生的起始位置，车辆的最终停止位置和方向也可以得到；如果轮胎 制动的痕迹明显，甚至还可以确定车辆在碰撞后过程中的车辆的中间位置。由这些参数， 通过车辆动力学模型可以进行事故分析，进而模拟再现事故现场。 2 ) 、散落物 目前，越来越多的车辆装备了电子稳定程序( e s p ) 主动安全系统，能防止车轮在 制动时抱死( a b s ) ，在启动时打滑( t c s ) ，能有效降低车辆侧滑危险，从而降低事故 的发生概率。但这样一来，事故车辆的轮胎印迹也越来越难以识别。加之考虑到雨雪等 天气时，路面上难以留下清晰的制动痕迹，所以传统的根据轮胎印迹分析方法就不能充 分发挥作用。 交通事故散落物是指遗留在事故现场，由事故车辆碰撞后抛撒出来的物品或物质， 基于散落物的事故分析也是一个行之有效的方法【l 引。例如：汽车脱落的零部件、玻璃碎 片、车辆装载物、人体携带物品、行人、被撞自行车等。搜集事故散落物的数据，建立 抛距模型，用来判断肇事车辆的碰撞方向、车身被撞击部位和碰撞速度等。各种散落物 中，最重要的是玻璃碎片，国内外许多专家对散落物分布场的研究主要集中在挡风玻璃、 车窗玻璃或车灯玻璃碎片的抛距与车速的关系i l 引。 s 东南大学硕士学位论文 3 ) 、车身变形量 汽车碰撞事故现场十分复杂，由于天气原因或者人为破坏等原因，很有可能在相关 人员赶到现场采集证据之前，现场已经被破坏：汽车轮胎的刹车印迹看不清楚；散落物 的现场已经被破坏或被清理掉等。这个时候，采用第一种和第二种方法都难以奏效，想 要进行事故的准确再现出现了很大的难度。 汽车碰撞后的车身变形作为事故现场另一重要的遗留信息此时显得尤为关键，因为 碰撞产生的变形是客观存在的，天气或人为的原因都不易将其破坏。根据车身变形，分 析碰撞过程中产生的变形能，根据变形能量分析方法得到碰撞前速度。所以根据车身变 形量分析进行事故分析，是一种更为科学和有效的手段，国内外现在都开展了这个方面 的研究【1 4 j ，并已经取得一定的成效。 2 2 2 变形量的测量方法 在基于车身变形的汽车碰撞事故分析中，变形量的测量是分析碰撞变形能的基础， 测量的精确度直接影响变形仿真的效果。 我国目前的交通事故现场勘查还主要依据传统的手工测量方法，通常采用两把直尺 形成9 0 0 夹角进行估算。对于轮廓十分复杂的车身变形而言，手工皮尺测量数据精准度 很低，不利于变形事故的分析与仿真。而且这样详细的记录现场信息的过程十分耗时， 不能满足事故发生后快速恢复交通的需要。 随着数码相机的发展，数字化图像的精度不断的在提高，数字图像处理技术也在不 断发展，这些使利用摄影图像对交通事故进行定量分析成为可能i l 副1 1 6 j 。而且，采取摄影 的方法记录事故现场的场景及具体细节，记录方式非常便捷，方便交警尽早恢复交通。 汽车车身变形的摄影测量步骤为：对事故涉及变形车辆及与其型号相同未变形车辆 进行摄影测量，建立事故车辆变形部位外轮廓以及与其型号相同未变形车辆外轮廓的三 维数值模型，分析比较模拟的变形数据和未变形数据模型，求出特征点的变形量。 本章通过对摄影测量基本理论方法进行研究，将其应用于变形量测量上，通过实物 的碰撞变形试验验证了该方法的有效性。 2 3 摄影测量技术概述 2 3 1 摄影测量概述 摄影测量是基于人眼视觉原理将影像的灰度信号通过耦合装置c c d 转换为数字信 号，然后应用图像处理、模式识别、人工智能和计算机视觉等方法获取研究对象资料的 一门技术。摄影测量学经历过三个发展阶段：模拟摄影测量、解析摄影测量和现在的数 字摄影测量，摄影测量技术的升级是伴随着相机和计算机的发展而来的。 摄影测量的基本工作原理是：通过相机拍摄实物的图片，依据图片做摄影测量，进 行三维重构，如图所示。 6 第二章变形量的摄影测量方法研究 2 3 2 相机成像模型 叶相机 j 二截影测量法+ 图2 - 2 摄影测量的基本工作原理 相机成像模型是光学成像几何关系的简化，即三维空间中的物体到像平面的投影关 系。理想的投影成像模型是中心投影，也称为线性模型或针孔模型。针孔模型假设物体 表面的反射光都经过一个小孔而投影在像平面上，即满足光的直线传播条件，此时物点、 光心以及像点之间的几何关系为共线。示意图如下： 图2 3 针孔成像模型 f 表示焦距，u 表示物距，中心点为光心。物面处箭头代表空间中的物体，像面处 箭头代表物体所成的像，这个像是倒像。 实际的相机成像系统都是由透镜组成，透镜成像的原理图如下所示，其中f 为透镜 焦距，u 为物距，v 为像距。 l 图2 4 透镜成像示意图 透镜焦距、物距和像距三者满足高斯成像公式： 7 东南大学硕士学位论文 l1l 一= 一+ 一 f 诅v ( 2 1 ) 在针孔成像中焦距等于像距，而在透镜成像中并非如此，但是可以证明两者的成像 关系都是：像点是物点和光心的连线与成像平面的交点。因此可以用针孔模型作为相机 的成像模型。 2 3 3 摄影测量的坐标系 基于摄影测量的变形量分析，是根据变形现场照片开展的。摄影测量实际上就是找 出汽车变形照片坐标和实际空间坐标的几何关系，根据现场照片计算出实际变形特征点 的坐标，然后进行三维重构。要定量的描述变形的实际情况，首先要了解近景摄影测量 常用的三个不同层次的坐标系统：世界坐标系、相机坐标系和图像坐标系，定义如下： 1 ) 、世界坐标系 世界坐标( x w ，y w ，z w ) 是用户定义的三维参考坐标系，用于描述相机和物体的 位置。世界坐标系可以将坐标原点定义在任何位置，满足右手法则。 2 ) 、相机坐标系 相机坐标系( x c ，y c ，z c ) 坐标系原点o 为相机的光心，满足右手法则；z c 轴与 光轴重合，与成像面垂直，摄影的方向为坐标轴正向；成像面坐标系也就是图像坐标系 平面，与x c 和y c 轴组成的平面平行，如下图所示。 图2 5 相机坐标系 2 ) 、图像坐标系 图像坐标系分为两种，一种是物理坐标系，如上面所说的成像面的x y 坐标系，以 长度来衡量。另一种以像素来衡量，本文用u - v 来表示。这两种坐标系的转换关系如下 图所示。 i v j ( 0 ，o ) 一 ( u 0 ，v o )o 一 一 图2 6 图像坐标系 8 x u 第二章变形量的摄影测量方法研究 图中，o 点的u - v 坐标是( u o ，、，o ) ，是坐标系平面与相机光轴z c 的交点，该点 也是x y 坐标系的原点。 2 3 4 坐标系间的转换关系 导【1 7 1 。 i = 1 # ，军 = q 2 ， ：2 曩：量 ( 2 3 ) b = m 压 r 叫 用齐次坐标和矩阵形式表示上述透视投影关系： z c = 詈；三 觑 您 z a 1 i 托 = ml 。lz ，c ( 2 4 ) 2 ) 、世界坐标系与相机坐标系的关系 世界坐标系与相机坐标系可以由旋转变换矩阵r 和平移变换矩阵t 来描述。任意世 界坐标都可以变换成相机坐标： 勋 殆 z 0 l = m 3 j ，w m 加 1 = 言 叉w m 加 1 ( 2 5 ) 式中，f = ，纱，忽) r 表示世界坐标系中的原点在相机坐标系中的坐标，旋转矩阵r 可用三个欧拉角来表示，r 可表示成： 9 东南大学硕士学位论文 l0 0 s 炉晒口髑沁缅矿血岬伊懿删n 觚缈血脚缈l 尺= i 西n 驴，i s 秒如 洫秒如伊+ o 陷弘假嚣伊如妒如负璐9 一s 缈茹矽i ( 2 6 ) l 如口 螂p 如锻触缈j 可见，槐，纱，纪和y ，p ，缈六个变量，决定了相机坐标系在世界坐标系中的空间位置和 方向，这六个变量也称为相机的外方位参数。 4 ) 、像素坐标系与世界坐标系的关系 根据前面的推导，可以得到像素坐标系和世界坐标系之间的坐标变换关系如下： 乃卜蚴 融 勋 加 1 = 融删帅 ：n 冲 = l o 厂咖 ，0 o i 1 二 illu i oolo i r = 喜吾军 t r 丁， = io v oi 【r 丁】 io o li = 彳尺丁1 lj x w m z w 1 = m 叉和 m 加 l 拗 k ， 加 1 ( 2 7 ) 其中口= 厂出，夕= 厂咖，分别代表以像素为单位表示的x 轴与y 轴方向的等效 焦距。上式中，甜0 ，们，口与这四个参数只依赖于相机的内部结构，跟相机的空间 位置无关，称这四个参数为相机的内方参数。内方参数和外方参数通过相机的标定来确 定。 2 4 变形量测量 我们对某种车辆变形进行测量时，首先要找到一辆和该事故车辆同型号的正常车 辆，对其对应的正常车辆进行三维建模。同时对相机的内外参数进行标定。标定完成后， 利用对碰撞事故中变形车辆拍摄的照片对被测量的特征点进行解算，以此测量标记点的 三维坐标。通过和未损坏车辆的三维坐标进行比较，计算出碰撞变形特征点的位移偏移 量，从而得到该事故车辆的变形量。 本章利用测量一个长方形铁盒变形特征点的试验，验证了摄影测量方法在变形量测 1 0 撕斯加。 斯m加。 第二章变形量的摄影测量方法研究 量中的应用。 2 4 1 车身变形的测量准则 通常汽车变形的测量是通过测量变形汽车和未变形车辆的对应点，然后相减而得。 由于实际上变形量的测量是比较复杂的，所以对汽车车身外形上相关参数数据进行采集 必须有一些标准。美国汽车工业协会( s a e ) 提出了汽车变形的测量准则c d c ( c o l l i s i o n d e f 0 n i 】嘶c o d e ) 【1 引。c d c 采用7 个数字来描述车身变形，如图所示。 l2 3 456 7 ( 七个特征值) 图2 7 汽车变形的c d c 测量准则 c d c 准则比较规范的描述了汽车的变形，但是它的局限性在于它只描述了一个均 匀统一的变形，也就是数字7 表示的汽车变形量( e x n n t ) 。我们知道，汽车变形的 轮廓一般都很复杂，所以要得到更精确的变形测量值，需要对c d c 准则的这个部分加 以修正。 c r a s h 准则【1 9 】的提出就是针对这个问题，根据需要在汽车剖面的变形轮廓上均匀 的测量6 个点，分别记为c l ，c 2 ，c 2 ，c 4 ，c 5 ，c 6 ，这就相当于使用5 个变形区域来 近似变形轮廓，变形宽度为b ，偏置值设为d ，如图所示。由于采用了多处来近似变形 轮廓，相对于c d c 准则而言，更接近于实际。本文研究的就是按照c r a s h 准则来测 量汽车变形。 图2 8 汽车碰撞剖面图 通过均匀地在变形车测量的六个点的位置，与未变形车上相应六个点位置相比较， 就可以得到变形量。这里做的是二维的分析，假设汽车是矩形的，汽车碰撞部位的变形 量不随高度变化而变化，这其实是不真实的。于是，选择在汽车多高的地方测量变形就 显得很重要。通常会选取汽车车架附近的高度来进行测量。对于前碰和追尾，可以选择 保险杠的高度，对于侧碰，可以选择车门底框的高度。可见，这个过程是把汽车不同部 件的对变形的影响作了“平均”。在实际情况中，同一高度上肯定存在有强硬部件和脆弱 部件，所以这种平均把实际问题进行了简化，便于量化计算。 东南大学硕士学位论文 2 4 2 变形特征点的解算 要测量碰撞变形量，首先需要在事故现场摆好标定物，然后通过相机对交通事故现 场进行至少两张照片一组的拍摄。数码照片导入计算机后，利用图像识别软件把照片中 的所需要测量的点识别出来，得到像点在图像坐标系内的坐标，然后将像点坐标转换为 世界坐标系中的坐标。 本文采用直线线形变换( d l l - d i r e c tl i n e 盯t r 龃s f o m a t i o n ) 算法【2 0 】建立像素坐标和 世界坐标的几何变换关系式，这种方法非常适用于非量测用相机进行摄影测量。在近景 摄影测量中，一般可以直接在图像处理软件中获取像点的坐标。直接线形变换解法实质 上是一种后方交会前方交会解法。后方交会用于解算直接线性变换系数，前方交会用 于解算世界空间坐标。 根据一系列公式变换( 2 7 ) ，可以推导公式： 伽m 加lo ooo 吨跏椭剐卅| 伪 m lo oo o 渐m 加l 椭椭矧2 h 8 ) 上式中的l 0 到l 1 0 是方程简化后的数据，并且只与甜0 ，1 ，o ，口与这四个内方 位参数和纹，秒，i z ，缈，矽和伊六个外方位参数有关。通过带入经过图像识别之后的 平面标靶网格的焦点中至少六个点的u 、v 坐标，再找出至少1 2 个以标定物为坐标轴的 物方坐标信息，列出方程组，然后利用最小二乘法可以求解l o 到l 1 0 的值。公式( 2 6 ) 进一步变化可得： 瞄二篡篇列驰司 ， 根据上式可以看出，方程组有x w ，y w 和z w 三个未知数，所以只需要把两张照片 上统一点的u 、v 坐标代入，就可以算出该点在以标定物为坐标轴的物方坐标系中的坐 标值。 2 4 3 变形测量试验 为了验证摄影测量的算法，本文做了一个试验： 试验设备包括标定板，c a n o n 单反数码相机一台，相机像素为5 0 0 万。试验地点 为室内，光线效果良好。试验品是一个铁皮盒，大小为：1 1 c 聊l l 册1 8 c 朋。为了便于 度量，我们在铁盒的变形平面用记号笔画1 l 1 8 的网格。标定物为平面标靶标定板。首 先对未变形的铁盒拍摄多张照片，以备之后建立测量基准模型的需要。然后对它的中心 部位模拟一个碰撞冲量，使之变形，如图所示。试验的目的是测量变形量。 第二章变形量的摄影测量方法研究 图2 - 9 ( a ) 未变形铁盒( b ) 变形后铁盒 在不同角度拍摄两张变形后照片，把照片导入摄影测量软件中，标定铁盒上变形轮 廓上的六个点，得到照片上特征点的像素坐标。然后根据直接线性变换算法( d l t ) 解 算这些点的相对世界坐标系上的三维坐标。根据建立未变形铁盒的三维模型作为测量基 准，如图( a ) ，然后根据测量所得结果建立变形铁盒的三维模型，如图( b ) 。 图2 1 0 ( a ) 未变形铁盒三维模型( b ) 变形铁盒三维模型 试验需要测量的六个特征点的变形量实际上在一个平面上，于是将两个三维模型进 行对比，得到特定的c 1 ，c 2 ，c 3 ，c 4 ，c 5 ，c 6 六个点的偏移量，即为变形值。测得 六个点的变形量如下： 表2 1 变形量的摄影测量结果 待测点 c lc 2c 3 c 4c 5c 6 i 变形量( c m ) 0 0 4 80 5 4 20 9 6 20 7 9 70 4 7 6 o 0 6 9 2 5 本章小结 本章首先介绍了事故现场信息的采集，根据采集的信息不同可以采用不同的事故分 析方法，特别提出了根据变形量数据进行事故分析的重要性。然后提出用数字摄影测量 的方法测量车身变形量。介绍了摄影测量的一些基本原理和空间坐标