事故調查- 3D掃描光學坐標測量

3D掃描座標量測摘要

光學三維坐標的測量技術被眾所周知已經超過50年。今天,現代攝影測量系統是以用手持數碼相機來識別物體表面的任何圓形標誌的位置或特徵為基礎的。簡單和準確的自動推導2D數字圖片的3D坐標有助於建立一個強有力的工具用來進行位置控制,裝配檢查和逆向工程。

實際車輛事故的分析為一個新的應用。受損車輛上的數以百計的位置標記可以很容易地確定車身的位置。這些坐標可用來與未變形的幾何比較以及可以提供任何變形的三維資訊。使用逆向工程技術,用3D點創建的事故車輛表面構建3D模型,可以清楚的看出汽車的變形。

引言

福斯汽車公司(Volkswagen)持續進行事故研究。許多事故統計和當地事故調查被用來分析統計獲得知識。目的是改善車輛安全。

事故研究的主要目標是確定事故過程中的變形。總結在事故所有階段中乘客受傷與車輛變形比較關係,這可能優化車輛的安全性。

圖1:福斯汽車(Volkswagen AG)的事故研究

問題描述

為了確定事故車輛的能量吸收,事故過程中有關車輛結構和結構變形的詳細資訊是必需的。出於這個原因,車輛碰撞測試時會測量碰撞之前和之後的預定義的不同的點。通常,坐標測量機被用來執行這個任務。加載的碰撞測試假人和他們接觸的汽車內飾在單一崩潰階段之間的關係可以被估計。

基於點的位置的變化與其他3D測量,碰撞過程中的能量吸收是可以估計的。除了能量以外,這些3D測量也可以提供乘客艙及駕駛者風險的資訊。測量支出隨評估的準確性需求增加而增長。

在標準的碰撞測試中,通常不超過100個計量點測量。整個測量過程是費時的,因為僅僅是運輸交通事故車輛到評估中心就增加了很多額外的時間。

對於真正的事故,用這種方法確定實際的能量吸收是不可能的,因為事故分析人員缺乏事故發生前精確的資訊。由於成本的關係,通常收購事故車輛是不現實的,因此,分析師必須使用不同的方法來衡量真實的變形,從而判斷事故車輛的能量吸收。

變形的精確測量是利用這些方法的一個重要因素。典型的應用工具如圖2所示。很明顯,預期的準確性是相當低的。此外,實際確定變形的方式並不能幫助提高測量結果。通常,這種能量將來自基於圖片中的損害比較,為了收集更多的資訊,有時甚至需要比較不同代的相同模型。

圖2:傳統測量工具測量事故車輛

為了實現事故研究的目的,僅有這樣一個過程是不夠的。可以確定的是,關於變形能的好的資訊是很重要的,此外,傷害的評價機制還需要一個詳細的描述和變形的測量。

現代設計程式使製造商能夠將CAD數據作為他們的“前”狀態,並讓他們與“撞毀後”的情況比較。

測量系統要求

事故車輛分析的可信度總是取決於測量結果的質量和由測量結果得到的結論的準確性。

統的汽車碰撞分析是在實驗室環境中進行的,事故車輛的變形輪廓使用接觸式坐標測量機確定,這種方法雖然可以提供足夠的精度,但是要耗費大量的時間和硬體。

在實驗室外分析事故車輛,需要有一個測量系統可以替代實驗室內的測量設備。這個系統的要求如下:

-便攜

-靈活

-易用

-大量測量點

光學式三次元坐標測量系統 TRITOP

攝影測量設備TRITOP基於三角測量的原理。

使用手持相機從被測物體獲取多個圖像,知道光元素使用的投影方程,就可以盡可能多的計算目標三維坐標點。

攝影測量的三維

坐標攝影測量的基本知識

使用攝影測量,三維空間點的位置可以通過多條呈三角形分部的射線來確定。如果對象坐標系統中每個包的空間定位已確定,對象3D坐標的連線的交集如圖3所示。

圖3

相機模型

相機模型是用來描述對象的投影到圖像平面的攝像機。這個模型是基於針孔的角度來看設備與針孔鏡頭。

下面的表述中,光波被描述為直線-典型的非連續的計量。

和其在圖像平面B上的投射點以及投影中心在同一條投影線上, 如圖4所示的圖像鏡像平面作了很好的說明。

圖4:中心投影

被測物和圖像坐標系之間的關係可以根據假設的公共射線的用數學模型描述:

相機參數,如投影距離C,原點在圖像坐標系統中的坐標用來描述透鏡扭曲元素被稱為內部參數。投影中心在坐標系統中相機的位置決定的旋轉矩陣R的值,確定外在參數。利用正交旋轉矩陣將全域坐標轉換為相對坐標系。

光束法平差

光束法平差被用來確定未知對象的坐標和檢測裝置另外的參數。為此,在部分重疊的圖像區域,需要從多個不同的方向觀察,而且,所有被測點必需存在於一個觀察角以上。一個被測點至少需要兩個觀測角來創建足夠的方程來推算它位置。

圖像坐標與適當的投影中心定義的投影射線集如圖3所示。

光束法平差的目的是在共線假設的情況下盡可能好的確定未知參數。當觀測角度越來越多時,存在的未知參數和測量過程中的觀測誤差,方程通常不能完全解決,因此需要一個反覆運算過程使這些方程組的的結果逼近真實。

如果檢測設置的所有參數都是未知的,方程系統存在七個額外自由度。它們描述三個平移,三個旋轉和一個比例,這些被稱為額外觀察的自由度必須受到限制。

額外的觀察

要將從模型坐標系計算的點的坐標

轉換到參考坐標系 必需限制額外的觀察

為參考坐標系的定義沒有矛盾,引入以下典型的額外觀察:

平面的定義

參考坐標系中三個點的Z坐標限制。

方向的定義

參考坐標系中兩個點的Y坐標限制

坐標的定義

參考坐標系中一個點的X坐標限制

應這些調整計算的觀察的要求,檢測設置必須從模型坐標系轉換到的額外的觀察定義的參考坐標系統。

如果定義的參考坐標系的位置沒有矛盾,轉換發生如下:

縮放比例

比例可以根據模型坐標系的測量距離S和參考坐標系中預定義的距離S’的關係來定義。

● 三個固定的Z坐標的轉換

● 兩個固定的Y坐標的轉換

● 一個固定的X坐標的轉換

圓形標記

描述在攝像機圖像中的特徵點圖像,因此被稱作參考標記,應用到對象的表面或周圍。

標記的選擇需要考慮以下標準:

● 高精度的定位

● 能被自動識別

● 易於生產和處理

在攝影測量中, 通常使用圓形標記,因為它們滿足這些標準

識別圓形標記

由於參考標記的坐標由光束法平差來確定,在不同圖像中的圓形標記必須被惟一地識別,以確保它們可以彼此相關。

標記是通過一個自動識別的過程來消除耗時的和人為誤差。

環形編碼圓形標記

為了使圓形標記被唯一識別,特殊環形編碼被開發出來了,這種圓形標記旁邊的代碼對應於二進位編碼。

因此, 參考圓形標記的唯一識別性得以實現。

非編碼圓形標記的識別

與非編碼圓形標記相比,編碼標記的缺點是它們的覆蓋面積較大。但是需要基於他們的關係用少量的編碼的參考目標來確定其餘非編碼標記。

參考標記的材質

對於這樣一個攝影測量系統的易用性而言,圓形標記的材料一個重要因素。這是一種典型的反光材料,通過明亮的圓形標記與周邊的黑色形成的對比,這些標記可以被很容易的識別。

對於實際事故研究而言,在黑色等圖片中傳統反光標記存在一些缺陷,疤痕或血液的細節是無法辨認的。

TRITOP攝影測量系統還利用白色平面標記。他們的優勢是,可以很容易地用標準的鐳射列印機產生,此外,圖像本身仍然是可見的。圖像仍然可以用於進一步 的處理,甚至可以使用彩色圖像。使用一些高級的搜索演算法,識別純白色標記和傳統反光標記的時間在相同的層次上,識別精度甚至超過傳統的反光標記。

光學式三次元TRITOP步驟

攝影測量的步驟:

1. 用非編碼點標記測量位置

2. 用一些編碼標記

3. 放置比例尺

4. 拍攝照片

5. 自動處理的所有圖片和自動計算所有標記的3D座標

 

6. 把結果轉換為不同的座標位置。

精度驗證

攝影測量系統適用於任何測量任務,用戶已經可以肯定使用的系統的效率是足夠的。VDI / VDE 2634 Part1的指南介紹了一個在ISO 10360 – 2標準下確定長度測量偏差的標準化的方式。

攝影測量系統檢查和監測是通過測量校準測試樣品執行的,這裡使用的一維長度標準用座標測量機校準。

長度測量偏差必須在完整的測量體積中進行。為此,測試樣品的七種不同的測量線用來評估。沿著這些線路測量,樣品應該被固定。如圖5所示,五個測試長度沿著一條測量線來衡量。最長的測試長度必須沿測量體積的最大長度方向,樣品應定位如圖6所示。

校準和測量的長度之間的偏差由攝影測量設置的長度測量偏差決定和導致。

圖5:測試長度
圖6: 在測定長度測量偏差時建議的試樣定位

事故調查中三維位移的確定

測量

對於事故車輛的測量,測量目標的位置通過未變形的車輛來定義。靶心圖表將被創建用來精確定位目標變形車輛。一輛佈滿被三座標機測量過的目標的車輛將創建成參考設置,車輛座標位置裡的參考點位置都被確定了,這個被用於定位TRITOP軟體測量結果到汽車坐標系。

對於車輛的測量,一些編碼標記將固定在實測車輛上,重要的是,由於它們將用於座標變換,所以這些標記需要仔細固定。

變形區域標注非編碼參考目標,使這些區域供以後分析。額外的編碼的目標固定在車輛周圍的地板上支持攝影測量計算。這些目標評價變形沒有重要性。兩個比例尺被用來設置比例。

圖7:攝影測量事故車輛的準備

下一步是使用數碼相機記錄的車輛,呈一個鐘形繞著車輛進行拍攝。

TRITOP攝影測量軟體裡處理圖像。所有圖像讀入電腦,圖像中的參考標記在三維空間的位置將自動確定。

測量結果的進一步處理和分析

有正確比例的點雲現在位於一個隨機選擇的座標位置,見圖8。為了進一步的處理,該座標位置必須轉化為車輛座標位置。

這種轉換發生使用座標測量機預先定位的參考標記。以下步驟對轉換而言是必要的:首先,必須檢查車上的編碼標記是否變形還是未變形的區域,未變形的區域的標 記的轉換品質與將用四個導致最小偏差的參考標記來評估確定。它們被用於創建一個到相對座標系統的基本轉換。結果是一個精度範圍內的測量資料的定位。要進一 步提高轉換精度,未變形的區域所有編碼的參考標記被用來最小化單一定位偏差的總和。

圖8:隨機坐標系統中的3D點雲

轉換步驟的最終結果是到車輛坐標系的點雲有一個很好的定位,如圖9

圖9:車輛坐標系統中的3D點雲

事故結果的視覺化

攝影測量的三維點被定位有車輛坐標系中,這樣他們就可以與汽車的CAD模型進行比較。簡單的將3D座標導入到CAD檢視器就可快速視覺化碰撞的結果,如圖10。這有助於碰撞分析師估計變形的程度。

圖10:直接比較事故車輛的3D座標與CAD模型。

在第二步中,3D座標可以用來創建一個變形汽車的表面模型。目的是事故車輛的陰影視圖可以更好地視覺化測量結果,見圖11。

圖11:變形車輛基於圖片測量三維點的表面模型

表面資料可以與車輛CAD資料比對,如圖12和13所示。

圖12:CAD資料和變形車輛的表面模型圖13:CAD資料和變形車輛的表面模型

現在有了變形的表面模型可以利用,許多不同的評估事故的方法變得可能。通過表面資料和CAD資料的截面部分可以來查看和衡量某些領域。隨後可以使用這些部分來測定汽車與汽車碰撞的實際碰撞角,還可以應用有限元分析法來評估變形模型的碰撞能量。

總結

現有工具很難用三維測量的方法描述高精度的事故重建,而且,大多數的已知方法非常耗時,相比之下,這裡討論的攝影測量可以在不到兩個小時的時間裡能夠完整的評價一個有5000以上個測量點的事故汽車。

攝影測量方法的一個明顯的優勢是能夠進一步處理拍攝後的車輛。只要需要,測量可以細化和擴展。還可以建立一個事故車輛的資料庫用以進行類似的檢查。

評估由變形引起的測量點的方向,可以確定衝擊力的方向。只有借助攝影測量,這些新的分析方法才是可行的。這個方法對評價現實生活中交通事故是最有益的,這個資訊基礎擴展到進一步提高車輛安全。


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