幀間差分法車(chē)速測(cè)算技術(shù)誤差分析與處理

何烈云

(浙江警察學(xué)院治安系，浙江杭州 310053)

0 引言

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)以及圖像處理、傳輸技術(shù)的飛速發(fā)展，視頻監(jiān)控技術(shù)在公安交通管理方面越來(lái)越發(fā)揮著重要作用。視頻監(jiān)控能夠非常直觀再現(xiàn)交通事故發(fā)生過(guò)程，反映出事故車(chē)輛速度大小和變化，已成為當(dāng)前交通事故中車(chē)輛速度鑒定的重要技術(shù)手段。視頻車(chē)輛速度測(cè)算技術(shù)按原理可分為幀間差分法、背景差分法、光流法。背景差分法主要適用于攝像頭處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的目標(biāo)車(chē)輛速度的測(cè)算，此方法應(yīng)用領(lǐng)域不多;光流法相當(dāng)復(fù)雜，鑒定者需要具備一定的數(shù)字圖像處理技術(shù)。幀間差分法則適用于背景和攝像頭靜止、被研究對(duì)象處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的目標(biāo)車(chē)輛速度的測(cè)算，其原理簡(jiǎn)單、操作方便，在交通事故車(chē)輛速度鑒定中應(yīng)用最為廣泛。目前，關(guān)于幀間差分法在視頻監(jiān)控車(chē)速測(cè)算誤差研究相對(duì)較少，筆者主要以幾何光學(xué)成像原理為基礎(chǔ)，提出了減少視頻車(chē)速測(cè)速的基本方法，并結(jié)合工作實(shí)際運(yùn)用計(jì)算機(jī)視頻處理技術(shù)提出了虛擬參照物法，方便視頻車(chē)速測(cè)算過(guò)程中參照物的選取，提高測(cè)算的精確度。

1 幀間差分法車(chē)速測(cè)算技術(shù)基本原理

1.1 目標(biāo)車(chē)輛行駛距離測(cè)量

要測(cè)量車(chē)輛行駛的空間距離L，需要找到相應(yīng)的參照物，最常用的參照物選取有以下兩種方法。

(1)雙參照物法:觀測(cè)目標(biāo)車(chē)輛車(chē)身上某一具有一定特征且便于觀察點(diǎn)(下稱基準(zhǔn)點(diǎn))通過(guò)監(jiān)控錄像中某兩個(gè)參照物A、B，如圖1所示。實(shí)地測(cè)量出現(xiàn)兩個(gè)參照物間隔距離L1。在實(shí)踐中，通常是選取路邊的樹(shù)木、燈柱、交通標(biāo)志牌或路面上的特征點(diǎn)(線)等作為參照物。

圖1 雙參照物法示意圖

單參照物法:當(dāng)畫(huà)面中未出現(xiàn)可供選取的連續(xù) 多個(gè)參照物，或未能觀測(cè)到目標(biāo)車(chē)輛基準(zhǔn)點(diǎn)與參照物重合的畫(huà)面時(shí)，可以視情況選用以下方法:觀測(cè)被鑒定車(chē)輛車(chē)身上某兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)通過(guò)空間某個(gè)參照物，測(cè)量車(chē)身上兩個(gè)特征點(diǎn)的距離L2。如圖2所示，以路旁物體C選為參照物，另選取車(chē)頭和車(chē)尾作為兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，此時(shí)車(chē)身的長(zhǎng)度就是目標(biāo)車(chē)輛行駛距離。

圖2 單參照物法示意圖

1.2 目標(biāo)車(chē)輛行駛時(shí)間

時(shí)間t一般是通過(guò)被測(cè)視頻中查算幀數(shù)(幀差)直接得到的，如某一視頻監(jiān)控畫(huà)面播放的幀速率為n幀/s，則單位幀時(shí)間為n－1秒。目前視頻監(jiān)控幀速率大多為25幀/s，即單幀時(shí)間為1/25=0.04 s。

2 幀間差分法車(chē)輛速度測(cè)算技術(shù)誤差分析

實(shí)踐表明，視頻監(jiān)控技術(shù)測(cè)算目標(biāo)車(chē)輛速度時(shí)，只要視頻畫(huà)面不存在丟幀現(xiàn)象，測(cè)出車(chē)輛行駛時(shí)間相對(duì)簡(jiǎn)單且準(zhǔn)確度較高，但是要在視頻中精確測(cè)出目標(biāo)車(chē)輛行駛距離難度較大，從而造成視頻監(jiān)控車(chē)速測(cè)算結(jié)果存在一定的誤差甚至與實(shí)際車(chē)速相差較大。從幾何光學(xué)角度分析，產(chǎn)生目標(biāo)車(chē)輛測(cè)量距離的誤差，主要有下述三個(gè)原因。

2.1 拍攝視角變化引起的測(cè)算誤差

設(shè)圖3中小車(chē)為待測(cè)目標(biāo)車(chē)輛，以C、D兩點(diǎn)(在透視光學(xué)中稱為滅點(diǎn))的燈柱為參照物，選擇目標(biāo)車(chē)輛的前保險(xiǎn)杠作為基準(zhǔn)點(diǎn)。視頻畫(huà)面中目標(biāo)車(chē)輛是從D點(diǎn)到C點(diǎn)過(guò)程中，實(shí)際上目標(biāo)車(chē)輛是從E點(diǎn)到F點(diǎn)。實(shí)際行駛距離為EF線段的長(zhǎng)度，而通過(guò)監(jiān)控視頻觀測(cè)到目標(biāo)車(chē)輛行駛距離為線段DC的長(zhǎng)度，顯然EF≠DC，兩者之間的差值直接影響目標(biāo)車(chē)速測(cè)算結(jié)果的精度。由圖3可知，ΔL與目標(biāo)車(chē)輛、參照物和監(jiān)控視頻三者之間空間位置關(guān)系有關(guān)。

圖3 拍攝視角變化引起的測(cè)算誤差

由于拍攝角引起的相對(duì)誤差ε可以通過(guò)以下方法進(jìn)行計(jì)算:

在實(shí)踐中，可以通過(guò)相對(duì)誤差ε值對(duì)測(cè)算結(jié)果進(jìn)行修正，為了知道相對(duì)誤差ε大小，需要測(cè)算出DC和EF長(zhǎng)度，DC可以在現(xiàn)場(chǎng)道路直接測(cè)量得到，而EF是無(wú)法在監(jiān)控視頻中精確測(cè)出，只能通過(guò)幾何關(guān)系進(jìn)行計(jì)算得到，利用余弦定理求得:

上面幾個(gè)式子中，AB——監(jiān)控?cái)z像頭離地面高度;AC、AD——監(jiān)控?cái)z像頭到C點(diǎn)和D點(diǎn)的直線距離;BG——目標(biāo)車(chē)輛基準(zhǔn)點(diǎn)離地面高度;DC——是兩參照物之間的距離，以上數(shù)據(jù)均可直接在現(xiàn)場(chǎng)得到，從而可以求出相對(duì)誤差ε的大小。

2.2 鏡頭焦距變化引起的測(cè)算誤差

監(jiān)控視頻是光學(xué)中的透鏡成像原理，透鏡成像過(guò)程中像距、物距和焦距三者之間滿足以下關(guān)系。

圖4 鏡頭焦距變化引起的測(cè)算誤差

式中:U為物距，V為像距，f為焦距。

監(jiān)控視頻像距是固定值，為了能夠成清晰的畫(huà)面，監(jiān)控視頻主要是通過(guò)自動(dòng)變焦功能實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)透鏡成像原理可知，當(dāng)目標(biāo)車(chē)輛遠(yuǎn)離監(jiān)控視頻時(shí)，監(jiān)控視頻焦距f也相應(yīng)增大，目標(biāo)車(chē)輛的放大倍數(shù)變小，在畫(huà)面中呈現(xiàn)出目標(biāo)車(chē)輛近大遠(yuǎn)小的效果。這一現(xiàn)象造成目標(biāo)車(chē)輛在行駛過(guò)程中，當(dāng)遠(yuǎn)離攝像頭時(shí)畫(huà)面中目標(biāo)車(chē)輛像位置變化不明顯，這給測(cè)距帶來(lái)較大不便，許多時(shí)候只能通過(guò)估算得到，這必將給監(jiān)控視頻測(cè)速帶來(lái)誤差。

2.3 車(chē)輛基準(zhǔn)點(diǎn)與參照物不重合引起的誤差

在實(shí)際的操作過(guò)程中，不管是雙參照物法還是單參照物法在確定車(chē)輛行駛距離時(shí)，往往難得到監(jiān)控?cái)z像頭、車(chē)輛基準(zhǔn)點(diǎn)和參照物三者完全重合的幀畫(huà)面，即在圖3中很難保證 A、F、C或 A、E、D三點(diǎn)共線。目標(biāo)車(chē)輛基準(zhǔn)點(diǎn)超前或滯后于參照物，車(chē)輛行駛時(shí)間不一定恰是單位幀時(shí)間的整數(shù)倍，這時(shí)需要觀察者進(jìn)行估算，造成目標(biāo)車(chē)輛行駛速度測(cè)算結(jié)果存在誤差。

3 幀間差分法車(chē)速測(cè)算技術(shù)誤差處理

通過(guò)分析幀間差分法監(jiān)控視頻測(cè)速技術(shù)誤差產(chǎn)生原因可知，為了提高目標(biāo)車(chē)輛測(cè)算結(jié)果的精度，主要是提高行駛距離測(cè)量的精度，在實(shí)踐中可以采取以下措施減少誤差。

3.1 運(yùn)用單參照物法測(cè)出目標(biāo)車(chē)輛行駛距離

圖5中運(yùn)用單參照物法測(cè)量車(chē)輛行駛距離，以目標(biāo)車(chē)輛車(chē)頭A點(diǎn)和車(chē)尾B點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，從圖中可以看出由于不存在拍攝角度差的因素，車(chē)輛實(shí)際行駛距離和車(chē)身長(zhǎng)度AB是相同的，這時(shí)測(cè)出的行駛距離相對(duì)精度較高。

3.2 選擇與目標(biāo)車(chē)輛接近的參照物

3.3 選擇目標(biāo)車(chē)輛近距離畫(huà)面分析測(cè)算

為了便于觀測(cè)目標(biāo)車(chē)輛位置的改變情況，盡量選取車(chē)輛行駛至監(jiān)控視頻攝像頭附近的畫(huà)面分析，由于這時(shí)畫(huà)面中的目標(biāo)在車(chē)輛行駛過(guò)程中，單位時(shí)間間隔內(nèi)位置變化明顯，便于觀察分析和提高測(cè)算的精度。

3.4 采用虛擬參照物法

圖5 單參照物法示意圖

在視頻監(jiān)控車(chē)輛速度鑒定技術(shù)中，因畫(huà)面中沒(méi)有合適的參照物而造成測(cè)量車(chē)輛行駛距離不方便。為了解決這一問(wèn)題，可以通過(guò)專門(mén)的視頻處理編輯軟件直接在畫(huà)面中增加虛擬參照物，圖6中兩根與地面垂直黃色標(biāo)線就是添加的虛擬參照物。這樣就非常方便地給車(chē)輛進(jìn)行定位，而且標(biāo)線位置是可以人為設(shè)定的，可以減少因目標(biāo)車(chē)輛基準(zhǔn)點(diǎn)與參照物無(wú)法重合而產(chǎn)生的行駛距離測(cè)量誤差。而且可通過(guò)在畫(huà)面中增加虛擬參照物的間隔密度，精細(xì)判斷目標(biāo)車(chē)輛速度變化及進(jìn)一步計(jì)算制動(dòng)過(guò)程中的加速度大小。

圖6 虛擬參照物法示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

幀間差分法在監(jiān)控視頻車(chē)速測(cè)算過(guò)程，可以通過(guò)優(yōu)化參照物的選擇，并根據(jù)對(duì)誤差形成原因，對(duì)測(cè)算結(jié)果進(jìn)行修正，從而提高目標(biāo)車(chē)輛速度測(cè)算結(jié)果的精確度，對(duì)交通事故車(chē)輛速度的鑒定及事故責(zé)任的認(rèn)定有著重要的意義。

［1］ 宋濤，莊雷，劉剛，等.基于視頻的車(chē)輛速度估計(jì)方法［J］.河南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013(1):91.

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