一種新型的便攜式交通事故現(xiàn)場(chǎng)快速勘查系統(tǒng)

劉文超，王 巖，胡孟夏，李一兵

(公安部道路交通安全研究中心，北京 100062)

一種新型的便攜式交通事故現(xiàn)場(chǎng)快速勘查系統(tǒng)

劉文超，王 巖，胡孟夏，李一兵

(公安部道路交通安全研究中心，北京 100062)

交通事故現(xiàn)場(chǎng)勘查對(duì)特征數(shù)據(jù)采集和重建分析鑒定至關(guān)重要。筆者設(shè)計(jì)構(gòu)建了一套基于雙目立體視覺(jué)原理的便攜式交通事故現(xiàn)場(chǎng)快速勘查系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)普通定焦數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行預(yù)標(biāo)定的方式實(shí)現(xiàn)交通事故現(xiàn)場(chǎng)無(wú)標(biāo)尺勘查取證，現(xiàn)場(chǎng)處理數(shù)據(jù)輸出現(xiàn)場(chǎng)圖，測(cè)量誤差小于1%。系統(tǒng)勘測(cè)數(shù)據(jù)為目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，可直接用于事故現(xiàn)場(chǎng)的三維重建。該系統(tǒng)工作耗時(shí)短，可緩解現(xiàn)場(chǎng)勘查引起的交通擁堵，可實(shí)現(xiàn)補(bǔ)測(cè)、勘誤等二次處理，適用于重特大交通事故現(xiàn)場(chǎng)的勘查取證工作。

無(wú)標(biāo)尺；雙目立體視覺(jué)；參數(shù)標(biāo)定；交通事故現(xiàn)場(chǎng)

一、引 言

道路交通事故關(guān)系到廣大人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，在全世界范圍內(nèi)受到廣泛關(guān)注。交通事故現(xiàn)場(chǎng)勘查作為事故調(diào)查分析的重要組成部分，采集取證第一手的數(shù)據(jù)材料，直接影響事故再現(xiàn)分析與鑒定的精確度和真實(shí)性；另一方面，現(xiàn)場(chǎng)勘查作業(yè)效率決定了現(xiàn)場(chǎng)封鎖時(shí)間，進(jìn)而影響著交通擁堵的可能性和嚴(yán)重程度。

筆者設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一種基于雙目立體視覺(jué)原理的便攜式無(wú)標(biāo)尺交通事故現(xiàn)場(chǎng)快速勘查系統(tǒng)，采用分步預(yù)標(biāo)定雙目普通定焦數(shù)碼相機(jī)內(nèi)外部參數(shù)的方式，無(wú)須對(duì)交通事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行預(yù)處理(擺放標(biāo)志物或標(biāo)定物等)，即可實(shí)現(xiàn)通過(guò)雙目圖像同步采集獲取現(xiàn)場(chǎng)目標(biāo)點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的勘查取證作業(yè)，并通過(guò)配套開(kāi)發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)圖繪制軟件輸出符合國(guó)標(biāo)的交通事故現(xiàn)場(chǎng)圖[1]。

二、需求分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.交通事故現(xiàn)場(chǎng)快速勘查需求特性分析

交通事故現(xiàn)場(chǎng)勘查取證的核心需求是準(zhǔn)確高效、輕便簡(jiǎn)易，要求勘查設(shè)備在有限的時(shí)間內(nèi)全面客觀準(zhǔn)確地采集現(xiàn)場(chǎng)包括人、車、路等事故相關(guān)元素的位置、尺寸、距離等數(shù)據(jù)信息。傳統(tǒng)勘查方式以皮尺粉筆為主要工具，依賴作業(yè)經(jīng)驗(yàn)評(píng)判勘查元素，勘查結(jié)果因人不同差異性明顯，且一般不可補(bǔ)測(cè)或勘誤。邊勘邊測(cè)邊記錄的作業(yè)模式耗時(shí)較長(zhǎng)，勘查人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，易引發(fā)和加劇由于封鎖現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)致的交通擁堵。

基于雙目立體視覺(jué)原理的事故現(xiàn)場(chǎng)勘查是將圖像的灰度信號(hào)通過(guò)耦合裝置(CCD)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，應(yīng)用圖像處理、模式識(shí)別、人工智能及計(jì)算機(jī)視覺(jué)等方法獲取目標(biāo)元素的世界坐標(biāo)[2]?？辈楣ぞ叩脑O(shè)計(jì)原則應(yīng)包括勘測(cè)精度高、作業(yè)速度快、操作簡(jiǎn)易攜帶方便等特性。

2.便攜式交通事故現(xiàn)場(chǎng)勘查設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

便攜式交通事故現(xiàn)場(chǎng)快速勘查系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱勘查系統(tǒng))包括現(xiàn)場(chǎng)勘查設(shè)備和配套的現(xiàn)場(chǎng)圖繪制軟件兩部分?，F(xiàn)場(chǎng)勘查設(shè)備包含圖像采集模塊、觸發(fā)控制模塊、集中顯示模塊和輔助模塊，現(xiàn)場(chǎng)圖繪制軟件能夠調(diào)用雙目現(xiàn)場(chǎng)勘查圖像攝影測(cè)量的世界坐標(biāo)數(shù)據(jù)，用以標(biāo)注現(xiàn)場(chǎng)圖元素的尺寸和位置信息?，F(xiàn)場(chǎng)勘查設(shè)備的圖像采集模塊為兩部非量測(cè)定焦數(shù)碼相機(jī)(RICOH GRD III)，相距約80 cm(即基線長(zhǎng)度)，通過(guò)外接快門線和顯示屏實(shí)現(xiàn)雙目拍攝的一鍵式同步觸發(fā)和勘查視野的集中顯示，集成安裝平臺(tái)和獨(dú)腳支架用于支撐、轉(zhuǎn)移等輔助功能。圖1為現(xiàn)場(chǎng)勘查設(shè)備工業(yè)樣機(jī)的實(shí)物外觀。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)勘查設(shè)備工業(yè)樣機(jī)實(shí)物外觀

現(xiàn)場(chǎng)勘查設(shè)備整備質(zhì)量(含獨(dú)腳支架)為2.2 kg，抵達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)后只需連接獨(dú)腳支架、觸發(fā)外置快門即可啟動(dòng)設(shè)備，采集雙目勘查圖像。由于采用了參數(shù)預(yù)標(biāo)定的技術(shù)路線[3]，無(wú)須對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行預(yù)處理(如擺放標(biāo)志物或標(biāo)定物等)即可直接勘查取證，全程只需一名勘查人員，在提高工作效率的同時(shí)還降低了現(xiàn)場(chǎng)勘查的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3.現(xiàn)場(chǎng)勘查與圖像處理工作流程

交通事故現(xiàn)場(chǎng)勘查取證一般以交通事故現(xiàn)場(chǎng)圖的形式呈現(xiàn)結(jié)果，勘查系統(tǒng)配套開(kāi)發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)圖繪制軟件采用符合國(guó)標(biāo)的符號(hào)庫(kù)[4]，通過(guò)調(diào)用事故現(xiàn)場(chǎng)元素圖形符號(hào)，標(biāo)注其尺寸位置數(shù)據(jù)的形式繪制并輸出交通事故現(xiàn)場(chǎng)圖?？辈橄到y(tǒng)的攝影測(cè)量模塊基于雙目圖像攝影測(cè)量的三維世界坐標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算交通事故現(xiàn)場(chǎng)元素的位置尺寸信息，用于現(xiàn)場(chǎng)圖的繪制，作為“測(cè)”和“繪”的溝通橋梁，是整個(gè)勘查系統(tǒng)的核心技術(shù)組件[5]。圖2為便攜式交通事故現(xiàn)場(chǎng)快速勘查系統(tǒng)的工作流程。

圖2 便攜式交通事故現(xiàn)場(chǎng)快速勘查系統(tǒng)工作流程

三、參數(shù)預(yù)標(biāo)定

無(wú)標(biāo)尺現(xiàn)場(chǎng)攝影勘查的技術(shù)原理是雙目數(shù)碼相機(jī)的參數(shù)預(yù)標(biāo)定，具體分為內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定和外部參數(shù)標(biāo)定兩部分，又稱為“分步標(biāo)定”[6]。內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定每部相機(jī)彼此獨(dú)立，外部參數(shù)標(biāo)定則需要雙目相機(jī)安裝位置固定后進(jìn)行，且標(biāo)定完成后兩部相機(jī)之間的相對(duì)位置不能發(fā)生改變。

1.內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定

相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定采用2D棋盤格式標(biāo)定板，9行13列，共117個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 2D棋盤格式標(biāo)定板

使用拓普康GTS332S全站儀測(cè)量117個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的世界坐標(biāo)，作為內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定的參考數(shù)據(jù)。使用待標(biāo)定相機(jī)拍攝標(biāo)定板圖像，通過(guò)標(biāo)定程序累積標(biāo)定結(jié)果，一般在圖像超過(guò)40幅標(biāo)定結(jié)果收斂性良好時(shí)認(rèn)為內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定可靠。圖4為相機(jī)內(nèi)部參數(shù)的標(biāo)定結(jié)果。

圖4 相機(jī)內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定結(jié)果

理論上，橫、縱向有效焦距應(yīng)近似相等，主點(diǎn)坐標(biāo)應(yīng)接近相機(jī)分辨率數(shù)值的一半，徑向和切向畸變系數(shù)應(yīng)呈現(xiàn)出明顯的收斂性[7]。

2.外部參數(shù)標(biāo)定

相機(jī)的外部參數(shù)標(biāo)定是在雙目相機(jī)安裝完畢、相對(duì)位置固定的情況下進(jìn)行的，且標(biāo)定后兩部相機(jī)之間的相對(duì)位置不能發(fā)生改變。設(shè)計(jì)構(gòu)建3D散點(diǎn)式標(biāo)定場(chǎng)，共30個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 3D散點(diǎn)式標(biāo)定場(chǎng)

使用拓普康GTS332S全站儀測(cè)量30個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的世界坐標(biāo)，作為外部參數(shù)標(biāo)定的參考數(shù)據(jù)。使用集成固定的勘查設(shè)備拍攝標(biāo)定場(chǎng)圖像，通過(guò)標(biāo)定程序標(biāo)定外部參數(shù)并作歸一化處理，表1為勘查設(shè)備外部參數(shù)標(biāo)定結(jié)果。

表1 勘查設(shè)備外部參數(shù)標(biāo)定結(jié)果

表1中外部參數(shù)經(jīng)過(guò)歸一化處理后，相當(dāng)于以左目相機(jī)為基準(zhǔn)給出右目相機(jī)的相對(duì)位置[8]，具體的，由右目相機(jī)外部參數(shù)的最后一行(平移向量)可見(jiàn)，兩部相機(jī)的相對(duì)距離約為800 mm，與設(shè)計(jì)制作的基線長(zhǎng)度相符。

3.測(cè)量精度驗(yàn)證

設(shè)計(jì)構(gòu)建試測(cè)目標(biāo)，如圖6所示。

圖6 勘查設(shè)備試測(cè)目標(biāo)

使用勘查設(shè)備拍攝鋼板尺和3個(gè)直立目標(biāo)點(diǎn)A、B、D，預(yù)先測(cè)量目標(biāo)尺寸信息，與攝影測(cè)量結(jié)果相對(duì)照，計(jì)算不同視距和不同方向目標(biāo)的測(cè)量精度(見(jiàn)表2)。

表2 勘查設(shè)備試測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)表明，勘查設(shè)備在10 m范圍內(nèi)的攝影測(cè)量精度基本能夠保持在1%以內(nèi)，完全滿足交通事故現(xiàn)場(chǎng)勘查的精度要求。

四、模擬現(xiàn)場(chǎng)勘查取證

設(shè)計(jì)構(gòu)建模擬交通事故現(xiàn)場(chǎng)，分別使用勘查系統(tǒng)和傳統(tǒng)工具進(jìn)行勘查取證，具體內(nèi)容見(jiàn)表3。

表3 模擬現(xiàn)場(chǎng)勘查實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)結(jié)果表明見(jiàn)表4，勘查系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)勘查取證環(huán)節(jié)的工作效率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)工具，現(xiàn)場(chǎng)圖繪制用時(shí)與傳統(tǒng)工具相近，考慮到勘查取證封鎖路面可能引發(fā)的交通堵塞、攝影測(cè)量精度的可控性和標(biāo)準(zhǔn)化、勘查系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)事后勘誤和補(bǔ)測(cè)等功能，可見(jiàn)攝影測(cè)量技術(shù)在交通事故現(xiàn)場(chǎng)勘查工作中的實(shí)用性和優(yōu)越性。

表4 模擬勘查對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

五、結(jié)束語(yǔ)

基于雙目立體視覺(jué)原理的近景攝影測(cè)量技術(shù)，設(shè)計(jì)構(gòu)建便攜式交通事故現(xiàn)場(chǎng)快速勘查系統(tǒng)，采用參數(shù)預(yù)標(biāo)定的技術(shù)路線，可實(shí)現(xiàn)交通事故現(xiàn)場(chǎng)無(wú)標(biāo)尺快速勘查取證功能。無(wú)須對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行預(yù)處理(擺放標(biāo)志物或標(biāo)定物等)，僅需一人即可完成全部勘查流程，勞動(dòng)強(qiáng)度低，封閉現(xiàn)場(chǎng)用時(shí)短，可有效緩解交通事故現(xiàn)場(chǎng)勘查引發(fā)的交通堵塞。攝影測(cè)量精度較高，且人為差異性小，可根據(jù)雙目勘查圖像事后對(duì)勘查結(jié)果進(jìn)行勘誤或補(bǔ)測(cè)，圖像資料客觀真實(shí)，可信度高、還原性好，對(duì)于重特大交通事故勘查取證和再現(xiàn)分析意義重大。

本文依托國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2009BAG13A07)，首批工業(yè)樣機(jī)已投入山東、廣東等地區(qū)的公安交通管理部門示范應(yīng)用。從應(yīng)用反饋來(lái)看，現(xiàn)場(chǎng)勘查設(shè)備對(duì)氣候、光線、環(huán)境場(chǎng)景的適應(yīng)性仍需進(jìn)一步完善，攝影測(cè)量和現(xiàn)場(chǎng)圖繪制軟件的界面友好性不夠理想，持續(xù)改進(jìn)系統(tǒng)的魯棒性和簡(jiǎn)易性是近期工作的改進(jìn)方向。

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A New Type of Portable Investigation System in Traffic Accident Scenes

LIU Wenchao，WANG Yan，HU Mengxia，LI Yibing

P208

B

0494-0911(2014)07-0117-04

2013-04-15

國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2009BAG13A07)

劉文超(1984—)，男，遼寧鞍山人，碩士，助理研究員，研究方向?yàn)榈缆方煌ò踩?/p>

劉文超，王巖，胡孟夏，等.一種新型的便攜式交通事故現(xiàn)場(chǎng)快速勘查系統(tǒng)[J].測(cè)繪通報(bào)，2014(7)：117-120.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0241