基于近景攝影測(cè)量的交通事故現(xiàn)場(chǎng)信息重建方法研究與應(yīng)用

衡威威，馮 浩，沈 明，張澤楓，李 威

（1.司法鑒定科學(xué)研究院 上海市司法鑒定專(zhuān)業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，上海200063；2.上海市公安局 浦東分局交通警察支隊(duì)，上海201201）

傳統(tǒng)交通事故現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)測(cè)量一般使用卷尺、皮尺等測(cè)量工具，所有現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)必須當(dāng)場(chǎng)完成測(cè)量，容易出現(xiàn)勘察數(shù)據(jù)疏漏，并且一旦事故現(xiàn)場(chǎng)解除后，如后期事故調(diào)查處理過(guò)程中發(fā)現(xiàn)需補(bǔ)充測(cè)量數(shù)據(jù)，客觀條件很難再允許進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)量，導(dǎo)致后續(xù)工作無(wú)法正常開(kāi)展。

隨著攝影測(cè)量技術(shù)在交通事故領(lǐng)域的發(fā)展，應(yīng)用攝影測(cè)量方法能夠有效克服傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法的缺陷，不僅能快速完成現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作，全面地記錄事故現(xiàn)場(chǎng)平面和空間數(shù)據(jù)，還可以在事故發(fā)生后對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)信息進(jìn)行重建與還原，較好地拓展了事故現(xiàn)場(chǎng)信息的應(yīng)用性[1-2]。同時(shí)，攝影測(cè)量設(shè)備相較于全站儀、激光測(cè)繪儀、GPS等，又具有成本低、使用方便的特點(diǎn)，因此具有良好的應(yīng)用性和推廣性。

本文詳細(xì)闡述了利用攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行交通事故現(xiàn)場(chǎng)信息重建的方法和過(guò)程，并給出了該方法在以往真實(shí)交通事故案件中的應(yīng)用說(shuō)明，表明了該方法具有良好的應(yīng)用性和有效性。

1方法

1.1 基本原理

本文方法主要依據(jù)近景攝影測(cè)量中的直接線(xiàn)性變換解法，該解法是建立在像點(diǎn)圖像坐標(biāo)和相應(yīng)物點(diǎn)物方空間坐標(biāo)之間直接的線(xiàn)性關(guān)系的算法。它無(wú)需內(nèi)方位元素值和外方位元素的初始近似值，特別適用于非量測(cè)相機(jī)所攝影像的攝影測(cè)量處理，日常所見(jiàn)相機(jī)大多為非量測(cè)相機(jī)[3]。

直接線(xiàn)性變換解法由近景攝影測(cè)量基本解析式——共線(xiàn)條件方程推導(dǎo)而來(lái)，其解法關(guān)系式為

式中：（x， y）為像點(diǎn)圖像坐標(biāo)；（X， Y， Z）為物點(diǎn)空間坐標(biāo)；l1，l2…l11為直接線(xiàn)性變換系數(shù)，是內(nèi)外方位元素的函數(shù)。該式為三維直接線(xiàn)性變換解法關(guān)系式，適用于三維目標(biāo)的測(cè)量，求解方程組至少需要六個(gè)點(diǎn)。

如果被測(cè)物體為二維目標(biāo)，則可認(rèn)為Z為某一常數(shù)，此時(shí)式（1）可改寫(xiě)并化簡(jiǎn)為

該式即為二維直接線(xiàn)性變換解法關(guān)系式，適用于二維目標(biāo)或平面的測(cè)量，求解方程組至少需要四個(gè)點(diǎn)。

1.2工具

基于攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)道路交通事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行重建和還原所需工具包括：相機(jī)、標(biāo)定板、測(cè)量工具、現(xiàn)場(chǎng)重建相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件等。

標(biāo)定板用于對(duì)記錄事故現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)信息的攝像鏡頭進(jìn)行畸變矯正，常見(jiàn)為棋盤(pán)格畸變標(biāo)定板；測(cè)量工具用于對(duì)參考距離的測(cè)量，常見(jiàn)為鋼卷尺；具有場(chǎng)景或目標(biāo)信息重建功能的，常見(jiàn)的商用軟件有PC-Rect、PhotoModeler等。

1.3過(guò)程

1.3.1 確定重建類(lèi)型

（1）二維信息重建。通常在道路交通事故中，道路路面上會(huì)遺留有大量事故相關(guān)信息，如輪胎拖痕、路面標(biāo)線(xiàn)、血跡、灑落物等，對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)路面進(jìn)行二維重建能有效獲取這些路面特征信息。同時(shí)，二維重建條件限制少，簡(jiǎn)單易操作，是目前較常用的重建類(lèi)型。如圖1所示，為對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)人行橫道線(xiàn)區(qū)域進(jìn)行二維重建的結(jié)果。

圖1 交通事故現(xiàn)場(chǎng)二維重建結(jié)果示例

（2）三維信息重建。事故現(xiàn)場(chǎng)立體表面（如車(chē)體）上也經(jīng)常遺留有變形、刮擦痕跡等重要特征信息，此時(shí)則需采用三維重建方法來(lái)獲取多個(gè)表面上的信息，三維重建條件相對(duì)較為苛刻。如圖2所示，為對(duì)車(chē)身部分外表面進(jìn)行三維重建的結(jié)果示例。

圖2 車(chē)身部分外表面三維重建結(jié)果示例

1.3.2 選取和測(cè)量參考線(xiàn)段

參考距離通常選取現(xiàn)場(chǎng)路面上的標(biāo)志標(biāo)線(xiàn)、接縫線(xiàn)、井蓋等便于測(cè)量、易于辨識(shí)的路面特征信息，二維重建需至少選取四條參考線(xiàn)段，三維重建需至少選取不同表面上的六條參考線(xiàn)段。如圖3所示，選取圖中路面標(biāo)線(xiàn)端點(diǎn)組成四條參考線(xiàn)段，可方便測(cè)量出四段參考距離。

當(dāng)事故現(xiàn)場(chǎng)路面未存在易于定位、測(cè)量的路面特征信息時(shí)，可人工設(shè)置參考位置點(diǎn)，并測(cè)量出參考位置點(diǎn)間相對(duì)距離，作為參考線(xiàn)段，如圖4所示。

圖3 選取路面標(biāo)線(xiàn)端點(diǎn)組成參考線(xiàn)段

圖4 人工設(shè)置參考線(xiàn)段

1.3.3 拍攝圖片

當(dāng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)二維信息重建時(shí)，應(yīng)至少拍攝一張完全包含所有參考位置點(diǎn)和待重建區(qū)域的事故現(xiàn)場(chǎng)照片，如圖5所示，紅線(xiàn)區(qū)域?yàn)榇亟▍^(qū)域。當(dāng)進(jìn)行三維現(xiàn)場(chǎng)重建時(shí)，應(yīng)至少拍攝多張不同角度的均包含參考線(xiàn)段和待重建區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)照片，且各張照片中均應(yīng)包含待重建區(qū)域，如圖6所示為對(duì)一車(chē)輛部分車(chē)身平面進(jìn)行重建照片示例，紅線(xiàn)區(qū)域?yàn)榇亟▍^(qū)域。

圖5 二維重建拍攝照片示例

圖6 三維重建拍攝照片示例

1.3.4 畸變矯正

常見(jiàn)相機(jī)通常為非量測(cè)相機(jī)，鏡頭畸變量較大且未進(jìn)行初始標(biāo)定，導(dǎo)致拍攝所得圖像存在較大的畸變，且越靠近圖像邊緣，畸變量越大。尤其對(duì)于車(chē)載視頻行駛記錄裝置（如行車(chē)記錄儀等）所拍攝的視頻圖像畸變量尤為突出，對(duì)重建結(jié)果影響較大。因此，在條件允許的情況下，在重建之前先對(duì)攝像鏡頭進(jìn)行畸變矯正是必要的。如圖7所示，為對(duì)某一車(chē)輛行駛記錄儀攝像鏡頭進(jìn)行畸變矯正標(biāo)定。

圖7 鏡頭畸變矯正標(biāo)定

1.3.5利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行重建

本文選取由奧地利Dr.Steffan Datentechnik開(kāi)發(fā)的PC-Rect軟件作為交通事故現(xiàn)場(chǎng)信息重建軟件，該軟件包含圖像畸變矯正、二維攝影測(cè)量、三維攝影測(cè)量（可選）及圖像拼接等功能，并支持多種常見(jiàn)圖片格式以及AVI格式視頻的輸入和輸出，能夠較好地實(shí)現(xiàn)交通事故現(xiàn)場(chǎng)重建功能。具體操作步驟如圖8和圖9所示，分別為運(yùn)用PC-Rect軟件進(jìn)行二維重建和三維重建的具體操作步驟。

圖8 運(yùn)用PC-Rect進(jìn)行交通事故現(xiàn)場(chǎng)二維信息重建步驟

圖9 運(yùn)用PC-Rect進(jìn)行交通事故現(xiàn)場(chǎng)三維信息重建步驟

1.3.6 精度驗(yàn)證

完成重建后，還應(yīng)對(duì)重建結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證，可參照GA41《道路交通事故痕跡物證勘驗(yàn)》中對(duì)痕跡物證測(cè)量誤差的要求進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)于不滿(mǎn)足應(yīng)用精度要求的，應(yīng)對(duì)重建過(guò)程中涉及的各步驟中可能引起的誤差進(jìn)行分析或選取其他符合需求的圖像后再次進(jìn)行重建，以減小誤差滿(mǎn)足相應(yīng)精度要求。

重建過(guò)程中可能導(dǎo)致較大誤差的原因通常有：

（1）圖像畸變誤差較大情況下未進(jìn)行畸變矯正處理；（2）參考線(xiàn)段選擇不合理或測(cè)量不精確，例如參考線(xiàn)段間僅為互相平行或垂直關(guān)系，或者待測(cè)量區(qū)域距離參考線(xiàn)段位置較遠(yuǎn)，關(guān)于參考線(xiàn)段的選取可參照文獻(xiàn)[3] [4] 中所述理論和方法進(jìn)行；（3）二維重建中待重建的區(qū)域并非平面，例如路面存在較大的拱形坡度等。

2 案例應(yīng)用

2.1 案例1

（1）簡(jiǎn)要案情：2018年某月某日，某地繞城公路上發(fā)生一起車(chē)輛與行人相撞的交通事故。委托方提供的該起事故鑒定材料有交通事故現(xiàn)場(chǎng)圖、現(xiàn)場(chǎng)照片及涉事車(chē)輛車(chē)載視頻記錄裝置記錄的事發(fā)時(shí)視頻。要求對(duì)事發(fā)前涉事車(chē)輛的部分行駛過(guò)程進(jìn)行重建。

（2）方法及方案：利用近景攝影測(cè)量中的直接線(xiàn)性變換方法及PC-Rect4.2軟件對(duì)車(chē)載視頻中特定時(shí)刻的圖像進(jìn)行投影變換?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)重新打開(kāi)并調(diào)整該車(chē)車(chē)載視頻記錄裝置，定位某個(gè)與該車(chē)相對(duì)固定距離的視頻中的一點(diǎn)，并以該點(diǎn)在視頻中的運(yùn)動(dòng)間接計(jì)算出該車(chē)的行駛過(guò)程，如圖10所示。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)定位視頻畫(huà)面中的一點(diǎn)

（3）結(jié)果：如圖11所示為車(chē)載視頻記錄的事發(fā)前某一幀圖像，圖12為利用攝影測(cè)量方法對(duì)該幀圖像進(jìn)行二維重建后的結(jié)果，由圖中重建后信息可得車(chē)輛前端到其前方分道線(xiàn)的距離。

圖11 事發(fā)前車(chē)載視頻某一幀圖像

圖12 路面二維信息重建后的圖像

2.2 案例2

（1）簡(jiǎn)要案情：2019年某月某日，一車(chē)輛在某一醫(yī)院出口處涉嫌發(fā)生交通事故。要求對(duì)涉事車(chē)輛事發(fā)時(shí)相對(duì)出口處道路邊緣的位置進(jìn)行計(jì)算，由于事發(fā)后涉事車(chē)輛位置已移動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)時(shí)已無(wú)法測(cè)量其位置。委托方提供該出口處事發(fā)時(shí)監(jiān)控視頻一份，視頻中事發(fā)時(shí)某一幀圖像如圖13所示，黑色車(chē)為涉事車(chē)輛。

（2）方法及方案：運(yùn)用近景攝影測(cè)量中二維直接線(xiàn)性變換方法及PC-Rect4.2軟件結(jié)合事故現(xiàn)場(chǎng)勘查信息對(duì)圖13進(jìn)行投影變換處理，計(jì)算涉事車(chē)輛左后輪著地點(diǎn)距離道路邊緣的位置，并據(jù)此定位車(chē)輛位置。

（3）結(jié)果：處理結(jié)果如圖14所示，圖中可得涉事車(chē)輛左后輪著地點(diǎn)距離水泥路面邊緣的位置關(guān)系。

圖13 事發(fā)時(shí)監(jiān)控視頻某一幀圖像

圖14 地面二維信息重建后圖像

3討論

交通事故現(xiàn)場(chǎng)信息重建的目的是為了最大程度地記錄、還原事故現(xiàn)場(chǎng)所包含的全部信息或某些特定信息，尤其是相對(duì)位置信息和尺寸信息。通常委托方提供的反映交通事故現(xiàn)場(chǎng)信息的材料有交通事故現(xiàn)場(chǎng)圖和現(xiàn)場(chǎng)照片，GA49-2014《道路交通事故現(xiàn)場(chǎng)圖繪制》中要求現(xiàn)場(chǎng)圖應(yīng)全面、客觀、準(zhǔn)確地表現(xiàn)交通事故現(xiàn)場(chǎng)情況，GA41-2014《道路交通事故痕跡物證勘驗(yàn)》中也對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)痕跡物證的勘驗(yàn)、記錄作出了具體的要求。但是，有時(shí)限于客觀條件限制或人為因素影響，事故現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)中并不能完全記錄現(xiàn)場(chǎng)所有的信息，或者更多時(shí)候是由于在事故的后續(xù)調(diào)查處理當(dāng)中，又需要新的、非常規(guī)的現(xiàn)場(chǎng)信息去完成特定的事故分析工作。

基于攝影測(cè)量進(jìn)行交通事故現(xiàn)場(chǎng)信息重建可以較好地解決某些事故當(dāng)中遇到的這部分問(wèn)題，例如案例1中，事故處理當(dāng)中需要還原事發(fā)前涉事車(chē)輛的部分行駛狀態(tài)，如何發(fā)掘車(chē)載視頻中包含的運(yùn)動(dòng)信息是解決該問(wèn)題的關(guān)鍵，顯然常規(guī)的事故現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)很難實(shí)現(xiàn)車(chē)輛行駛狀態(tài)的還原，運(yùn)用攝影測(cè)量方法結(jié)合其他相應(yīng)方法可以很直觀、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)車(chē)輛事發(fā)前行駛狀態(tài)信息的重建與還原；案例2中事故現(xiàn)場(chǎng)人為移動(dòng)導(dǎo)致無(wú)法直接勘驗(yàn)所需信息，運(yùn)用攝影測(cè)量可間接還原所需信息。

運(yùn)用攝影測(cè)量方法結(jié)合視頻或圖像能夠直觀有效地完成交通事故現(xiàn)場(chǎng)信息的重建，在解決事故處理當(dāng)中的某些特定問(wèn)題時(shí)能發(fā)揮獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)作用，具有很好的實(shí)用性，在交通事故技術(shù)鑒定當(dāng)中非常值得推廣。最后，本文應(yīng)用案例只給出了運(yùn)用攝影測(cè)量方法進(jìn)行事故現(xiàn)場(chǎng)二維信息重建的成熟案例，三維信息重建的應(yīng)用尚不成熟，也將是下一步該方向研究的重點(diǎn)。