靳慧云，李 苑，謝賢能，胡 斌

(1.浙江警察學(xué)院，浙江杭州310053;2.浙江省公安廳，浙江杭州310009; 3.浙江省衢州市公安局，浙江衢州324002)

監(jiān)控視頻中目標(biāo)車(chē)輛速度被動(dòng)式測(cè)量方法研究

靳慧云1，李 苑1，謝賢能2，胡 斌3

(1.浙江警察學(xué)院，浙江杭州310053;2.浙江省公安廳，浙江杭州310009; 3.浙江省衢州市公安局，浙江衢州324002)

對(duì)事先沒(méi)有安置測(cè)速裝置，事后僅通過(guò)監(jiān)控視頻進(jìn)行處理的目標(biāo)車(chē)輛速度被動(dòng)式測(cè)量的方法進(jìn)行相關(guān)研究。闡述被動(dòng)式目標(biāo)車(chē)輛速度測(cè)量的概念、基本原理;視頻畫(huà)面中點(diǎn)、線(xiàn)、面之間的關(guān)系;被動(dòng)式目標(biāo)車(chē)輛速度測(cè)量時(shí)方向與標(biāo)定點(diǎn)的選擇;不同監(jiān)控點(diǎn)之間目標(biāo)車(chē)輛的平均速度測(cè)量和同一監(jiān)控點(diǎn)中目標(biāo)車(chē)輛速度測(cè)量的方法等。

視頻畫(huà)面;被動(dòng)式;目標(biāo)車(chē)輛速度測(cè)量

一、引 言

目前，在道路交通安全管理中，利用專(zhuān)用的測(cè)速裝置(如地感線(xiàn)圈測(cè)速、雷達(dá)測(cè)速、紅外測(cè)速和激光測(cè)速法等)或借助軟件實(shí)現(xiàn)的視頻監(jiān)控測(cè)速系統(tǒng)(如虛擬線(xiàn)圈法、幀間差分法、背景減差檢測(cè)法、光流檢測(cè)法等)，已經(jīng)能夠完成對(duì)確定區(qū)域的目標(biāo)車(chē)輛的速度檢測(cè)。但是，在事先沒(méi)有專(zhuān)門(mén)安置這些的裝置的區(qū)域，事后僅僅通過(guò)提取的監(jiān)控視頻完成測(cè)量，尚屬一個(gè)新的研究課題。相對(duì)于前者，把后者——事后通過(guò)監(jiān)控視頻對(duì)目標(biāo)車(chē)輛速度進(jìn)行的測(cè)量，稱(chēng)為被動(dòng)式測(cè)量。雖然，由于受視頻畫(huà)面質(zhì)量、被測(cè)現(xiàn)場(chǎng)周邊條件等多種因素的影響，這種被動(dòng)測(cè)量尚達(dá)不到主動(dòng)測(cè)量的精準(zhǔn)程度，但是，在交通管理、案件偵查、事件處理中，需要進(jìn)行被動(dòng)測(cè)量的情況很多，是一個(gè)急需解決的技術(shù)問(wèn)題。為此，筆者的項(xiàng)目組近幾年對(duì)其進(jìn)行了跟蹤研究，在大量案例和實(shí)踐基礎(chǔ)上，提出目前通過(guò)監(jiān)控視頻對(duì)目標(biāo)車(chē)輛進(jìn)行被動(dòng)式測(cè)量的一些常用方法。

二、監(jiān)控視頻中被動(dòng)式目標(biāo)車(chē)輛速度測(cè)量

1.視頻測(cè)量相關(guān)名詞

1)被測(cè)目標(biāo)(measured target)，是指在視頻圖像中需要測(cè)量的人或物。

2)被測(cè)視頻(measured video)，是指包含目標(biāo)、需要對(duì)其進(jìn)行測(cè)量的視頻。

3)標(biāo)定視頻(calibration video)，是指包含有測(cè)量參照物或測(cè)量標(biāo)識(shí)，根據(jù)被測(cè)視頻畫(huà)面重建的、用于實(shí)施測(cè)量標(biāo)定的視頻。

4)被測(cè)視頻畫(huà)面(measured video image)，是指包含目標(biāo)，并需要對(duì)其進(jìn)行測(cè)量的視頻畫(huà)面。

5)標(biāo)定視頻畫(huà)面(calibration video image)，是指包含有測(cè)量參照物或測(cè)量標(biāo)識(shí)，根據(jù)被測(cè)視頻畫(huà)面重建的、用于實(shí)施測(cè)量標(biāo)定的視頻畫(huà)面。

2.關(guān)于監(jiān)控視頻中被動(dòng)式目標(biāo)車(chē)輛速度測(cè)量

從測(cè)量的方式上講，監(jiān)控視頻中被動(dòng)式目標(biāo)車(chē)輛速度測(cè)量，是以案(事)件發(fā)生后的監(jiān)控視頻為主要對(duì)象，通過(guò)信息提取、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、圖像處理等手段，以獲取案(事)件線(xiàn)索或證據(jù)為目的，對(duì)目標(biāo)車(chē)輛速度進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)方法。目前，這種方法主要分為兩類(lèi):一類(lèi)是不同監(jiān)控點(diǎn)之間目標(biāo)車(chē)輛的平均速度測(cè)量;另一類(lèi)是同一監(jiān)控點(diǎn)的目標(biāo)車(chē)輛速度測(cè)量。

三、監(jiān)控視頻中被動(dòng)式目標(biāo)車(chē)輛速度測(cè)量的基本原理

若設(shè)速度為v，距離為Δl，時(shí)間為Δt，則無(wú)論是主動(dòng)還是被動(dòng)的車(chē)速測(cè)量，都是依據(jù)公式v=Δl/Δt計(jì)算完成的。從測(cè)量實(shí)踐看，其關(guān)鍵是參數(shù)Δl的測(cè)定。因?yàn)閰?shù)Δt通常是可以通過(guò)視頻畫(huà)面的時(shí)間顯示或從被測(cè)視頻中查算幀數(shù)(幀差)直接得到的，即通常視頻播放是25幀/s，一幀時(shí)間t1=1/25= 0.04 s。所以，在被動(dòng)式車(chē)速測(cè)量的研究中，各種方法的差異，也就主要體現(xiàn)在距離參數(shù)Δl獲取的方法不同上了。從技術(shù)路線(xiàn)上講，目標(biāo)車(chē)速測(cè)量是動(dòng)態(tài)測(cè)量，是通過(guò)“被測(cè)視頻”完成的，而目標(biāo)尺寸測(cè)量是靜態(tài)測(cè)量，是通過(guò)“被測(cè)視頻畫(huà)面”完成的，這是兩者的最大差異之處。在一般案(事)件中，目標(biāo)車(chē)輛的行駛狀態(tài)，通常分兩種情況:第1種，駕駛?cè)宋床扇?yīng)急措施的駕駛狀態(tài);第2種，駕駛?cè)艘呀?jīng)采取應(yīng)措施的駕駛狀態(tài)。

根據(jù)需要，正確區(qū)分應(yīng)急措施采取之前與采取之后兩個(gè)距離段，并展開(kāi)目標(biāo)車(chē)速的分別測(cè)量，對(duì)于案件性質(zhì)判斷和事故責(zé)任劃分至關(guān)重要。一般情況下，對(duì)應(yīng)急措施采取的前后分界點(diǎn)劃分可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查和視頻監(jiān)控畫(huà)面的回放，查看駕駛員是否有減速、打方向等應(yīng)急動(dòng)作。至于測(cè)量的數(shù)據(jù)是平均速度還是即時(shí)速度，應(yīng)視不同情況確定，一般而言，所測(cè)兩點(diǎn)間的視頻幀差越小，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的距離越短，越接近即時(shí)速度(測(cè)量誤差亦可能越大)，反之亦然。被動(dòng)式目標(biāo)車(chē)速測(cè)量，應(yīng)具備以下3個(gè)基本條件:

1)在被測(cè)視頻中，目標(biāo)車(chē)輛應(yīng)有一定長(zhǎng)度的行駛軌跡。

2)通過(guò)被測(cè)視頻反映出的案(事)件，應(yīng)可以找到原發(fā)現(xiàn)場(chǎng)，而且，原發(fā)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)有尚未發(fā)生變化的參照物或標(biāo)志線(xiàn)，可以提供較準(zhǔn)確的畫(huà)面測(cè)量與實(shí)地測(cè)量。

3)被測(cè)視頻播放應(yīng)正常，均勻流暢、幀速固定，并無(wú)丟幀現(xiàn)象。

四、視頻畫(huà)面中目標(biāo)車(chē)輛速度測(cè)量的點(diǎn)、線(xiàn)、面關(guān)系

視頻畫(huà)面中目標(biāo)車(chē)輛速度測(cè)量，是解決在一個(gè)平面上移動(dòng)目標(biāo)的測(cè)量問(wèn)題，其測(cè)量值是一個(gè)矢量，故不僅涉及移動(dòng)目標(biāo)移動(dòng)的長(zhǎng)度，還涉及目標(biāo)移動(dòng)的方向。視頻監(jiān)控頭攝取的畫(huà)面，是一個(gè)用二維畫(huà)面表達(dá)三維空間的透視圖，因此，對(duì)三維空間的點(diǎn)、線(xiàn)、面的關(guān)系認(rèn)識(shí)是測(cè)量所必需的。如圖1所示，設(shè)點(diǎn)M1(x1，y1，z1)向點(diǎn)M2(x2，y2，z2)方向移動(dòng)。

圖1 點(diǎn)線(xiàn)面關(guān)系示意圖

當(dāng)z2=z1時(shí)，有向線(xiàn)段l位于平行于xy平面的平面內(nèi)，此時(shí)有線(xiàn)段長(zhǎng)度

由此可知，三維空間中的一條線(xiàn)段，轉(zhuǎn)換為二維透視圖像后，從不同的角度觀察，可能會(huì)是不同長(zhǎng)度的線(xiàn)段，甚至還可能會(huì)成為一個(gè)點(diǎn)。

五、監(jiān)控視頻中被動(dòng)式目標(biāo)車(chē)輛速度測(cè)量的方向與標(biāo)定點(diǎn)的選擇

1.測(cè)量標(biāo)定點(diǎn)選擇

根據(jù)上述空間點(diǎn)、線(xiàn)、面的關(guān)系，在目標(biāo)車(chē)速測(cè)量中，最好選擇車(chē)輪胎與地面的切點(diǎn)作為測(cè)量標(biāo)定點(diǎn)。因?yàn)?，無(wú)論攝像機(jī)位置如何，只要選擇地面作為參照平面，那么，兩個(gè)測(cè)量標(biāo)定點(diǎn)確定的直線(xiàn)就一定在地平面(路面)上。在路面基本平整的情況下，選定的測(cè)量標(biāo)定點(diǎn)的位移距離就是車(chē)輛的位移距離。當(dāng)然，實(shí)際的測(cè)量中，未必都能夠看到車(chē)輪胎與地面的接觸點(diǎn)，如果遇到這種情形，可以找出車(chē)輛上清晰、穩(wěn)定的其他特征點(diǎn)作為測(cè)量標(biāo)定點(diǎn)(如反光鏡、車(chē)燈、門(mén)拉手等)。

2.測(cè)量方向的選擇

在目標(biāo)車(chē)速測(cè)量中，應(yīng)選擇攝像機(jī)鏡頭光軸與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向夾角較大的畫(huà)面作為被測(cè)視頻。因?yàn)閿z像機(jī)在正前方或者正后方(正對(duì)目標(biāo))拍攝，目標(biāo)車(chē)輛行駛的軌跡長(zhǎng)度在畫(huà)面中變化不明顯，若Δl值太小，容易產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。此外，測(cè)量行駛軌跡長(zhǎng)度時(shí)，還應(yīng)盡量選擇車(chē)輛直行路段為宜。

六、參數(shù)計(jì)算方法

1.不同監(jiān)控點(diǎn)之間目標(biāo)車(chē)輛的平均速度測(cè)量

測(cè)量目標(biāo)車(chē)輛在兩個(gè)監(jiān)控點(diǎn)之間行使的平均速度，方法比較簡(jiǎn)單?？梢匀【嚯x現(xiàn)場(chǎng)最近的兩個(gè)監(jiān)控點(diǎn)拍攝的、較為清晰的畫(huà)面作為起始畫(huà)面，找出明顯的參照物或標(biāo)志線(xiàn)，并依此作為起點(diǎn)和終點(diǎn)的計(jì)時(shí)點(diǎn)，沿目標(biāo)車(chē)輛行駛的軌跡實(shí)地測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間的距離參數(shù)Δl，同時(shí)可根據(jù)視頻畫(huà)面顯示或在起止區(qū)域內(nèi)行駛的幀數(shù)，求得參數(shù)Δt，即可計(jì)算得出車(chē)輛在該路段內(nèi)相應(yīng)的平均速度。但要注意兩點(diǎn)。

1)兩個(gè)監(jiān)控點(diǎn)之間的距離不宜太長(zhǎng)，且交通通暢、狀況良好，否則測(cè)出的平均速度意義不大。

2)兩個(gè)視頻監(jiān)控點(diǎn)最好在同一監(jiān)控系統(tǒng)中，以便進(jìn)行時(shí)間計(jì)算或校正。

2.同一監(jiān)控點(diǎn)視頻中目標(biāo)車(chē)輛速度的測(cè)量

利用在同一個(gè)監(jiān)控點(diǎn)拍攝的被測(cè)視頻進(jìn)行的車(chē)速測(cè)量，實(shí)際工作中較為常見(jiàn)，目前，有以下幾種方法。

(1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)參照物獲取參數(shù)Δl的方法

基于被測(cè)視頻所反映的原發(fā)現(xiàn)場(chǎng)中尚存在未發(fā)生變化的參照物或標(biāo)志線(xiàn)，確定起止測(cè)量點(diǎn)，然后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)量起止點(diǎn)的實(shí)際距離，獲取參數(shù)Δl值，從而完成測(cè)量的方法。

如圖2某地發(fā)生一起交通事故，事故發(fā)生在監(jiān)控畫(huà)面之外約3 m處，車(chē)輛行駛在視頻畫(huà)面中的路段基本處于未采取應(yīng)急措施狀態(tài)。

從起點(diǎn)開(kāi)始，統(tǒng)計(jì)幀幅至終止點(diǎn)為50幀，實(shí)地丈量起止點(diǎn)間距離為28.7 m。

根據(jù)公式計(jì)算得

(2)根據(jù)目標(biāo)車(chē)輛的車(chē)身特征點(diǎn)獲取參數(shù)Δl的方法

這種方法是在目標(biāo)車(chē)輛車(chē)身上確定兩個(gè)特征點(diǎn)作為標(biāo)定點(diǎn)。測(cè)量時(shí)，觀測(cè)目標(biāo)車(chē)輛車(chē)身上這兩個(gè)標(biāo)定點(diǎn)通過(guò)選定的定位點(diǎn)的畫(huà)面幀數(shù)，獲取參數(shù)Δt;然后根據(jù)目標(biāo)車(chē)輛車(chē)身上選擇的兩個(gè)特征點(diǎn)確定Δl，從而完成測(cè)量的方法。具體操作可通過(guò)兩種方式進(jìn)行:

1)車(chē)長(zhǎng)測(cè)量法。它是基于對(duì)各種車(chē)輛長(zhǎng)度已知或可查知的前提下進(jìn)行的。以車(chē)前端和車(chē)后端某兩點(diǎn)作為標(biāo)定點(diǎn)(車(chē)長(zhǎng))，在被測(cè)視頻屏幕上做點(diǎn)并作為定位點(diǎn)，逐幀播放視頻，觀測(cè)目標(biāo)車(chē)輛車(chē)身標(biāo)定點(diǎn)通過(guò)定位點(diǎn)的畫(huà)面幀數(shù)，獲取參數(shù)Δt;然后，根據(jù)車(chē)型確定車(chē)長(zhǎng)數(shù)據(jù)Δl，從而完成測(cè)量的方法。利用這種方法測(cè)量車(chē)速，其畫(huà)面幀數(shù)首要前提是先要確定目標(biāo)車(chē)輛的類(lèi)型。須反復(fù)查看被測(cè)視頻，利用目標(biāo)車(chē)輛的外觀、車(chē)身、牌照等特征標(biāo)記，通過(guò)車(chē)輛數(shù)據(jù)庫(kù)或上網(wǎng)搜索相關(guān)類(lèi)型車(chē)輛，獲取車(chē)長(zhǎng)數(shù)據(jù)。

圖2 事故現(xiàn)場(chǎng)示意圖

2)在目標(biāo)車(chē)輛車(chē)身上任意選擇兩個(gè)特征點(diǎn)作為標(biāo)定點(diǎn)，在被測(cè)視頻中目標(biāo)車(chē)輛附近的現(xiàn)場(chǎng)上選擇一個(gè)點(diǎn)作為定位點(diǎn)，觀測(cè)目標(biāo)車(chē)輛車(chē)身上這兩個(gè)標(biāo)定點(diǎn)通過(guò)選定的定位點(diǎn)的畫(huà)面幀數(shù)，獲取參數(shù)Δt;然后測(cè)量目標(biāo)車(chē)輛車(chē)身上選擇的兩個(gè)特征點(diǎn)的距離以確定Δl，從而完成測(cè)量的方法［1］。

以上兩種方式的最大優(yōu)點(diǎn)是不需要到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量參照物求Δl，區(qū)別在于定位點(diǎn)的選擇方式不同。但要注意，由于Δl值不大，畫(huà)面顯示不長(zhǎng)，當(dāng)目標(biāo)車(chē)輛通過(guò)兩點(diǎn)的幀數(shù)太少時(shí)，即高速行駛的情況下，誤差可能較大。

(3)利用畫(huà)面匹配獲取參數(shù)Δl的方法

這種方法是基于畫(huà)面匹配的原理實(shí)現(xiàn)測(cè)量的［2］。即在被測(cè)視頻中觀察目標(biāo)車(chē)輛行駛的軌跡，取一定時(shí)間段的畫(huà)面進(jìn)行匹配，標(biāo)出測(cè)量點(diǎn)或線(xiàn)，根據(jù)被測(cè)視頻標(biāo)出的點(diǎn)或線(xiàn)，建立標(biāo)定視頻;然后，進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量標(biāo)定點(diǎn)之間的實(shí)際距離以獲取參數(shù)Δl;最后查算相應(yīng)的畫(huà)面幀數(shù)，求得參數(shù)Δt，從而完成測(cè)量的方法［3］。

如圖3所示，畫(huà)面由7幀疊加而成，Δt=6× 0.04=0.24 s，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量值為4.67 m。v= (4.67 m÷0.24 s)×3600 s=70.05 km/h。

圖3

(4)利用相關(guān)軟件獲取參數(shù)Δl的方法

這種方法是在有條件的情況下，利用現(xiàn)有的專(zhuān)業(yè)測(cè)量(或有測(cè)量功能的)軟件，測(cè)量參數(shù)Δl;然后，根據(jù)被測(cè)視頻中標(biāo)記點(diǎn)幀差求得參數(shù)Δt，從而完成測(cè)量的方法。實(shí)際上，這種方法目前還是一種間接的測(cè)量，是借助現(xiàn)有軟件中尺寸測(cè)量功能完成的。具體操作與軟件法測(cè)量目標(biāo)尺寸相似［4］。

七、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，監(jiān)控視頻中被動(dòng)式目標(biāo)車(chē)輛速度測(cè)量方法，是目前實(shí)際工作中，專(zhuān)門(mén)針對(duì)那些沒(méi)有安裝測(cè)速裝置和系統(tǒng)的路段，僅通過(guò)被測(cè)視頻采取的目標(biāo)車(chē)輛速度測(cè)量的方法，是對(duì)主動(dòng)式車(chē)速測(cè)量的必要補(bǔ)充。當(dāng)然，任何時(shí)候，一種方法，都不可能解決所有問(wèn)題，一個(gè)問(wèn)題也不都是僅由一種方法才能解決。相信隨著視頻偵查技術(shù)的廣泛應(yīng)用，會(huì)有更多、更好的實(shí)用方法服務(wù)于實(shí)踐。

［1］ 馮浩，潘少猷，陳建國(guó).基于視頻的車(chē)速鑒定方法［J］.中國(guó)司法鑒定，2009(5):46-47.

［2］ 李苑，謝賢能.視頻畫(huà)面測(cè)量中的畫(huà)面匹配測(cè)量技術(shù)研究［J］.中國(guó)刑警學(xué)院學(xué)報(bào)，2010(3):32-33.

［3］ 陳波杰.利用視頻資料測(cè)量車(chē)速的研究［J］.中國(guó)刑事警察學(xué)院學(xué)報(bào)，2011(1):40-42.

［4］ 謝賢能，李苑.嫌疑人身高測(cè)判方法研究［J］.刑事技術(shù)，2009(6):29-30.

［5］ 苗蕾.移動(dòng)對(duì)象時(shí)空數(shù)據(jù)建模的研究［J］.測(cè)繪通報(bào)，2008(7):47-49，57.

［6］ 任述明，向懷坤，劉建偉，等.基于視頻圖像的車(chē)速檢測(cè)研究［J］.交通與計(jì)算機(jī)，2007(1):90-93.

［7］ 童劍軍，鄒明福.基于監(jiān)控視頻圖像的車(chē)輛測(cè)速［J］.中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào)，2005(2):192-196.

［8］ 王駿飛，羅大庸.一種新的基于視頻技術(shù)的車(chē)速檢測(cè)方案［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2010(3):63-66.

［9］ 王文合，李國(guó)璋，石志勇，等.視頻測(cè)速的算法改進(jìn)及測(cè)速誤差分析［J］.自動(dòng)測(cè)量與控制，2007(1):58-60.

［10］ 關(guān)曉惠，周志敏.一種復(fù)雜背景下的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法［J］.浙江水利水電專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2010(1):38-40.

Research on Passive Measurement Method of Monitoring Target Vehicle Speed in Video

JIN Huiyun，LI Yuan，XIE Xianneng，HU Bin

0494-0911(2012)08-0047-04

P211

B

2012-05-21

公安部科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2011YYCXZJSTO45)

靳慧云(1958—)，女，遼寧沈陽(yáng)人，教授，主要研究方向?yàn)楣灿?jì)算機(jī)應(yīng)用。