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)場勘查對特征數(shù)據(jù)采集和重建分析鑒定至關重要。筆者設計構(gòu)建了一套基于雙目立體視覺原理的便攜式交通事故現(xiàn)場快速勘查系統(tǒng)，通過對普通定焦數(shù)碼相機進行預標定的方式實現(xiàn)交通事故現(xiàn)場無標尺勘查取證，現(xiàn)場處理數(shù)據(jù)輸出現(xiàn)場圖，測量誤差小于1%。系統(tǒng)勘測數(shù)據(jù)為目標點的三維坐標，可直接用于事故現(xiàn)場的三維重建。該系統(tǒng)工作耗時短，可緩解現(xiàn)場勘查引起的交通擁堵，可實現(xiàn)補測、勘誤等二次處理，適用于重特大交通事故現(xiàn)場的勘查取證工作。

無標尺；雙目立體視覺；參數(shù)標定；交通事故現(xiàn)場

一、引 言

道路交通事故關系到廣大人民群眾的生命財產(chǎn)安全，在全世界范圍內(nèi)受到廣泛關注。交通事故現(xiàn)場勘查作為事故調(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性；另一方面，現(xiàn)場勘查作業(yè)效率決定了現(xiàn)場封鎖時間，進而影響著交通擁堵的可能性和嚴重程度。

筆者設計并構(gòu)建了一種基于雙目立體視覺原理的便攜式無標尺交通事故現(xiàn)場快速勘查系統(tǒng)，采用分步預標定雙目普通定焦數(shù)碼相機內(nèi)外部參數(shù)的方式，無須對交通事故現(xiàn)場進行預處理(擺放標志物或標定物等)，即可實現(xiàn)通過雙目圖像同步采集獲取現(xiàn)場目標點三維坐標數(shù)據(jù)的勘查取證作業(yè)，并通過配套開發(fā)的現(xiàn)場圖繪制軟件輸出符合國標的交通事故現(xiàn)場圖[1]。

二、需求分析與結(jié)構(gòu)設計

1.交通事故現(xiàn)場快速勘查需求特性分析

交通事故現(xiàn)場勘查取證的核心需求是準確高效、輕便簡易，要求勘查設備在有限的時間內(nèi)全面客觀準確地采集現(xiàn)場包括人、車、路等事故相關元素的位置、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)驗評判勘查元素，勘查結(jié)果因人不同差異性明顯，且一般不可補測或勘誤。邊勘邊測邊記錄的作業(yè)模式耗時較長，勘查人員勞動強度大，易引發(fā)和加劇由于封鎖現(xiàn)場導致的交通擁堵。

基于雙目立體視覺原理的事故現(xiàn)場勘查是將圖像的灰度信號通過耦合裝置(CCD)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，應用圖像處理、模式識別、人工智能及計算機視覺等方法獲取目標元素的世界坐標[2]?？辈楣ぞ叩脑O計原則應包括勘測精度高、作業(yè)速度快、操作簡易攜帶方便等特性。

2.便攜式交通事故現(xiàn)場勘查設備結(jié)構(gòu)設計

便攜式交通事故現(xiàn)場快速勘查系統(tǒng)(以下簡稱勘查系統(tǒng))包括現(xiàn)場勘查設備和配套的現(xiàn)場圖繪制軟件兩部分。現(xiàn)場勘查設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)場圖繪制軟件能夠調(diào)用雙目現(xiàn)場勘查圖像攝影測量的世界坐標數(shù)據(jù)，用以標注現(xiàn)場圖元素的尺寸和位置信息?，F(xiàn)場勘查設備的圖像采集模塊為兩部非量測定焦數(shù)碼相機(RICOH GRD III)，相距約80 cm(即基線長度)，通過外接快門線和顯示屏實現(xiàn)雙目拍攝的一鍵式同步觸發(fā)和勘查視野的集中顯示，集成安裝平臺和獨腳支架用于支撐、轉(zhuǎn)移等輔助功能。圖1為現(xiàn)場勘查設備工業(yè)樣機的實物外觀。

圖1 現(xiàn)場勘查設備工業(yè)樣機實物外觀

現(xiàn)場勘查設備整備質(zhì)量(含獨腳支架)為2.2 kg，抵達事故現(xiàn)場后只需連接獨腳支架、觸發(fā)外置快門即可啟動設備，采集雙目勘查圖像。由于采用了參數(shù)預標定的技術路線[3]，無須對事故現(xiàn)場進行預處理(如擺放標志物或標定物等)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還降低了現(xiàn)場勘查的勞動強度。

3.現(xiàn)場勘查與圖像處理工作流程

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

圖2 便攜式交通事故現(xiàn)場快速勘查系統(tǒng)工作流程

三、參數(shù)預標定

無標尺現(xiàn)場攝影勘查的技術原理是雙目數(shù)碼相機的參數(shù)預標定，具體分為內(nèi)部參數(shù)標定和外部參數(shù)標定兩部分，又稱為“分步標定”[6]。內(nèi)部參數(shù)標定每部相機彼此獨立，外部參數(shù)標定則需要雙目相機安裝位置固定后進行，且標定完成后兩部相機之間的相對位置不能發(fā)生改變。

1.內(nèi)部參數(shù)標定

相機的內(nèi)部參數(shù)標定采用2D棋盤格式標定板，9行13列，共117個標定點，如圖3所示。

圖3 2D棋盤格式標定板

使用拓普康GTS332S全站儀測量117個標定點的世界坐標，作為內(nèi)部參數(shù)標定的參考數(shù)據(jù)。使用待標定相機拍攝標定板圖像，通過標定程序累積標定結(jié)果，一般在圖像超過40幅標定結(jié)果收斂性良好時認為內(nèi)部參數(shù)標定可靠。圖4為相機內(nèi)部參數(shù)的標定結(jié)果。

圖4 相機內(nèi)部參數(shù)標定結(jié)果

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

2.外部參數(shù)標定

相機的外部參數(shù)標定是在雙目相機安裝完畢、相對位置固定的情況下進行的，且標定后兩部相機之間的相對位置不能發(fā)生改變。設計構(gòu)建3D散點式標定場，共30個標定點，如圖5所示。

圖5 3D散點式標定場

使用拓普康GTS332S全站儀測量30個標定點的世界坐標，作為外部參數(shù)標定的參考數(shù)據(jù)。使用集成固定的勘查設備拍攝標定場圖像，通過標定程序標定外部參數(shù)并作歸一化處理，表1為勘查設備外部參數(shù)標定結(jié)果。

表1 勘查設備外部參數(shù)標定結(jié)果

表1中外部參數(shù)經(jīng)過歸一化處理后，相當于以左目相機為基準給出右目相機的相對位置[8]，具體的，由右目相機外部參數(shù)的最后一行(平移向量)可見，兩部相機的相對距離約為800 mm，與設計制作的基線長度相符。

3.測量精度驗證

設計構(gòu)建試測目標，如圖6所示。

圖6 勘查設備試測目標

使用勘查設備拍攝鋼板尺和3個直立目標點A、B、D，預先測量目標尺寸信息，與攝影測量結(jié)果相對照，計算不同視距和不同方向目標的測量精度(見表2)。

表2 勘查設備試測試驗結(jié)果

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

四、模擬現(xiàn)場勘查取證

設計構(gòu)建模擬交通事故現(xiàn)場，分別使用勘查系統(tǒng)和傳統(tǒng)工具進行勘查取證，具體內(nèi)容見表3。

表3 模擬現(xiàn)場勘查實驗設計

試驗結(jié)果表明見表4，勘查系統(tǒng)在現(xiàn)場勘查取證環(huán)節(jié)的工作效率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)工具，現(xiàn)場圖繪制用時與傳統(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、攝影測量精度的可控性和標準化、勘查系統(tǒng)可實現(xiàn)事后勘誤和補測等功能，可見攝影測量技術在交通事故現(xiàn)場勘查工作中的實用性和優(yōu)越性。

表4 模擬勘查對比實驗結(jié)果

五、結(jié)束語

基于雙目立體視覺原理的近景攝影測量技術，設計構(gòu)建便攜式交通事故現(xiàn)場快速勘查系統(tǒng)，采用參數(shù)預標定的技術路線，可實現(xiàn)交通事故現(xiàn)場無標尺快速勘查取證功能。無須對事故現(xiàn)場進行預處理(擺放標志物或標定物等)，僅需一人即可完成全部勘查流程，勞動強度低，封閉現(xiàn)場用時短，可有效緩解交通事故現(xiàn)場勘查引發(fā)的交通堵塞。攝影測量精度較高，且人為差異性小，可根據(jù)雙目勘查圖像事后對勘查結(jié)果進行勘誤或補測，圖像資料客觀真實，可信度高、還原性好，對于重特大交通事故勘查取證和再現(xiàn)分析意義重大。

本文依托國家科技支撐計劃(2009BAG13A07)，首批工業(yè)樣機已投入山東、廣東等地區(qū)的公安交通管理部門示范應用。從應用反饋來看，現(xiàn)場勘查設備對氣候、光線、環(huán)境場景的適應性仍需進一步完善，攝影測量和現(xiàn)場圖繪制軟件的界面友好性不夠理想，持續(xù)改進系統(tǒng)的魯棒性和簡易性是近期工作的改進方向。

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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

國家科技支撐計劃(2009BAG13A07)

劉文超(1984—)，男，遼寧鞍山人，碩士，助理研究員，研究方向為道路交通安全。

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

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0241