何烈云

(浙江警察學(xué)院交通管理工程系， 浙江杭州 310053)

0 引言

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和各類視頻攝錄設(shè)備廣泛使用，大量的道路交通事故發(fā)生過程被監(jiān)控視頻所拍攝到，基于視頻圖像的車輛行駛速度技術(shù)鑒定，已經(jīng)成為了車速鑒定的一種主要手段。通過視頻圖像并借助一定的技術(shù)手段，可得到視頻中目標車輛的行駛速度、加速度、行駛軌跡及車輛(行人)之間的方位關(guān)系，為認定交通事故責(zé)任提供依據(jù)。視頻攝錄設(shè)備根據(jù)安裝方式不同可分為固定式和車載式兩種，當(dāng)前被廣泛使用的行車記錄儀是最為常見的車載式視頻攝錄設(shè)備?；谝曨l圖像車速測算技術(shù)中，時間和距離是兩個關(guān)鍵參數(shù)，時間可以通過視頻幀間差方法獲取，視頻測速研究重點是如何精確測算與目標車輛距離。目前常用測距方法：道路環(huán)境參照物法、目標車輛參照物法、虛擬參照物法、網(wǎng)格法及模擬實驗法[1-3]。這些方法均適用于固定式視頻圖像的測距。利用車載式視頻攝錄設(shè)備觀測處于行駛狀態(tài)的車輛速度時，由于目標車輛位置和背景均處于不斷變化過程中，因此，相對于固定式視頻攝錄設(shè)備車速測算難度更大。文獻[4]提出了基于攝像機內(nèi)部參數(shù)與幾何模型的測距方法，在忽略鏡頭畸變的前提下，利用透鏡成像原理和幾何模型推導(dǎo)距離關(guān)系模型。文獻[5]提出逆投影變換的測距方法，假設(shè)同一臺攝錄設(shè)備焦距不變時，得出車寬與距離之間的關(guān)系模型。文獻[6]利用非線性回歸建立一個數(shù)學(xué)模型，并經(jīng)過定量地評價擬合測量兩車間距。文獻[7] 提出了基于俯仰角動態(tài)補償機制的單目視覺測距方法，通過對俯仰角進行動態(tài)的補償提高測距精度。

上述文獻提到的測距方法是將攝錄設(shè)備成像滿足理想小孔成像，在焦距不發(fā)生變化的情況下，且已知俯仰角大小及變化的情況，然后根據(jù)幾何關(guān)系測量車輛距離。但是車載式視頻攝錄設(shè)備在拍攝過程中不管是焦距還是俯仰角都是不斷發(fā)生變化的，所以這些方法在實踐應(yīng)用是存在一定的局限性。本文提出了一種將動態(tài)畫面轉(zhuǎn)換成靜態(tài)圖片，并利用直接線性變換法(Direct linear transformation，DLT)實現(xiàn)測距。DLT法可以建立三維F(X，Y，Z)道路場景和二維f(x′，y′)數(shù)字圖像場景的映射關(guān)系，由于車輛一般只是在道路平面即二維空間內(nèi)運動，用交通事故行駛速度鑒定的二維直接線性變換法的映射關(guān)系滿足方程[8-10]：

通過像平面坐標系維f(x′，y′)求出路面坐標系F(X，Y，Z)，精確得到目標車輛的具體方位，l1～l8是攝像機8個特征性標定參數(shù)。直接線性變換法不僅適用于固定式視頻圖像車速的計算，同樣也適用于車載式視頻圖像車速測算。

1 直接線性變換法車載式視頻圖像車速計算原理

選取視頻圖像中若干關(guān)鍵幀進行分析，利用直接線性變法得到目標車輛的行駛距離，觀測行駛距離和所用的圖像幀數(shù)，進一步計算出目標車輛的行駛速度。根據(jù)確定目標車輛的定位法的原理不同，可以分為“絕對速度法”和“相對速度法”兩種。

1.1 絕對速度法

絕對速度法是指以目標車輛車身某一特征點，相對于道路環(huán)境某固定參考點的距離改變量及所用的時間，直接計算目標車輛的行駛速度。絕對速度法主要用于低速行駛，且路面上有合適的參照物可供選取的情形。如圖1所示，將目標車輛簡稱為甲車，安裝有車載式視頻攝錄設(shè)備的車輛簡稱為乙車，取甲車車身特征點Q點、路面參照物P點。

圖1 絕對速度法路面坐標系

根據(jù)在第m幀和第n幀P點、Q點的路面坐標值，求出目標車輛的實際行駛距離。設(shè)視頻圖像的幀率為f，則目標車輛的行駛速度為：

①

1.2 相對速度法

相對速度法是以安裝有車載式視頻攝錄設(shè)備的車輛行駛速度，間接求出目標車輛的行駛速度。相對速度法主要用于車輛高速行駛，且路面上沒有合適的參照物選取的情形。如圖2所示，取甲車身特征點Q為一個參考點，選取視頻圖像的某觀察視角方向，確定該視角與乙車的交點在路面的投影點P，作為另一個參考點。

圖2 相對速度法路面坐標系

由在第m幀和第n幀P點、Q點的路面坐標值，求出甲車和乙車的距離變化量ΔS，由ΔS得到兩車的速度差值Δv：

②

因此目標車輛(甲車)的行駛速度為：

v甲=v乙+Δv

③

2 直接線性變換法車載式視頻圖像車速計算步驟

運用直接線性變換法，通過車載式視頻記錄儀得到移動車輛速度，可以分為觀測視頻圖像的幀率、觀測目標車輛的行駛距離、計算目標車輛的行駛速度3個步驟。

2.1 觀測視頻圖像的幀率f

確定視頻圖像幀率常用方法的有逐幀播放法和直接獲取法兩種。逐幀播放法是利用播放器的逐幀播放功能，觀測視頻顯示時間從某秒開始至該秒結(jié)束，這一秒鐘內(nèi)視頻共包含的圖像幀數(shù)。直接獲取法是通過播放軟件的視頻圖像文件屬性分析功能，直接獲取視頻文件幀率，這種方法較適用于幀率穩(wěn)定的視頻圖像。

在實踐中發(fā)現(xiàn)，車載式視頻相對于固定式視頻，受到外界環(huán)境干擾和攝錄設(shè)備質(zhì)量等因素影響，極易出現(xiàn)“丟幀”現(xiàn)象[11]。幀率不穩(wěn)定主要存在以下兩種情形：一是視頻攝錄設(shè)備在信號傳輸存儲不穩(wěn)定，造成視頻顯示時間不準，這種情形可以通過具有時間較準功能的播放器進行校準，以校準時間作為計時依據(jù)；二是視頻攝錄設(shè)備在壓縮編碼存在“丟幀”現(xiàn)象，這種情形畫面播放不連續(xù)，引起幀率不穩(wěn)定。車載式視頻圖像“丟幀”處理難度較大，若“丟幀”不嚴重，可以結(jié)合目標車輛行駛距離跳躍大小判斷丟幀數(shù)量。

2.2 觀測目標車輛的行駛距離

采用絕對速度法給目標車輛定位時，分析截取的兩個關(guān)鍵幀畫面，至少在路面上找到4個已知相互間距的參考點作為攝像機參數(shù)標定點，根據(jù)標定點的像平面坐標和路面坐標，利用直接線性變換方程分別得出兩個關(guān)鍵幀畫面的像機標定參數(shù)值。由甲車身特征點、路面參照物點在兩個關(guān)鍵幀的像平面坐標值，運用直接線性變換方程進一步求出對應(yīng)的路面坐標值。

采用相對速度法定位目標車輛時，首先要測算出安裝有車載式視頻攝錄設(shè)備車輛的行駛速度，關(guān)于該行駛速度計算方法本文不作介紹，讀者可以參閱《基于視頻圖像的車輛行駛速度技術(shù)鑒定》(GA/T 1133—2014)附錄C相關(guān)內(nèi)容。兩車的車身特征點在不同關(guān)鍵幀所對應(yīng)的路面坐標值測算方法，與之前絕對速度法中甲車身特征點、路面參照物點測算類似，不作重復(fù)。

2.3 計算目標車輛的行駛速度

根據(jù)所采用的目標車輛定位法，分別代入到公式①或公式②、③后求出目標車輛的行駛速度。

3 直接線性變換法車載式視頻圖像車速計算案例

3.1 絕對速度法案例

案情摘要：某日08時41分許，戎某駕駛小型轎車沿**市**區(qū)高速接線由北向南行駛時，與同方向行駛的吳某駕駛的二輪電動車發(fā)生碰撞的道路交通事故，造成吳某及二輪電動車后面乘客陳某受傷、兩車受損的道路交通事故，整個事故發(fā)生過程由小型轎車行車記錄所拍攝到。為了準確認定交通事故責(zé)任，交警部門要求鑒定事故中兩車的行駛速度。

本案例采用《基于視頻圖像的車輛行駛速度技術(shù)鑒定》(GA/T 1133—2014)附錄C所提供的方法，可以計算出小型轎車的行駛速度，但無法精確計算出二輪電動車速度，需要采用直接線性變換法給二輪電動車準確定位。具體計算過程如下：

(1)觀測視頻圖像幀率：經(jīng)對該車載式視頻圖像進行檢查，視頻畫面播放流暢，具有25幀/秒的穩(wěn)定幀率。

圖3 絕對速度法參考點路面坐標系

(2)觀測目標車輛的行駛距離。選取視頻顯示時間分別為“00:09:13”第22幀、“00:09:14”第5幀兩個關(guān)鍵幀。如圖3所示，在視頻顯示時間為“2017/06/01 00:09:13”第22幀：在道路分界線上選取A、B、C、D 4個標定點，以A點為原點、AD連線為X坐標軸、AB連線為Y坐標軸，建立地面直角坐標系。根據(jù)道路分界線尺寸及車道寬度，可得到A、B、C、D 4個標定點地面坐標值(X，Y)所對應(yīng)的像平面坐標值(x′ , y′)，代入直接線性變換方程，計算出視頻處于該幀時行車記錄儀像機標定參數(shù)值。選取參考點M和參考點N，N點為目標車輛后輪與地面的接觸點，M點則位于DC連線延長線上，且MN與DC相互垂直。根據(jù)N點和M點像平面坐標值，求出對應(yīng)的路面坐標值。用同樣方法，進一步求出在視頻顯示時間為“00:09:13”第22幀時參考點P點和參考點Q的路面坐標值，如表1所示。

表1 絕對速度法參考點坐標值

圖3中點C與點G實為同一條道路分界線的同一點，根據(jù)C、G、M、N、P、Q6個參考點的地面坐標值，利用平面上兩點距離計算方法，可以得到：PQ、MN、PM的長度。由幾何關(guān)系，進一步可計算得到被鑒定車輛后輪先后通過N點和Q點的行駛距離為1.78～2.26 m之間。

(3)計算二輪電動車行駛速度：視頻圖像中，二輪電動車后輪從N點行駛Q點的所用圖像幀數(shù)為8幀，可計算出二輪電動車通過參考點N和參考點Q的行駛速度為20.2～25.4 km/h。

3.2 相對速度法案例

案情摘要：某日08時23分許，陳某駕駛小型越野客車沿某一級公路由北向南行駛至一村道路口處時，與鄭某騎行的二輪電動車發(fā)生碰撞，導(dǎo)致鄭某受傷及兩車受損的道路交通事故，事故發(fā)生整個過程由被小型越野客車后方轎車上的行車記錄儀拍攝到。事故中小型越野客車有超速嫌疑，交警部門要求對該車行駛速度進行鑒定。本案例中由于小型越野客車距離安裝行車記錄儀轎車較遠且行駛速度快，不能用傳統(tǒng)的視頻圖像車速計算方法，用絕對速度法計算小型越野客車的行駛速度難度也較大，故可以采用相對速度法計算小型越野客車的行駛速度。具體過程如下：

(1)觀測視頻圖像幀率：對該車載式視頻圖像進行分析，視頻畫面播放流暢，具有30幀/秒的穩(wěn)定幀率。

(2)觀測安裝行車記錄儀轎車行駛速度：根據(jù)《基于視頻圖像的車輛行駛速度技術(shù)鑒定》(GA/T 1133—2014)附錄C提供的方法，可以測算出轎車的行駛速度約為85.3～86.8 km/h。

圖4 相對速度法參考點路面坐標系

(3)觀測小型越野客車與轎車的距離變化情況：截取視頻圖像顯示時間為“08:27:11”第1幀、“08:27:12”第28幀作為兩個關(guān)鍵幀，兩個關(guān)鍵幀共相差57幀，如圖4所示。

在兩關(guān)鍵幀路面上各選取4個標定點，根據(jù)標定點像平面坐標和路面坐標，運用直接線性變換法對攝像頭參數(shù)進行標定。分別選取小型越野客車的車尾在地面投影線的中點(圖中P/P′)、某觀測視角與轎車的交點在路面的投影點(圖中Q/Q′)為參考點，根據(jù)參考點的像平面坐標，運用直接線性變換法求出參考點的路面坐標系值，結(jié)果如表2所示。

(4)計算小型越野客車行駛速度：由表2參考點坐標值可知，在57幀時間內(nèi)小型越野客車和轎車的間距增加了約1.7 m，因此根據(jù)相對速度的關(guān)系，可以求出小型越野客車的行駛速度為88.5～90.0 km/h。

表2 相對速度法參考點坐標值

4 結(jié)束語

直接線性變換法是視頻圖像車輛行駛速度鑒定中車輛定位的一種有效方法，常被用于固定式視頻圖像的車速度測算中。然而通過對車載式視頻圖像多個關(guān)鍵幀分析，多次運用直接線性變換法觀測行駛車輛的行駛距離，實現(xiàn)對車載式視頻圖像中行駛車輛的速度測算，進一步拓寬了車載式視頻圖像在車輛行駛速度鑒定中的應(yīng)用范圍和使用價值。在實踐操作中，為了提高車輛速度鑒定結(jié)果的精度，需要注意以下4個環(huán)節(jié)：

(1)截取的關(guān)鍵幀畫面要能夠清楚顯示目標車輛的行駛軌跡和路面上的標定點，盡可能選取安裝有車載式視頻攝錄設(shè)備的車輛和目標車輛距離接近的關(guān)鍵幀畫面，減少因標定點、參考點像平面坐標值精度不高而引起的計算結(jié)果誤差。

(2)選取的攝像機參數(shù)標定點的連線，盡可能相互垂直或平行，這樣可以因減少標定點的路面坐標精度不高引的誤差，比如選取道路上的人行橫道路線、道路分界線等標線上的點作為標定點。

(3)在視頻圖像車速鑒定中，采用的是二維直接線性變換，這就要求標定點、參考點要在同一個道路平面上，否則車速測算結(jié)果誤差會比較大。比如選取路面投影點、車輪與路面的接觸點等作為參考點或特征點。

(4)目標車輛行駛速度取值宜取閥值，充分考慮因直接線性變換過程因計算方法、標定點、參考點坐標數(shù)度等引起的速度計算誤差，提高車速計算結(jié)論的準確性。比如，在給較遠的車輛特征點標定像平面坐標時，難以精確得到像平面坐標值，可以將坐標值設(shè)為一個區(qū)間，根據(jù)線性關(guān)系，得到的路面坐標值也是相對應(yīng)閥值，目標車輛行駛速度最終計算結(jié)果是一個閥值。

實踐表明，只要處理好以上4個環(huán)節(jié)中注意事項，車速測算結(jié)果符合事故車輛車速鑒定精度要求。此外，將直接線性變換法運用到車載式視頻圖像，還可以判斷出視頻中車輛與車輛之間的方位關(guān)系，為交通事故責(zé)任認定提供幫助。