CN101487702A - 基于双目视觉的交通事故现场摄影测量方法 - Google Patents

Abstract

基于双目视觉的交通事故现场摄影测量方法利用普通相机和计算机对交通事故现场进行快速非接触测量。步骤如下：(1)将设计好的内侧印有平面标靶网格的标定板放置于事故现场中；(2)用普通数码相机对带有标定板的事故现场进行拍摄，从不同的角度拍摄两张相片；(3)将拍摄好的照片导入到计算机中，通过识别标定板上平面标靶网格交点的像方坐标信息，利用最小二乘法反算出像方坐标和物方坐标的转换关系，并以此计算出图像中所测两点在空间中的相对距离。相对于一些传统的数字近景测量方法，本方法所采用的标定物简单便携，对相机和拍摄水平本身要求很低，并具有操作时间短且精度高等特点，可以广泛应用于交通事故现场的快速处理。

Description

基于双目视觉的交通事故现场摄影测量方法

技术领域

本发明所涉及的是基于摄影的交通事故现场测量领域，具体的是一种利用普通数码相机对放有标志物的交通事故现场进行拍摄并利用相应的软件对照片进行算法处理从而计算出交通事故现场各物体坐标的摄影测量方法。

背景技术

近景摄影测量的早期发展源于19世纪中叶法国人Laussedat的地面摄影测量技术，其中很多原理至今仍然在使用，其特点是非接触式测量。到了19世纪末至20世纪初期近景摄影测量被用于冰川测量和矿厂测量。1971年，Abdel-Aziz和Karara推出直线线性变换(DLT)解析方法推动了非量测相机在摄影测量中的应用。目前，大部分的近景摄影测量技术都是应用在一些大型的测绘项目上，大都需要多方向固定角度的专业拍摄来提供足够的照片来分析重建待测区域的三维坐标信息，存在着成本高，操作技术要求高，难度大，时间周期长，系统误差难以控制等缺点。

发明内容

技术问题：为了解决传统的近景摄影测量技术操作难度大，成本高，费时长等不足，同时也为了让摄影测量技术能够在应用于交通事故现场的快速处理，本发明提出一种基于双目视觉的交通事故现场摄影测量方法，该方法利用普通数码相机和便携的标定板就可以快速对交通事故现场进行三维坐标重建，具有成本低，操作简单，快速处理等特点。

技术方案：本发明基于双目视觉的交通事故现场摄影测量方法是通过以下技术方案实现的，步骤如下。

步骤一：用于作为标定物的标定板是由正方形透明有机玻璃构成的“L”形结构，其内侧表面分别印有两幅平面标靶网格，

步骤二：拍摄时将标定板放入事故现场之中，由操作人员分别对含有标定板的事故现场从不同角度拍摄两张照片，并将所要测量痕迹的位置点包含进去，

步骤三：将拍摄好的照片导入到计算机中，通过计算机交互选取需要测量的两个位置点，得到相应两个点的像方坐标，再根据由对标定板上各个关键点自动识别所确定的像方坐标和物方坐标的转换关系计算出两个点的物方坐标，从而计算得到两点之间的相对距离。

其中：

步骤一中所述的构成标定板的两块有机玻璃之间的夹角为90度，标定板内侧平面标靶网格每个正方形格子的边长为29mm，两幅平面标靶网格中深颜色格子的具体颜色分别为红色和绿色。

步骤二中所述的拍摄的两张照片，其拍摄点和标定板之间连线的夹角不当超过90度。

步骤三中的像方坐标和物方坐标的转换关系的确定方法是：标定板两幅平面标靶网格上交点坐标信息是已知的，计算机通过图像识别获得标定板上两幅平面标靶网格上交点的像坐标信息，代入求解方程中利用最小二乘法计算出相关参数，从而确定像方坐标和物方坐标的转换关系。

有益效果：本发明具有以下特点：标志物简单，方便携带；标志物在事故现场的摆放没有特别的位置要求，只要满足标定板的内侧平面标靶网格对准拍摄方向即可，可以达到对交通事故现场快速测量的目的；分析所需的拍摄照片数量少，只要两张即可模拟人的双目视觉对事故现场进行坐标转换；测量精度高，在标定板正确摆放的前提下测量误差可以控制在5％以内。

附图说明

图1：平面标靶网格示意图；

图2：标定板三维结构示意图；

图3：拍摄方式示意图。

具体实施方式

一、本发明中为了方便对交通事故现场进行测量，和有效的提高数字摄影测量的精度，将标志物设计为一种标定板，该标定板由两块相互垂直的方形透明有机玻璃组成，形状如“L”所示。在“L”型的内侧两个平面上印有7*7的平面标靶网格，两个平面上的网格颜色不同，分别为绿色和红色。标靶网格中每个方格的边长是29mm，两个平面上的平面标靶网格距离标定版两个面的交线的距离分别为30mm和40mm。该标定板所采用的有机玻璃厚度为15mm，可以保证标定板以各种角度摆放于交通事故现场中。

二、为了得到交通事故现场中的痕迹信息，需要将标定板放置于事故现场环境之中，放置时必须将标定板内侧的两个平面标靶网络对向拍照的方向，尽量放置于需要测量的痕迹附近。在对事故现场的拍摄过程中必须保持标定物的位置不动，等到需要测量下一个痕迹时方可移动。

三、对事故现场进行拍摄时，需要将相机对准事故痕迹所在区域，并确保标定板在相机取景范围之内，按照双目视觉的原理依次从不同的角度对事故现场拍摄两张图片，两个拍摄点和标定板之间连线的夹角应当小于90度。拍摄用数码相机的CCD像素应当大于或者等于300w像素。

四、将拍摄好的两张数码照片导入计算机中，由相应的软件对两张照片中的标定板进行分析。首先通过对标定板上平面标靶网络进行识别，确定像方坐标和物方坐标之间的转换关系。操作者通过计算机软件的交互分别在两张照片上选取待测同一段痕迹的两个顶点，得到四个点的像素坐标，利用所确定的坐标转换关系将像方坐标转换为物方坐标，从而计算出两点之间的空间相对距离。

该方法包括以下步骤：

步骤一：用于作为标定物的标定板是由正方形透明有机玻璃构成的“L”形结构，其内侧表面分别印有两幅平面标靶网格，

步骤二：拍摄时将标定板放入事故现场之中，由操作人员分别对含有标定板的事故现场从不同角度拍摄两张照片，并将所要测量痕迹的位置点包含进去，

步骤三：将拍摄好的照片导入到计算机中，通过计算机交互选取需要测量的两个位置点，得到相应两个点的像方坐标，再根据由对标定板上各个关键点自动识别所确定的像方坐标和物方坐标的转换关系计算出两个点的物方坐标，从而计算得到两点之间的相对距离。

其中：步骤一中所述的构成标定板的两块有机玻璃之间的夹角为90度，标定板内侧平面标靶网格每个正方形格子的边长为29mm，两幅平面标靶网格中深颜色格子的具体颜色分别为红色和绿色。步骤二中所述的拍摄的两张照片，其拍摄点和标定板之间连线的夹角不当超过90度。

步骤三中的像方坐标和物方坐标的转换关系的确定方法是：标定板两幅平面标靶网格上交点坐标信息是已知的，计算机通过图像识别获得标定板上两幅平面标靶网格上交点的像坐标信息，代入求解方程中利用最小二乘法计算出相关参数，从而确定像方坐标和物方坐标的转换关系。

本发明具体的应用过程如下。

步骤一、将图二所示的标定板放入事故现场中，并将标定板上如图一所示的平面标靶网络面对拍摄方向，按照图三所示的拍摄方式进行拍照。

步骤二、将拍摄好的照片导入至计算机中，首先利用图像识别将相片中的平面标靶网络的网格交点识别出来。再根据以下公式

$\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1/\mathrm{dx}& 0& u0\\ 0& 1/\mathrm{dy}& v0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

$Z_c\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}f& 0& 0& 0\\ 0& f& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{X}_c\\ Y_c\\ Z_c\\ 1\end{array}\right]---\left(2\right)$

$\left[\begin{array}{c}{X}_c\\ Y_c\\ Z_c\\ 1\end{array}\right]=M\·\left[\begin{array}{c}{X}_w\\ Y_w\\ Z_w\\ 1\end{array}\right]---\left(3\right)$

公式(1)中的dx为相机成像元件的物理宽度和成像像素宽度的比值，dy为相机成像元件的物理高度和成像像素高度的比值。u、v为图像中的点的像素坐标，x，y是该点在像方坐标中的实际坐标值。公式(2)中Xc、Yc、Zc为空间中一点在像方坐标中的位置，f为焦距，x、y同公式(1)所述。公式(3)中Xw、Yw、Zw为该点在物方坐标中的值，M为平移和转换矩阵。

结合公式(1)和(2)并进行演化可以得到新的公式(4)

$\left[\begin{array}{ccccccccccc}\mathrm{Xw}& \mathrm{Yw}& \mathrm{Zw}& 1& 0& 0& 0& 0& -\mathrm{uXw}& -\mathrm{uYw}& -\mathrm{uZw}\\ 0& 0& 0& 0& \mathrm{Xw}& \mathrm{Yw}& \mathrm{Zw}& 1& -\mathrm{vXw}& -\mathrm{vYw}& -\mathrm{vZw}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{PF}0\\ \·\·\·\\ \mathrm{PF}10\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}u\\ v\end{array}\right]---\left(4\right)$

公式(4)中的PF0到PF10是方程简化之后的数据，并且只和内方参数和外方参数有关。通过带入经过图像识别之后的平面标靶网格的焦点中至少六个点的u、v坐标，再根据以标定板为坐标轴的物方坐标信息，列出至少12个方程就可以利用最小二乘法解出PF0到PF10的值。

通过对公式(4)进行进一步的变化，可以得到公式(5)

$\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{PF}0-\mathrm{uPF}8& \mathrm{PF}1-\mathrm{uPF}9& \mathrm{PF}2-\mathrm{uPF}10\\ \mathrm{PF}4-\mathrm{vPF}8& \mathrm{PF}5-\mathrm{vPF}9& \mathrm{PF}6-\mathrm{vPF}10\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{Xw}\\ \mathrm{Yw}\\ \mathrm{Zw}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}u-\mathrm{PF}3\\ v-\mathrm{PF}3\end{array}\right]---\left(5\right)$

对于Xw、Yw、Zw三个未知数，只要带入在所拍摄的两张照片上的统一点的u、v坐标即可算出该点在以标定板为坐标轴的物方坐标系中的坐标值，根据两点坐标就可计算出两点在实际空间中的距离。

本发明可以有效的利用普通数码相机对事故现场进行三维重建，具有快速，准确等特点。经过试验比较，在操作正确、拍摄条件许可的情况下，本发明的测量误差只有5％左右，可以满足大部分的交通事故现场快速处理的要求。

Claims (4)

1.一种基于双目视觉的交通事故现场摄影测量方法，其特征是该方法包括以下步骤：

步骤一：用于作为标定物的标定板是由正方形透明有机玻璃构成的“L”形结构，其内侧表面分别印有两幅平面标靶网格，

步骤二：拍摄时将标定板放入事故现场之中，由操作人员分别对含有标定板的事故现场从不同角度拍摄两张照片，并将所要测量痕迹的位置点包含进去，

步骤三：将拍摄好的照片导入到计算机中，通过计算机交互选取需要测量的两个位置点，得到相应两个点的像方坐标，再根据由对标定板上各个关键点自动识别所确定的像方坐标和物方坐标的转换关系计算出两个点的物方坐标，从而计算得到两点之间的相对距离。

2.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉的数字近景测量方法，其特征是：步骤一中所述的构成标定板的两块有机玻璃之间的夹角为90度，标定板内侧平面标靶网格每个正方形格子的边长为29mm，两幅平面标靶网格中深颜色格子的具体颜色分别为红色和绿色。

3.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉的数字近景测量方法，其特征是：步骤二中所述的拍摄的两张照片，其拍摄点和标定板之间连线的夹角不当超过90度。

4.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉的数字近景测量方法，其特征是：步骤三中的像方坐标和物方坐标的转换关系的确定方法是：标定板两幅平面标靶网格上交点坐标信息是已知的，计算机通过图像识别获得标定板上两幅平面标靶网格上交点的像坐标信息，代入求解方程中利用最小二乘法计算出相关参数，从而确定像方坐标和物方坐标的转换关系。

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