CN101556152A - 交通事故现场图像数据信息采集及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字图像处理技术领域的一种交通事故现场图像数据信息采集及处理方法。通过使用固定机构调节四个激光测距仪的角度，在路面上形成围绕事故现场特征的四边形激光标靶。用相机拍下带激光标靶的事故现场照片，记录激光标靶相对于激光测距仪的距离、拍摄角度等事故现场几何信息。根据简化的直接线性变换方法，以图像中的激光标靶为标定物建立像空间与物方空间坐标的转换关系；根据该转换关系及一定的误差阈值对图像中所有像素做图像变换，得到事故现场的正投影图像。最后根据像素长度与实际几何长度之间的换算关系，得出与事故现场实际尺寸一致的事故现场图。本发明主要应用于重大交通事故中，可以满足交通事故现场快速勘察的应用要求。

Description

交通事故现场图像数据信息采集及处理方法

技术领域

本发明涉及的是一种数字图像处理技术领域的方法，特别是一种交通事故现场图像数据信息采集及处理方法。

背景技术

为了提高交通事故鉴定的准确率，需要仔细勘查事故现场的车辆停止位置、轮胎压印与拖痕、道路擦痕、油迹、碎片和道路外的压痕等有用信息。传统交通事故现场勘查工作是靠人眼判断、手摸、皮尺量、手工绘图来完成的，这种测量方法精度不高，占道时间长，而且容易遗漏信息，不能给事故分析人员提供足够的信息。随着交通变得越来越繁忙，需要快速、准确地测量交通事故现场。

经对现有技术文献的检索发现，中国专利申请号：200710039376.3，公开号：CN101033966A，专利名称：交通事故现场的摄影测量方法。该技术涉及一种交通事故现场的摄影测量方法，该方法首先通过围绕着要拍摄的事故现场区域将四个同样的标定物的坐标原点作为顶点组成矩形，形成一个标定系统；然后按照顺时针方向围绕着该坐标系统拍摄一组二维照片，实现对交通事故现场进行摄影测量的标定；最后将拍摄到的像片导入计算机，人工选取需要测量的点，得到其像空间坐标值，求得待测量点的物方空间坐标，将得到的实际空间坐标值，通过几何计算得到绘制交通事故现场图所需的信息；从而实现对交通事故现场进行测量。但是由于布置标定系统时要保持标志物之间的相对位置和角度布置时间较长，再加上需要拍摄多张照片并且对每张照片手工标定，这就会导致误差较大、效率较低，另一方面由于采用的标定物的结构较为复杂，必须采用完全的DLT(直接线性变换)方法计算三维空间的坐标，而实际交通现场图绘制中一般只需给出二维正投影图，这样就需要较大的运算量，用于进行图像处理的时间较长，不符合当前对快速处理交通事故现场的需要。

目前采用摄影测量方法进行交通事故勘察时，主要是在现场安置六个以上的标定点(已知实际空间位置的参考点)进行标定，可以大大缩短交通事故现场勘察的时间，但是为了合理安排标定点、测量它们的实际空间位置坐标、多张照片拍摄及复杂的拟合算法以及复杂的标定物导致的较大的图像处理运算量，为此将占用很长的时间，同时降低了摄影测量在实际现场运用中的测量精度，仍不能满足当前交通事故快速处理的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种交通事故现场图像数据信息采集及处理方法，通过对交通事故现场进行快速的标定拍摄、对图像数据、信息进行准确处理和提取，以满足交通事故现场快速处理的实际需要。

本发明通过以下技术方案实现，包括如下步骤：

第一步：首先根据现场情况选择合适的拍摄点，并在拍摄点处固定好拍摄三脚架；将固定机构的机座通过四个螺栓固定在拍摄三脚架上；

所述的固定机构通过以下步骤搭建：

步骤一：将数码相机固定固定机座前部的空腔内，四个激光测距仪固定在四个激光测距仪夹具盒套内，盒套前部用旋转铰链与固定机座固定，四个夹具盒套按照圆周阵列的方式对称布置在数码相机镜头的四周。

步骤二：将夹具盒套中后部固定在以数码相机镜头的光轴为中心轴线并且可以沿该轴线前后移动的滑动支架上。移动该滑动支架可以使四个激光测距仪发生联动，使它们同时相对于各自前部的旋转铰链改变各自轴向的方位，同时保持各自后部沿对应轴向(发射激光的方向)的反向延长线汇聚于数码相机镜头光轴的延长线上。

步骤三：将滑动支架套在转动盘的外部，转动盘与固定机座的圆形腔以螺纹相咬合，通过旋转转动盘的把手可以使转动盘带动滑动支架沿固定机座的圆形腔的中心轴线自由运动。

第二步：对交通事故现场进行数据采集，调节四个激光测距仪的角度，使它们在路面上形成的激光标靶恰好呈围绕住事故现场特征的四边形。固定好拍摄相机的倾斜角度，用数码相机拍摄下带有激光标靶的事故现场照片，同时记录下激光标靶相对于激光测距仪的距离、拍摄相机的倾斜角度、通过带有铅垂角度器的激光测距仪记录下拍摄点垂直高度以及路面倾斜度。

第三步：以图像中的激光标靶作为标定物，根据记录下的激光标靶相对于激光测距仪的距离、相机拍摄位置、拍摄角度以及路面倾斜度计算出标定物在交通事故现场中的实际相对尺寸。

第四步：根据简化的DLT(直接线性变换)方法建立像空间与物方空间坐标的转换关系；根据该转换关系以及一定的误差阀值对图像中的所有像素进行图像变换，得到事故现场的正投影图像。同时根据像素长度与实际几何长度之间的比例换算关系，实时计算出事故现场照片中任意两点的实际距离。

第五步：将处理后带有尺寸参数的图像数据转换为矢量图形格式，并导入到Auto CAD软件中，最后将得到的矢量图形作为背景，勾勒出事故现场图。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：对事故现场进行图像数据采集时，无须采用任何标定物，在对图像数据进行处理时，无须复杂的误差修正，可达到亚像素精度，有效的提高了交通事故现场勘察的效率，提高了事故现场测量的数据精度，可以满足交通事故快速处理的实际需要。另一方面，本发明应用了简化DLT(直接线性变换)方法，在保证计算准确度和精度的同时大大缩短运算时间。因此采用本发明进行交通事故处理以后，可以有效减少交通事故现场处理的时间，减少因为事故造成交通堵塞带来的经济损失。

附图说明

图1交通事故现场数据采集示意图；

图2a为本发明实施例中事故现场拍摄到带有激光标靶的照片；

图2b为本发明实施例中数据处理后的事故现场正投影图；

图2c为本发明实施例中最终生成的CAD事故现场图；

图3物方空间坐标系与像坐标系之间的坐标变换原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例试用于某地交通事故现场测量当中，包括如下具体步骤：

第一步：首先根据现场情况选择合适的拍摄点，并在拍摄点处固定好拍摄三脚架；将固定机构的机座通过四个螺栓固定在拍摄三脚架上；

所述的固定机构通过以下步骤搭建：

步骤一：将数码相机固定在固定机座前部的空腔内，四个激光测距仪固定在四个激光测距仪夹具盒套内，盒套前部用旋转铰链与固定机座固定，四个夹具盒套按照圆周阵列的方式对称布置在数码相机镜头的四周。

步骤二：将夹具盒套中后部固定在以数码相机镜头的光轴为中心轴线并且可以沿该轴线前后移动的滑动支架上。移动该滑动支架可以使四个激光测距仪发生联动，使它们同时相对于各自前部的旋转铰链改变各自轴向的方位，同时保持各自后部沿对应轴向(发射激光的方向)的反向延长线汇聚于数码相机镜头光轴的延长线上。

步骤三：将滑动支架套在转动盘的外部，转动盘与固定机座的圆形腔以螺纹相咬合，通过旋转转动盘的把手可以使转动盘带动滑动支架沿固定机座的圆形腔的中心轴线自由运动。

整个固定机构对称布置且固定机座的轴线与数码相机的光轴共线，简化了后续的图像处理公式。

第二步：对交通事故现场进行数据采集，如图1所示，根据数码相机液晶屏幕上的预览效果选择合适的相机拍摄角度并固定，为了确保信息提取得准确度和精度采用1010万像素、最大分辨率为3888×2592的佳能EOS 1D Mark III数码相机拍摄，记录下数码相机的倾斜角度；调节四个激光测距仪的角度，使它们在路面上形成的激光标靶恰好呈围绕住事故现场特征的四边形。用数码相机拍摄下带有激光标靶的事故现场照片，同时记录下激光标靶相对于激光测距仪的距离、通过带有铅垂角度器的激光测距仪记录下拍摄点垂直高度以及路面倾斜度。

如图4a所示；四个激光测距仪同时发射激光脉冲，被选定的事故现场目标反射该信号，反射回的信号被激光测距仪捕获，激光测距仪记录发射脉冲与接受脉冲的时间差并计算出激光标靶相对于拍摄点处的激光测距仪的距离。

第三步：以图像中的激光标靶作为标定物，根据记录下的激光标靶相对于激光测距仪的距离、相机拍摄位置、拍摄角度以及路面倾斜度计算出标定物在交通事故现场中的实际相对尺寸即标定物的物方空间坐标；。

第四步：根据简化的DLT(直接线性变换)方法建立像空间与物方空间坐标的转换关系；根据该转换关系以及一定的误差阀值对图像中的所有像素进行图像变换，得到事故现场的正投影图像。同时根据像素长度与实际几何长度之间的比例换算关系，实时计算出事故现场照片中任意两点的实际距离。

其中得到事故现场正投影图像的过程为：首先，将标定物的物方空间坐标与事故现场照片中的激光标靶图像的像空间坐标进行匹配，根据简化的DLT(直接线性变换)方法及如图3所示的线性关系建立像空间与物方空间坐标的转换关系，完成图像的标定工作；其中：像空间坐标与实际物方空间坐标的直接线性变换关系式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{I}^{\′}+\frac{l_{1}X+l_{2}Y+l_{3}Z+l_4}{l_{9}X+l_{10}Y+l_{11}Z+1}=0\\ J^{\′}+\frac{l_{5}X+l_{6}Y+l_{7}Z+l_8}{l_{9}X+l_{10}Y+l_{11}Z+1}=0\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，I′＝I-I₀，J′＝J-J₀，I，J是像空间坐标，I₀，J₀是主点在像空间的坐标值，l₁至l₁₁是直接线性变换系数(DLTP)，他们是相机的内方位元素和外方位元素的函数，X，Y，Z是与照片中激光标靶相对应并且以照相机拍摄点位置为坐标原点的实际物方坐标。由于计算中不需要内方位元素，也不需要外方位元素的初始值，因此它已经成为采用普通数码相机进行摄影测量最基本的公式。

将式(1)变形为参数方程可以转换为式(2)：

$\left\{\begin{array}{c}-\frac{1}{A}[(l_1+l_9{I}^{\′})X+(l_2+l_{10}{I}^{\′})Y+(l_3+l_{11}{I}^{\′})Z+(I_4+I^{\′})]=v_{i^{\′}}\\ -\frac{1}{A}[(l_5+l_9{J}^{\′})X+(l_6+l_{10}{J}^{\′})Y+(l_7+l_{11}{J}^{\′})Z+(I_8+J^{\′})]=v_{j^{\′}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中：A＝l₉X+l₁₀Y+l₁₁Z+1为目标函数；实际空间点的三维坐标X，Y，Z，是通过所有测量得到的几何尺寸，可以直接计算出，因此可视为常数；v_i′和v_j′分别为迭代算法的误差余项；根据迭代极限收敛定理，当A的值的差分量收敛于零时，v_i′和v_j′也应收敛于零，同时11个系数l_l收敛到真实值，因此可通过最小二乘法进行迭代求解式(2)，其具体过程如下：

为了有利于快速收敛，取A＝1，同时假设一组较小的v_i′和v_j′，将已经得到的四个激光标靶的实际物方坐标值代入(2)得到一组方程，解该组方程计算出第一组11个系数的近似值，将该组近似值代入目标函数计算A值，然后再代回(2)计算出在该组11个系数近似值下的误差余项v_i′和v_j′完成一次循环。如上述反复迭代至A的值的差分量小于给定的限差，此时得到的11个系数l_l的近似值于真实参数非常接近。

通过简化的DLT(直接线性变换)方法得到最终同一性映射关系H的过程如下：

如图3，将像空间坐标设为x( $x=\left(\begin{array}{c}{I}^{\′}\\ J^{\′}\\ 1\end{array}\right)$ )，并将与之对应的路面上物体的物方空间坐标的标准化形式设为X( $X=\left(\begin{array}{c}{X}^{\′}\\ Y^{\′}\\ 1\end{array}\right)$ )，将已经计算出的迭代收敛极限的近似值l′_l作为11个摄影测量系数l_l的真实值，计算由像空间向物方空间坐标进行映射的同一性矩阵H；对照图3中的线形变换x＝HX和公式(2)可以得出，(2)中建立起的是照片中激光标靶的二维像素点与路面上的激光标靶位置三维坐标的关系，而实际需要的只是照片中激光标靶的二维像素点与正投影图像二维像素点之间的线形变换关系，因此可以进行简化。

具体简化过程如下：通过线形变换M使得(2)中的坐标满足线形变换关系：

$\left(\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right)=M\left(\begin{array}{c}{X}^{\′}\\ Y^{\′}\\ 1\end{array}\right)---\left(3\right)$

公式(3)为投影平面坐标转换公式，其中X′、Y′为激光标靶在正投影图像中像素的坐标，M为线形变换矩阵，可以通过向量的规范化方法得到。把(3)代入(2)的矩阵形式得到关系式(4)：

$\left(\begin{array}{c}{I}^{\′}\\ J^{\′}\\ 1\end{array}\right)=-\left(\begin{array}{ccc}(l_1+l_9{I}^{\′})& (l_2+l_{10}{I}^{\′})& (l_3+l_{11}{I}^{\′})\\ (l_5+l_9{J}^{\′})& (l_6+l_{10}{J}^{\′})& (l_7+l_{11}{J}^{\′})\\ (I_6-l_{10}{I}^{\′})& (I_6-l_{10}{J}^{\′})& (I_8-l_{11}{I}^{\′})\end{array}\right)M\left(\begin{array}{c}{X}^{\′}\\ Y^{\′}\\ 1\end{array}\right)---\left(4\right)$

对照图3可以得到同一性矩阵的表达式如下：

$H=-\left(\begin{array}{ccc}(l_1+l_9{I}^{\′})& (l_2+l_{10}{I}^{\′})& (l_3+l_{11}{I}^{\′})\\ (l_5+l_9{J}^{\′})& (l_6+l_{10}{J}^{\′})& (l_7+l_{11}{J}^{\′})\\ (I_6-l_{10}{I}^{\′})& (I_6-l_{10}{J}^{\′})& (I_8-l_{11}{I}^{\′})\end{array}\right)M---\left(5\right)$

由公式可以看出只需将激光标靶在相片中的像素坐标、正投影图像二维坐标进行向量规范化运算得到的线形变换矩阵M以及根据(2)利用最小二乘法迭代求解得到的符合误差限的11个系数的近似值l′_l代入(5)即可求出线形变换的同一性矩阵H，从而完成图像的标定工作。

然后，根据上述计算同一性映射关系H的过程可知照片中的像空间二维坐标和物方空间投影图像的二维坐标值之间存在一一映射关系，即照片中的一个像素点必然对应于物方空间投影图像的一个点。通过线性变换x＝HX的反变换X＝H^-1x(其中，x为照片中的一个像素点的二维坐标，X为正投影的图像中的像素点的二维坐标，H为同一性矩阵，H^-1为同一性矩阵的逆矩阵)就可以将照片中的图像像素直接转换到正投影的图像中去。由于得到的正投影的图像像素是连续的，但是通过直接线形变换转换后的图像可能出现离散部分，因此需根据一定的误差阀值对正投影的图像像素进行多项式拟合，填补正投影的图像中空缺的像素点。最终得到只有在事故现场路面正上方垂直拍摄才能得到的事故现场的正投影图像，如图2b所示；

第五步：将处理后带有尺寸参数的图像数据转换为矢量图形格式，并导入到美国AUTODESK公司开发的Auto CAD 2007简体中文版中，得到以矢量图形为背景勾勒出与事故现场实际尺寸一致并可以进行实时准确测量的事故现场图；如图4c所示，这样就可以得到描绘事故现场图所需要的刹车印迹、车辆停止位置、轮胎压印与拖痕等关键信息。

本实施例主要应用于重大交通事故中，和现有技术相比，由于采用激光测距仪自动捕捉激光标靶，精确度高，不需要摆放任何标定物，也不用在现场逐一测量现场刹车印等信息和绘制现场图，可以平均节省30分钟左右的时间，精度和传统测量相比相差不超过3％，可以满足交通事故现场快速勘察的应用要求。

Claims (3)

1、一种交通事故现场图像数据信息采集及处理方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步：首先根据现场情况选择合适的拍摄点，并在拍摄点处固定好拍摄三脚架；将固定机构的机座通过四个螺栓固定在拍摄三脚架上；

第二步：对交通事故现场进行数据采集，调节四个激光测距仪的角度，使它们在路面上形成的激光标靶恰好呈围绕住事故现场特征的四边形；固定好拍摄相机的倾斜角度，用数码相机拍摄下带有激光标靶的事故现场照片，同时记录下激光标靶相对于激光测距仪的距离、拍摄相机的倾斜角度、通过带有铅垂角度器的激光测距仪记录下拍摄点垂直高度以及路面倾斜度；

第三步：以图像中的激光标靶作为标定物，根据记录下的激光标靶相对于激光测距仪的距离、相机拍摄位置、拍摄角度以及路面倾斜度计算出标定物在交通事故现场中的实际相对尺寸；

第四步：根据简化直接线性变换方法建立像空间与物方空间坐标的转换关系；根据该转换关系以及误差阀值对图像中的所有像素进行图像变换，得到事故现场的正投影图像，同时根据像素长度与实际几何长度之间的比例换算关系，实时计算出事故现场照片中任意两点的实际距离；

第五步：将处理后带有尺寸参数的图像数据转换为矢量图形格式，并导入到Auto CAD软件中，最后将得到的矢量图形作为背景，勾勒出事故现场图。

2、根据权利要求1所述的一种交通事故现场图像数据信息采集及处理方法，其特征是，所述的固定机构通过以下步骤搭建：

步骤一：将数码相机固定在固定机座前部的空腔内，四个激光测距仪固定在四个激光测距仪夹具盒套内，盒套前部用旋转铰链与固定机座固定，四个夹具盒套按照圆周阵列的方式对称布置在数码相机镜头的四周；

步骤二：将夹具盒套中后部固定在以数码相机镜头的光轴为中心轴线并且可以沿该轴线前后移动的滑动支架上，移动该滑动支架可以使四个激光测距仪发生联动，使它们同时相对于各自前部的旋转铰链改变各自轴向的方位，同时保持各自后部沿发射激光的方向的反向延长线汇聚于数码相机镜头光轴的延长线上；

步骤三：将滑动支架套在转动盘的外部，转动盘与固定机座的圆形腔以螺纹相咬合，通过旋转转动盘的把手可以使转动盘带动滑动支架沿固定机座的圆形腔的中心轴线自由运动。

3、根据权利要求1或2所述的一种交通事故现场图像数据信息采集及处理方法，其特征是，所述的数码相机采用分辨率高于1000万像素的数码相机。

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