CN103743388A - 一种交通事故现场摄影勘测原理的实验装置、方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交通事故现场摄影勘测原理的验证性实验装置、方法及系统，包括底座和电源，其特征是：所述底座上设置有物方空间坐标系D-XYZ，所述底座上设置有支撑杆，所述支撑杆上设置有辅助空间坐标系S-XYZ和像空间坐标系S-xyz，所述辅助空间坐标系S-XYZ和像空间坐标系S-xyz共用一个坐标原点S，所述物方空间坐标系D-XYZ和像空间坐标系S-xyz都连接执行器，所述底座上设置有控制器和控制面板，所述控制面板上设置有一组控制按键，所述控制器连接执行器和显示装置，所述底座上端还设置有图像平面P，摄影中心S、物点A和像点a，所述摄影中心S和物点A之间连接连杆SA，所述连杆SA穿过所述图像平面P，且两者相交于像点a，所述坐标原点S和摄影中心S为同一点。

Description

一种交通事故现场摄影勘测原理的实验装置、方法及系统

技术领域

本发明涉及实验用具，具体地讲，涉及一种交通事故现场摄影勘测原理的实验装置、方法及系统。

背景技术

现有技术中缺乏对摄影测量原理用于交通事故现场勘测的模型化、自动化演示实验装置，使得拍摄照片后，空间中的任意一点和照片中的对应像点之间的坐标变换关系很难通过实物直观地表现出来。

传统的交通事故现场勘测方法，采用卷尺测量距离，然后手工绘制事故现场图。这种方法存在费时长、现场信息损失多、现场量测的数据和绘制的草图因操作者的技术熟练程度存在差异以及恢复交通后无法对现场二次勘测等缺陷，给事故责任判断造成很大麻烦。在事故现场拍摄的照片中包含有大量信息，如车辆停止位置、制动痕迹、油迹、碎片散落位置等。因此，国内外对利用摄影照片测量事故现场数据进行了大量的研究。

摄影测量方法用于交通事故现场勘测，是利用近景摄影测量原理，通过建立物方空间坐标系D-XYZ、辅助空间坐标系S-XYZ和像空间坐标系S-xyz三个坐标系之间的变换关系，确定空间中任意一点A和照片中对应像点a之间的坐标变换关系。这个变换关系涉及到平移变换和旋转变换，关系复杂，难于理解。通常，人们通过想象获得使用相机拍照时物点和像点之间的变换关系，其中涉及到相机的3个内方位因素和6个外方位因素。相机的主距（即焦距f），主点坐标值(x_o,y_o)称为相机的内方位因素，它们和相机的结构有关，如图2所示。

表示了相机在空间中的位置，称为相机的外方位因素，如图3所示。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种交通事故现场摄影勘测原理的实验装置、方法及系统，能够通过实物形象的展示坐标变换过程，由显示装置显示公式变化，揭示相机焦距和外方位因素对坐标变换过程的影响。

一种交通事故现场摄影勘测原理的实验装置，包括底座和电源，其特征是：所述底座上设置有物方空间坐标系D-XYZ，所述物方空间坐标系D-XYZ连接执行器一，所述底座上设置有支撑杆，所述支撑杆上设置有辅助空间坐标系S-XYZ和像空间坐标系S-xyz，所述辅助空间坐标系S-XYZ和像空间坐标系S-xyz共用一个坐标原点S，所述像空间坐标系S-xyz连接执行器二，所述底座上设置有控制器和控制面板，所述控制面板上设置有一组控制按键，所述控制器连接执行器一、执行器二和显示装置，所述底座上端还设置有图像平面P，摄影中心S'、物点A和像点a，所述摄影中心S'和物点A之间连接连杆SA，所述连杆SA穿过所述图像平面P，且两者相交于像点a，所述坐标原点S和摄影中心S'为同一点。

本发明还提供了一种交通事故现场摄影勘测原理的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）接通电源，打开电源开关，系统进行自检，通电后，各指示灯常亮，显示装置显示欢迎界面，物方空间坐标系D-XYZ、像空间坐标系S-xyz和辅助空间坐标系S-XYZ处于初始位置，物方空间坐标系D-XYZ的原点D在X轴方向上与摄影中心S'的距离为X_S，原点D在Y轴方向上与摄影中心S'的距离为Y_S，原点D在Z轴方向上与摄影中心S'的距离为Z_S；像空间坐标系S-xyz和辅助空间坐标系S-XYZ处于初始位置，原点S同为摄影中心S'，图像平面P上设置有坐标系O-xy，所述图像平面P与像空间坐标系S-xyz的z轴反向延长线垂直相交于坐标系O-xy的坐标原点O，所述辅助空间坐标系S-XYZ的轴SY和直线SO所在的平面与图像平面P交于e₁和e₂点，直线Oy与Oe₂的夹角为κ，直线Se₁与轴SZ反方向的夹角为

直线Se₁与SO的夹角为ω；

（2）按下控制面板上的平移按键，由控制器控制执行器一带动物方空间坐标系D-XYZ进行平移，分别沿着X轴、Y轴、Z轴向辅助空间坐标系S-XYZ移动，最终与辅助空间坐标系S-XYZ重叠，此时，物点A的坐标由(X,Y,Z)变换为(X_D,Y_D,Z_D)，同时，显示装置上显示变换公式：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_D=X-X_S\\ Y_D=Y-Y_S\\ Z_D=Z-Z_S\end{array}\right.;$

（3）按下控制面板上的参数κ按键，控制器控制执行器二使像空间坐标系S-xyz以S为原点绕z轴旋转角度κ，图像中像点a的坐标由(x,y,-f)变换为(x_k,y_k,z_k)，同时，显示装置上显示变换公式：

$\left[\begin{array}{c}{x}_k\\ y_k\\ z_k\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos k& -\sin k& 0\\ \sin k& \cos k& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ -f\end{array}\right];$

（4）按下控制面板上的参数ω按键，控制器控制执行器二使像空间坐标系S-xyz以S为原点绕x轴旋转角度ω，图像中像点a的坐标由(x_k,y_k,z_k)变换为(x_ω,y_ω,z_ω)，同时，显示装置上显示变换公式：

$\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{\ω}}\\ y_{\mathrm{\ω}}\\ z_{\mathrm{\ω}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\ω}& -\sin \mathrm{\ω}\\ 0& \sin \mathrm{\ω}& \cos \mathrm{\ω}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_k\\ y_k\\ z_k\end{array}\right];$

（5）按下控制面板上的参数按键，控制器控制执行器二使像空间坐标系S-xyz以S为原点绕y轴旋转角度

图像中像点a的坐标由(x_ω,y_ω,z_ω)变换为

同时，显示装置上显示变换公式：

（6）经过（3）、（4）、（5）三步骤旋转变换后，像空间坐标系S-xyz和辅助空间坐标系S-XYZ重合，图像中像点a的坐标由(x,y,-f)和该点在辅助空间坐标系S-XYZ中的坐标(x_D,y_D,z_D)之间的关系显示在显示装置上：

（7）由于像点a、投影中心S以及物点A应位于同一直线上，满足共线条件方程式，按下共线按键后，显示装置显示共线条件方程式：

此公式描述了像点a的坐标(x,y,-f)和该点对应的物点A的坐标(X,Y,Z)之间的变换关系；

（8）按下复位按键，物方空间坐标系D-XYZ和像空间坐标系S-xyz回复到初始位置。

本发明还提供了一种交通事故现场摄影勘测原理的实验系统，其特征在于，包括：

平移控制模块：控制执行器一带动物方空间坐标系D-XYZ沿X轴移动距离X_S，然后沿Y轴移动距离Y_S，最后沿Z轴移动距离Z_S上升到辅助空间坐标系S-XYZ，实现与辅助空间坐标系S-XYZ重合，同时控制显示装置上显示相应的变换公式和说明；

参数κ按键控制模块：控制执行器二使像空间坐标系S-xyz以S为原点绕z轴旋转角度κ，图像中像点a的坐标由(x,y,-f)变换为(x_k,y_k,z_k)，同时，显示装置上显示相应的变换公式和说明；

参数ω按键控制模块：控制器控制执行器二使像空间坐标系S-xyz以S为原点绕x轴旋转角度ω，图像中像点a的坐标由(x_k,y_k,z_k)变换为(x_ω,y_ω,z_ω)，同时，显示装置上显示相应的变换公式和说明；

参数

按键控制模块：控制器控制执行器二使像空间坐标系S-xyz以S为原点绕y轴旋转角度

图像中像点a的坐标由(x_ω,y_ω,z_ω)变换为

同时，显示装置上显示相应的变换公式和说明;

复位按键控制模块：控制执行器一和执行器二将物方空间坐标系D-XYZ和像空间坐标系S-xyz复位到初始位置。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明采用交通事故现场摄影勘测的模型化、自动化演示装置，使得拍摄照片后，空间中的任意一点和照片中的对应像点之间的坐标变换关系直观的通过实物表现出来。实物展示坐标变换关系，清晰、易于理解，坐标系变化与显示装置显示相结合，通过按键单独控制各变量对摄影测量坐标变换的影响。

附图说明

图1为本发明的验证性实验装置的结构示意图。

图2为本发明内方位元素示意图。

图3为本发明外方位元素示意图。

图4为本发明像点a与物点A的坐标关系图。

图中，1、平移按键，2、参数

按键，3、参数ω按键，4、参数κ按键，5、共线按键，6、执行器二，7、显示装置，8、复位按键，9、执行器一，10、支架，11、支撑杆。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明作更进一步的详细描述。

参见图1-图4，一种交通事故现场摄影勘测原理的实验装置，包括底座、电源、物方空间坐标系D-XYZ、辅助空间坐标系S-XYZ、像空间坐标系S-xyz、图像平面P、摄影中心S、物点A、像点a、控制面板、控制器、执行器一、执行器二、显示装置、支架10和支撑杆11。其中，所述电源、控制器、控制面板安装在底座内；电源用于供电；控制器受控制面板上的按键和触摸屏的信号控制，用于控制执行器一和执行器二的动作；控制面板上有‘平移’、

‘ω’、‘κ’、‘共线’和‘复位’六个按键，用于控制物方空间坐标系D-XYZ的平移变换，像空间坐标系S-xyz的旋转和最终共线条件方程的显示；摄影中心为S，其在物方空间坐标系D-XYZ中的坐标为(X_S,Y_S,Z_S)；物点A在物方空间坐标系D-XYZ中的坐标为(X,Y,Z)；像点a在像空间坐标系S-xyz中的坐标为(x,y,-f)；物方空间坐标系D-XYZ安装在底座上，执行器一9安装在坐标原点D上，受控制器控制；辅助空间坐标系S-XYZ、像空间坐标系S-xyz由支撑杆11支撑在空中，两个坐标系共用一个坐标原点，即摄影中心S'，执行器二6固定在支撑杆11上端，受控制器控制，像空间坐标系S-xyz可以在执行器二6带动下以S为中心，分别绕x、y、z轴自由旋转；图像平面P，其上标明坐标系O-xy，由连接摄影中心S和物点A的连杆SA固定，且相交于像点a，与像空间坐标系S-xyz的z轴反向延长线垂直于点O；像空间坐标系S-xyz的三个坐标轴上分别标明旋转角度

ω、κ；显示装置，为一个交互式触摸屏，与控制器相连，由支架10固定，用于显示变量变化后的坐标关系，当在触摸屏上选择某一坐标变换关系后，控制器根据触摸屏提供的信号，控制执行器一9和执行器二6，对物方空间坐标系D-XYZ和像空间坐标系S-xyz实施反馈控制。

所述图像平面P上设置有坐标系O-xy，所述图像平面P与像空间坐标系S-xyz的z轴反向延长线垂直相交于坐标系O-xy的坐标原点O。

所述辅助空间坐标系S-XYZ的轴SY和直线SO所在的平面与图像平面P交于e₁和e₂点。

本发明还提供了一种交通事故现场摄影勘测原理的实验方法，包括如下步骤：

（1）接通电源，打开电源开关，系统进行自检，通过后，各指示灯常亮，显示装置显示欢迎界面，物方空间坐标系D-XYZ、像空间坐标系S-xyz和辅助空间坐标系S-XYZ处于初始位置，物方空间坐标系D-XYZ的原点D在X轴方向上与摄影中心S的距离为X_S，原点D在Y轴方向上与摄影中心S的距离为Y_S，原点D在Z轴方向上与摄影中心S的距离为Z_S；像空间坐标系S-xyz和辅助空间坐标系S-XYZ处于初始位置，原点同为摄影中心S，直线Oy与Oe₂的夹角为κ，直线Se₁与轴SZ反方向的夹角为直线Se₁与SO的夹角为ω；

（2）按下控制面板上的平移按键，由控制器控制执行器一9带动物方空间坐标系D-XYZ进行平移，分别沿着X轴、Y轴、Z轴向辅助空间坐标系S-XYZ移动，最终与辅助空间坐标系S-XYZ重叠，此时，物点A的坐标由(X,Y,Z)变换为(X_D,Y_D,Z_D)，同时，显示装置上显示变换公式：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_D=X-X_S\\ Y_D=Y-Y_S\\ Z_D=Z-Z_S\end{array}\right.;$

（3）按下控制面板上的参数κ按键，控制器控制执行器二6使像空间坐标系S-xyz以S为原点绕z轴旋转角度κ，图像中像点a的坐标由(x,y,-f)变换为(x_k,y_k,z_k)，同时，显示装置上显示变换公式：

$\left[\begin{array}{c}{x}_k\\ y_k\\ z_k\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos k& -\sin k& 0\\ \sin k& \cos k& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ -f\end{array}\right];$

（4）按下控制面板上的参数ω按键，控制器控制执行器二6使像空间坐标系S-xyz以S为原点绕x轴旋转角度ω，图像中像点a的坐标由(x_k,y_k,z_k)变换为(x_ω,y_ω,z_ω)，同时，显示装置上显示变换公式：

$\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{\ω}}\\ y_{\mathrm{\ω}}\\ z_{\mathrm{\ω}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\ω}& -\sin \mathrm{\ω}\\ 0& \sin \mathrm{\ω}& \cos \mathrm{\ω}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_k\\ y_k\\ z_k\end{array}\right];$

（5）按下控制面板上的参数

按键，控制器控制执行器二6使像空间坐标系S-xyz以S为原点绕y轴旋转角度

图像中像点a的坐标由(x_ω,y_ω,z_ω)变换为

同时，显示装置上显示变换公式：

（6）经过（3）、（4）、（5）三步骤旋转变换后，像空间坐标系S-xyz和辅助空间坐标系S-XYZ重合，图像中像点a的坐标由(x,y,-f)和该点在辅助空间坐标系S-XYZ中的坐标(x_D,y_D,z_D)之间的关系显示在显示装置上：

（7）由于像点a、投影中心S以及物点A应位于同一直线上，满足共线条件方程式，按下共线按键后，显示装置显示共线条件方程式：

此公式描述了像点a的坐标(x,y,-f)和该点对应的物点A的坐标(X,Y,Z)之间的变换关系；

（8）按下复位按键，物方空间坐标系D-XYZ和像空间坐标系S-xyz回复到初始位置。

本发明还提供了一种交通事故现场摄影勘测原理的实验系统，包括：平移控制模块：控制执行器一带动物方空间坐标系D-XYZ沿X轴移动距离X_S，然后沿Y轴移动距离Y_S，最后沿Z轴移动距离Z_S上升到辅助空间坐标系S-XYZ，实现与辅助空间坐标系S-XYZ重合，同时控制显示装置上显示相应的变换公式和说明；

参数κ按键控制模块：控制执行器二使像空间坐标系S-xyz以S为原点绕z轴旋转角度κ，图像中像点a的坐标由(x,y,-f)变换为(x_k,y_k,z_k)，同时，显示装置上显示相应的变换公式和说明；

参数ω按键控制模块：控制器控制执行器二使像空间坐标系S-xyz以S为原点绕x轴旋转角度ω，图像中像点a的坐标由(x_k,y_k,z_k)变换为(x_ω,y_ω,z_ω)，同时，显示装置上显示相应的变换公式和说明；

参数

按键控制模块：控制器控制执行器二使像空间坐标系S-xyz以S为原点绕y轴旋转角度

图像中像点a的坐标由(x_ω,y_ω,z_ω)变换为同时，显示装置上显示相应的变换公式和说明;

复位按键控制模块：控制执行器一和执行器二将物方空间坐标系D-XYZ、像空间坐标系S-xyz和辅助空间坐标系S-XYZ复位到初始位置。

由于采用上述装置，使得人们能够直观地理解空间中任意一点A和照片中对应的像点a之间的坐标关系，掌握公式变化，深入理解摄影测量原理，推广其在交通事故现场勘测中的应用。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种交通事故现场摄影勘测原理的实验装置，包括底座和电源，其特征是：所述底座上设置有物方空间坐标系D-XYZ，所述物方空间坐标系D-XYZ连接执行器一，所述底座上设置有支撑杆，所述支撑杆上设置有辅助空间坐标系S-XYZ和像空间坐标系S-xyz，所述辅助空间坐标系S-XYZ和像空间坐标系S-xyz共用一个坐标原点S，所述像空间坐标系S-xyz连接执行器二，所述底座上设置有控制器和控制面板，所述控制面板上设置有一组控制按键，所述控制器连接执行器一、执行器二和显示装置，所述底座上端还设置有图像平面P，摄影中心S'、物点A和像点a，所述摄影中心S'和物点A之间连接连杆SA，所述连杆SA穿过所述图像平面P，且两者相交于像点a，所述坐标原点S和摄影中心S'为同一点。

2.一种交通事故现场摄影勘测原理的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）接通电源，打开电源开关，系统进行自检，通电后，各指示灯常亮，显示装置显示欢迎界面，物方空间坐标系D-XYZ、像空间坐标系S-xyz和辅助空间坐标系S-XYZ处于初始位置，物方空间坐标系D-XYZ的原点D在X轴方向上与摄影中心S'的距离为X_S，原点D在Y轴方向上与摄影中心S'的距离为Y_S，原点D在Z轴方向上与摄影中心S'的距离为Z_S；像空间坐标系S-xyz和辅助空间坐标系S-XYZ处于初始位置，原点S同为摄影中心S'，图像平面P上设置有坐标系O-xy，所述图像平面P与像空间坐标系S-xyz的z轴反向延长线垂直相交于坐标系O-xy的坐标原点O，所述辅助空间坐标系S-XYZ的轴SY和直线SO所在的平面与图像平面P交于e₁和e₂点，直线Oy与Oe₂的夹角为κ，直线Se₁与轴SZ反方向的夹角为

直线Se₁与SO的夹角为ω；

（2）按下控制面板上的平移按键，由控制器控制执行器一带动物方空间坐标系D-XYZ进行平移，分别沿着X轴、Y轴、Z轴向辅助空间坐标系S-XYZ移动，最终与辅助空间坐标系S-XYZ重叠，此时，物点A的坐标由(X,Y,Z)变换为(X_D,Y_D,Z_D)，同时，显示装置上显示变换公式：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_D=X-X_S\\ Y_D=Y-Y_S\\ Z_D=Z-Z_S\end{array}\right.;$

（3）按下控制面板上的参数κ按键，控制器控制执行器二使像空间坐标系S-xyz以S为原点绕z轴旋转角度κ，图像中像点a的坐标由(x,y,-f)变换为(x_k,y_k,z_k)，同时，显示装置上显示变换公式：

$\left[\begin{array}{c}{x}_k\\ y_k\\ z_k\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos k& -\sin k& 0\\ \sin k& \cos k& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ -f\end{array}\right];$

（4）按下控制面板上的参数ω按键，控制器控制执行器二使像空间坐标系S-xyz以S为原点绕x轴旋转角度ω，图像中像点a的坐标由(x_k,y_k,z_k)变换为(x_ω,y_ω,z_ω)，同时，显示装置上显示变换公式：

$\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{\ω}}\\ y_{\mathrm{\ω}}\\ z_{\mathrm{\ω}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\ω}& -\sin \mathrm{\ω}\\ 0& \sin \mathrm{\ω}& \cos \mathrm{\ω}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_k\\ y_k\\ z_k\end{array}\right];$

（5）按下控制面板上的参数

按键，控制器控制执行器二使像空间坐标系S-xyz以S为原点绕y轴旋转角度

图像中像点a的坐标由(x_ω,y_ω,z_ω)变换为

同时，显示装置上显示变换公式：

（6）经过（3）、（4）、（5）三步骤旋转变换后，像空间坐标系S-xyz和辅助空间坐标系S-XYZ重合，图像中像点a的坐标由(x,y,-f)和该点在辅助空间坐标系S-XYZ中的坐标(x_D,y_D,z_D)之间的关系显示在显示装置上：

（7）由于像点a、投影中心S'以及物点A应位于同一直线上，满足共线条件方程式，按下共线按键后，显示装置显示共线条件方程式：

此公式描述了像点a的坐标(x,y,-f)和该点对应的物点A的坐标(X,Y,Z)之间的变换关系；

（8）按下复位按键，物方空间坐标系D-XYZ和像空间坐标系S-xyz回复到初始位置。

3.一种交通事故现场摄影勘测原理的实验系统，其特征在于，包括：

平移控制模块：控制执行器一带动物方空间坐标系D-XYZ沿X轴移动距离X_S，然后沿Y轴移动距离Y_S，最后沿Z轴移动距离Z_S上升到辅助空间坐标系S-XYZ，实现与辅助空间坐标系S-XYZ重合，同时控制显示装置上显示相应的变换公式和说明；

参数κ按键控制模块：控制执行器二使像空间坐标系S-xyz以S为原点绕z轴旋转角度κ，图像中像点a的坐标由(x,y,-f)变换为(x_k,y_k,z_k)，同时，显示装置上显示相应的变换公式和说明；

参数ω按键控制模块：控制器控制执行器二使像空间坐标系S-xyz以S为原点绕x轴旋转角度ω，图像中像点a的坐标由(x_k,y_k,z_k)变换为(x_ω,y_ω,z_ω)，同时，显示装置上显示相应的变换公式和说明；

参数

按键控制模块：控制器控制执行器二使像空间坐标系S-xyz以S为原点绕y轴旋转角度图像中像点a的坐标由(x_ω,y_ω,z_ω)变换为

同时，显示装置上显示相应的变换公式和说明;

复位按键控制模块：控制执行器一和执行器二将物方空间坐标系D-XYZ和像空间坐标系S-xyz复位到初始位置。

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