基于矫正图像的交通事件当场元素测绘技能分析,交通事故论文

发布时间：2015-02-02 16:43

第1章 绪论

1.1 我国道路交通安全形势
近些年来，我国国民经济快速发展，汽车业迅速崛起，汽车保有量迅速增长。图1.1 给出了 2005 年到 2011 年的我国汽车保有量增长情况。图 1.2 给出了 2005 年至 2011年的我国公路里程增长情况[1]。2011年我国汽车保有量较于2005年增长144%，而2011年全国公路里程较于 2005 年增加仅为 23%。汽车保有量的迅速增长，道路基础设施的建设不到位，交通管理不善，驾驶人员的技术水平有限等原因，导致道路交通事故频发，严重威胁着人民的生命财产安全，对我国国民安全和国家发展带来很大的负面影响。

道路交通事故在全球范围内也是一个引人关注的问题。全球每年交通事故造成127 万人死亡，2000 万至 5000 万人残疾，其中 90%的死亡事故发生在发展中国家。以目前的趋势发展下去，二十年后交通事故伤害预计从目前的第九大死因上升为第五大死因[2][3]。
近年来，我国交通事故数量趋于稳定，但相对而言事故总量比较大，伤亡人数多。统计知，2011 年我国交通事故共 210812 起，死亡人数 62387 人，造成直接经济损失10.79 亿元，万车死亡率 2.78[4]。图 1.3 是汽车保有量前六的国家 2011 年因交通事故死亡的人数[5]。我国每年交通事故死亡的人数位居世界前三，道路交通安全形势严峻，亟待改善。因此，快速科学的处置交通事故，是交通科研工作者着重研究的命题。

................................

1.2 道路交通事故现场快速勘测
1.2.1 交通事故现场勘测的目的
交通事故现场是指一段时间内交通事故发生的道路地点，以及与事故有关的元素等[7]。人、车辆、牲畜、散落物、现场痕迹、道路条件、天气情况等都属于事故现场的参与元素。
交通事故现场勘测是指按照规定程序和方法，使用测量仪器设备，确定交通事故参与元素的空间相对位置并记录信息的过程。勘测后绘制的交通事故现场草图、比例图等记录现场信息的资料是查明事故起因的第一手资料。
交通事故的再现和分析是为了还原事故真相、划分事故责任。勘测事故现场，确定现场参与元素之间的位置关系，是进行事故再现和分析的根本，是判断交通事故案件的性质、还原事故发生经过、排查肇事车辆和判定事故责任的基础与依据[8]。
现场勘测是交通事故处置过程的第一步，是交通事故处理的出发点和重点，是准确还原事故过程和分析事故原因的关键。
1.2.2 交通事故现场勘测的方式
一般的交通事故勘测方式主要是人工测量，加以现场拍照摄影辅助观察[9]。首先封锁现场，禁止事发路段车辆通行，然后由警务人员对事故现场各元素间的位置关系进行手工测量，在勘测取证后恢复道路通行。
人工勘测方法不但需时长、工作量大，还会由于人为疏忽导致现场信息丢失，在解除事故现场封锁恢复交通之后，很难进行二次取证，寻找缺失信息，使事故再现和分析工作难以顺利进行。其次，警务人员在暂时关闭的道路中勘测时间越长，越容易发生次生事故，造成警务人员伤亡。所以传统的人工勘测方法无论是在勘测效率和准确度方面，还是在避免事故间接损失方面，都有难以弥补的缺陷，尤其面对现在与日俱增的巨大交通流量，更显得捉襟见肘，无法满足现代化的要求。
现代化道路交通事故现场勘测需在及时有效的勘测和处理事故现场、减少占道时间的同时，保证现场勘测的准确性、规范性和完整性，减少二次事故发生和间接损失。快速勘测交通事故现场的方法最主要的有：使用三维激光成像仪、测距仪、经纬仪和电子罗盘等实现交通事故现场的勘测[10] [11]；引用地理信息系统（GIS）和卫星定位技术（GPS）实现交通事故现场的精确定位和信息的直接调用[12]；拍摄交通事故现场照片，运用摄影测量技术和图像处理技术，在计算机上进行事故现场的勘测[13]。
其中，引用摄影测量技术和图像处理技术的勘测方法是利用拍摄现场照片测绘交通事故现场。该法不仅能减少勘测时间，又可全面、快捷地记录事故现场各种信息，保证事故现场信息的准确和完整。因而，国内外学者专家对摄影测量技术进行了许多科学研究。随着科研方法和科技水平的提高，利用摄影测量技术和数字图像处理方法来完成道路交通事故现场勘测和处置，弥补人工勘测的不足，是未来交通事故勘测发展的一个方向。
.................................

第2章 图像二维校正原理及方法

在交通事故现场勘测中，通常是使用照相机拍摄现场照片，很少进行摄影录像，现场勘测的主要记录载体之一就是事故现场图像资料。利用摄影测量技术进行事故现场勘测时，首先要处理拍摄的现场照片，重建事故现场元素的空间位置。现场图是事故现场的俯视平面图，照片图像的二维校正方法可以通过对事故现场照片的几何校正得到事故现场平面图形信息，从而简单、有效的解决同一个平面的距离测量问题[37]。

2.1 图形变换基础
图形变换是图像处理技术的基础。在显示器上显示三维空间物体首先需要经过投影变换，另外还需要对图像进行平移、缩放、旋转变换。图像显示过程就是图像坐标系的变换[38]，见图 2.1。在显示器显示图像时用窗口限制图像显示部分，用视区来控制图像在屏幕上的显示位置。

2.1.1 规范化齐次坐标
规范化齐次坐标的目的是为了将二维图形几何变换的方程形式转化为图形点坐标与几何变换矩阵相乘的形式。n 维空间点的坐标唯一的表达形式为 (p1,p2,p3...pn)，齐次坐标系就是用 n+1 维的点坐标表示 n 维的点，表示为 (hp1,hp2,hp3...pn)，h为任意实数，点的坐标表示形式并不唯一，故而规定当 h=1 时为规范化齐次坐标[39]。如：二维坐标点 ( x, y)的规范化齐次坐标为 ( x, y,j)。还规定 h=0 时表示为无穷远点。
...........................

2.2 图像二维校正方法
点的空间位置坐标与点的图像坐标之间的对应投影关系是由照相机成像几何模型决定的，所谓照相机的成像模型也就是利用数学几何原理近似的表达出照相机的成像原理过程[41]。目前最常用的成像模型是针孔成像模型，模型不考虑镜头的光学畸变和安装误差，精度欠佳。同样，考虑光学畸变和安装误差的非线性成像模型的精度自然高，，但是其复杂度和计算量不容忽视。
针对交通事故现场范围大、精度要求不高以及主要参与元素集中在同一平面的特点，文章研究采用针孔成像模型和线性变换算法对事故现场摄影图形进行校正处理。
2.2.1 成像模型与二维校正原理
三维空间中物体到成像平面的投影关系即为成像模型[25]。在实际应用中，针孔成像模型是计算机图像处理中普遍采用的理想投影成像模型。假设照相机成像不存在非线性畸变，物体任一点的反射光线都经过一个小孔投影到像平面上，物点、针孔和像点在一条直线上。
以针孔成像模型为基础，已知同一平面四个点的空间位置坐标和图像坐标，则可以根据线性变换关系，推出实际空间平面坐标系到图像平面坐标系的变换关系，这就是图像的二维重建方法，见图 2.5。

2.2.2 图像直接线性变换
以针孔成像模型为基础，不考虑照相机的非线性畸变，物点从三维空间到二维图像的变换是线性关系。从空间坐标系到图像坐标系的直接线性变换矩阵方程为：

式中： [x y l ]T是图像中点的齐次坐标；
[TX Y Z l ]T是空间位置点的齐次坐标；
mij 是线性变换矩阵 M 的元素。
线性变换方程以标定点的空间位置坐标和相应的图像坐标为基础，计算出变换矩阵的未知系数。计算过程不需要非线性优化，运算速率快。线性变换法没有考虑照相机镜头畸变，使得三维测量时变换方程的精度下降，对于二维校正处理，可忽略照相机镜头光学畸变和安装误差照成的影响[42]。
式（2.7）中包含由三个方程组成的方程组：

整理得到关于mij 的线性方程：

式（2.9）描述了点的空间位置坐标 [TX YZ l ]T与点在图像中对应的坐标[ x y l ]之间的投影关系。针对交通事故现场主要元素（车辆停定位置、轮胎制动印迹、侧滑痕迹、地面散落物、交通标志标线、交通元素等）的空间距离关系都是位于一个平面上，故视 Z 为常数。
...........................

第 3 章 交通事故现场测绘技术开发 .............................. 25
3.1 程序实现目标和开发工具选择 .............................. 25
3.1.1 程序目标 .................................... 25
3.1.2 程序开发工具 ..................................... 26
3.2 现场测绘程序工作流程 ............................... 27
3.2.1 程序操作界面 ................................... 27
3.2.2 工作流程 .................................. 30
3.2.3 操作过程 ................................. 31
3.3 现场测绘程序结构 ......................................... 32
3.3.1 图像输入/输出模块 .................................. 34
3.3.2 图像处理模块 ................................. 34
3.3.3 比例确定模块 .................................... 34
3.3.4 测量模块 ......................................... 35
3.3.5 基本图形模块 ...................................... 35
3.3.6 图形符号模块 ............................... 35
3.3.7 文本输入模块 .................................. 36
3.3.8 信息显示模块 ........................................ 37
3.4 小结................................... 37

第4章 试验验证及误差分析

第2章讨论了图像二维校正方法和线性变换方程以及相关图像处理技术，第3章对交通事故现场测绘技术进行了研究，并研发相应程序，本章将分别进行试验验证和误差分析。
4.1 图像模型验证试验
为了检验图像几何校正模型的正确性、准确性与大范围现场图像拼接方法的可行性，设计验证试验，拍摄模拟事故现场照片图像，并人工测量记录现场数据作为图像处理后对比数据。
首先按照市内行车道和人行横道标准在试验场地布置试验路面。试验共布置两条行车道，五条人行横道。行车道的白色标线宽 0.15 米、长 4 米，两条车道间距 3.5 米。人行横道白色标线宽 0.4 米，标线间距 0.6 米。
试验时，在试验场地的行车道内设置标记点，作为图像校正的标定点和图像拼接的特征点。一共设置十个标记点，用彩色粉笔标记，同时人工设置八个点作为测距点，并保证每 4 个参考点内有 2 个测距点，见图 4.1。

事故现场勘测时通常由人手持相机进行拍摄，为贴近真实使用情况，在试验中将相机固定高度为 1.7m，分别在距离布置现场距离中心为 5m、7m、9m 处拍摄照片。表 4.2 是试验中不同拍摄距离下，各点之间人工测距和校正后图像测距的数据和误差。

试验数据结果表明：在此次验证实验中，二维校正线性直接线性变换法的误差在1~2%之间。误差大部分是人为操作（图像坐标点取、标定点间距人工测量等）的外部因素导致，以及部分因为未考虑成像畸变、相机安装误差导致的内部误差。由校正误差和校正所得图像效果（见图 4.2 至图 4.5）得出：拍摄地点距离现场越远，拍摄照片所能包含的信息越多，能减少现场的拍摄工作量，但是标定点的显示效果会更加模糊，图像校正精度会降低。
.............................

第5章 总结和展望

5.1 总结
道路交通事故是全世界所面临的一个重大社会问题。科技日益更新，而现行的交通事故勘测和处置技术却进展缓慢。交通事故勘测工作的主流仍旧需要长时间的封锁现场，人工测量现场数据。不仅效率低，浪费人力，而且极易导致测量遗漏和错误，影响交通事故再现、分析和责任认定，最后导致社会人力、物力、财力资源的浪费。因此，亟需快速、有效的道路交通事故现场勘测技术，提高事故现场勘测工作水平，以降低交通事故的间接经济损失。
针对图像处理技术和摄影测量技术，主要研究图像二维校正方法以及事故现场测绘技术。利用摄影测量技术对现场元素进行测绘，获取交通事故现场信息和数据，不但减轻了勘测工作量，有效避免因人为因素产生的误差或者错误，而且能迅速恢复事故路段道路通行能力，减少交通事故所带来的间接损失，从而提高了交通事故处理质量和效率。
针对我国道路交通事故勘测的现状和存在的问题，利用摄影测量技术改善现场勘测效率和质量。以图形变换基础，根据照相机成像原理，依据空间与图像之间的线形变换关系，建立图像二维校正模型和线性变换方程，实现交通事故现场图像二维几何校正，为计算机辅助绘制交通事故现场图奠定理论基础。
研究校正过程中标定点坐标的获取方法，采用的四点定位法测量步骤少，操作简单，实现容易。采用后向映射法，利用双线性插值算法解决校正图像像素点赋值问题。提出分区域拍照，拼接校正图像的方法，应对交通事故现场范围过大的情况。
研究交通事故现场测绘技术。以我国现场图绘制要求为标准，以图像二维校正技术为支撑，以 Microsoft Visual C++ 6.0 的 MFC 应用程序框架为工具，使用 C++语言开发基于校正图像的现场测绘程序。并对程序的图像输入/输出模块、图像处理模块、比例确定模块、测量模块、基本图形模块、图形符号模块、文本输入模块和信息显示模块所实现的功能进行了探讨。
通过场地试验验证校正模型的正确性，按照实际情况分析拍摄距离对模型准确度的影响，并分析拼接校正图像方法的可行性。
分别通过模拟交通事故现场和真实事故案例研究检验现场图测绘程序的可操作性和精确度，利用试验数据详细分析了误差原因并给出了相应结论。
.............................
参考文献（略）

本文编号：11834