第1章 緒論

1.1 我國(guó)道路交通安全形勢(shì)
近些年來(lái)，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，汽車業(yè)迅速崛起，汽車保有量迅速增長(zhǎng)。圖1.1 給出了 2005 年到 2011 年的我國(guó)汽車保有量增長(zhǎng)情況。圖 1.2 給出了 2005 年至 2011年的我國(guó)公路里程增長(zhǎng)情況[1]。2011年我國(guó)汽車保有量較于2005年增長(zhǎng)144%，而2011年全國(guó)公路里程較于 2005 年增加僅為 23%。汽車保有量的迅速增長(zhǎng)，道路基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)不到位，交通管理不善，駕駛?cè)藛T的技術(shù)水平有限等原因，導(dǎo)致道路交通事故頻發(fā)，嚴(yán)重威脅著人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)我國(guó)國(guó)民安全和國(guó)家發(fā)展帶來(lái)很大的負(fù)面影響。

道路交通事故在全球范圍內(nèi)也是一個(gè)引人關(guān)注的問(wèn)題。全球每年交通事故造成127 萬(wàn)人死亡，2000 萬(wàn)至 5000 萬(wàn)人殘疾，其中 90%的死亡事故發(fā)生在發(fā)展中國(guó)家。以目前的趨勢(shì)發(fā)展下去，二十年后交通事故傷害預(yù)計(jì)從目前的第九大死因上升為第五大死因[2][3]。
近年來(lái)，我國(guó)交通事故數(shù)量趨于穩(wěn)定，但相對(duì)而言事故總量比較大，傷亡人數(shù)多。統(tǒng)計(jì)知，2011 年我國(guó)交通事故共 210812 起，死亡人數(shù) 62387 人，造成直接經(jīng)濟(jì)損失10.79 億元，萬(wàn)車死亡率 2.78[4]。圖 1.3 是汽車保有量前六的國(guó)家 2011 年因交通事故死亡的人數(shù)[5]。我國(guó)每年交通事故死亡的人數(shù)位居世界前三，道路交通安全形勢(shì)嚴(yán)峻，亟待改善。因此，快速科學(xué)的處置交通事故，是交通科研工作者著重研究的命題。

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

1.2 道路交通事故現(xiàn)場(chǎng)快速勘測(cè)
1.2.1 交通事故現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)的目的
交通事故現(xiàn)場(chǎng)是指一段時(shí)間內(nèi)交通事故發(fā)生的道路地點(diǎn)，以及與事故有關(guān)的元素等[7]。人、車輛、牲畜、散落物、現(xiàn)場(chǎng)痕跡、道路條件、天氣情況等都屬于事故現(xiàn)場(chǎng)的參與元素。
交通事故現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)是指按照規(guī)定程序和方法，使用測(cè)量?jī)x器設(shè)備，確定交通事故參與元素的空間相對(duì)位置并記錄信息的過(guò)程�？睖y(cè)后繪制的交通事故現(xiàn)場(chǎng)草圖、比例圖等記錄現(xiàn)場(chǎng)信息的資料是查明事故起因的第一手資料。
交通事故的再現(xiàn)和分析是為了還原事故真相、劃分事故責(zé)任�？睖y(cè)事故現(xiàn)場(chǎng)，確定現(xiàn)場(chǎng)參與元素之間的位置關(guān)系，是進(jìn)行事故再現(xiàn)和分析的根本，是判斷交通事故案件的性質(zhì)、還原事故發(fā)生經(jīng)過(guò)、排查肇事車輛和判定事故責(zé)任的基礎(chǔ)與依據(jù)[8]。
現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)是交通事故處置過(guò)程的第一步，是交通事故處理的出發(fā)點(diǎn)和重點(diǎn)，是準(zhǔn)確還原事故過(guò)程和分析事故原因的關(guān)鍵。
1.2.2 交通事故現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)的方式
一般的交通事故勘測(cè)方式主要是人工測(cè)量，加以現(xiàn)場(chǎng)拍照攝影輔助觀察[9]。首先封鎖現(xiàn)場(chǎng)，禁止事發(fā)路段車輛通行，然后由警務(wù)人員對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)各元素間的位置關(guān)系進(jìn)行手工測(cè)量，在勘測(cè)取證后恢復(fù)道路通行。
人工勘測(cè)方法不但需時(shí)長(zhǎng)、工作量大，還會(huì)由于人為疏忽導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)信息丟失，在解除事故現(xiàn)場(chǎng)封鎖恢復(fù)交通之后，很難進(jìn)行二次取證，尋找缺失信息，使事故再現(xiàn)和分析工作難以順利進(jìn)行。其次，警務(wù)人員在暫時(shí)關(guān)閉的道路中勘測(cè)時(shí)間越長(zhǎng)，越容易發(fā)生次生事故，造成警務(wù)人員傷亡。所以傳統(tǒng)的人工勘測(cè)方法無(wú)論是在勘測(cè)效率和準(zhǔn)確度方面，還是在避免事故間接損失方面，都有難以彌補(bǔ)的缺陷，尤其面對(duì)現(xiàn)在與日俱增的巨大交通流量，更顯得捉襟見(jiàn)肘，無(wú)法滿足現(xiàn)代化的要求。
現(xiàn)代化道路交通事故現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)需在及時(shí)有效的勘測(cè)和處理事故現(xiàn)場(chǎng)、減少占道時(shí)間的同時(shí)，保證現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)的準(zhǔn)確性、規(guī)范性和完整性，減少二次事故發(fā)生和間接損失�？焖倏睖y(cè)交通事故現(xiàn)場(chǎng)的方法最主要的有：使用三維激光成像儀、測(cè)距儀、經(jīng)緯儀和電子羅盤等實(shí)現(xiàn)交通事故現(xiàn)場(chǎng)的勘測(cè)[10] [11]；引用地理信息系統(tǒng)（GIS）和衛(wèi)星定位技術(shù)（GPS）實(shí)現(xiàn)交通事故現(xiàn)場(chǎng)的精確定位和信息的直接調(diào)用[12]；拍攝交通事故現(xiàn)場(chǎng)照片，運(yùn)用攝影測(cè)量技術(shù)和圖像處理技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行事故現(xiàn)場(chǎng)的勘測(cè)[13]。
其中，引用攝影測(cè)量技術(shù)和圖像處理技術(shù)的勘測(cè)方法是利用拍攝現(xiàn)場(chǎng)照片測(cè)繪交通事故現(xiàn)場(chǎng)。該法不僅能減少勘測(cè)時(shí)間，又可全面、快捷地記錄事故現(xiàn)場(chǎng)各種信息，保證事故現(xiàn)場(chǎng)信息的準(zhǔn)確和完整。因而，國(guó)內(nèi)外學(xué)者專家對(duì)攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了許多科學(xué)研究。隨著科研方法和科技水平的提高，利用攝影測(cè)量技術(shù)和數(shù)字圖像處理方法來(lái)完成道路交通事故現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)和處置，彌補(bǔ)人工勘測(cè)的不足，是未來(lái)交通事故勘測(cè)發(fā)展的一個(gè)方向。
.................................

第2章 圖像二維校正原理及方法

在交通事故現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)中，通常是使用照相機(jī)拍攝現(xiàn)場(chǎng)照片，很少進(jìn)行攝影錄像，現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)的主要記錄載體之一就是事故現(xiàn)場(chǎng)圖像資料。利用攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行事故現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)時(shí)，首先要處理拍攝的現(xiàn)場(chǎng)照片，重建事故現(xiàn)場(chǎng)元素的空間位置。現(xiàn)場(chǎng)圖是事故現(xiàn)場(chǎng)的俯視平面圖，照片圖像的二維校正方法可以通過(guò)對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)照片的幾何校正得到事故現(xiàn)場(chǎng)平面圖形信息，從而簡(jiǎn)單、有效的解決同一個(gè)平面的距離測(cè)量問(wèn)題[37]。

2.1 圖形變換基礎(chǔ)
圖形變換是圖像處理技術(shù)的基礎(chǔ)。在顯示器上顯示三維空間物體首先需要經(jīng)過(guò)投影變換，另外還需要對(duì)圖像進(jìn)行平移、縮放、旋轉(zhuǎn)變換。圖像顯示過(guò)程就是圖像坐標(biāo)系的變換[38]，見(jiàn)圖 2.1。在顯示器顯示圖像時(shí)用窗口限制圖像顯示部分，用視區(qū)來(lái)控制圖像在屏幕上的顯示位置。

2.1.1 規(guī)范化齊次坐標(biāo)
規(guī)范化齊次坐標(biāo)的目的是為了將二維圖形幾何變換的方程形式轉(zhuǎn)化為圖形點(diǎn)坐標(biāo)與幾何變換矩陣相乘的形式。n 維空間點(diǎn)的坐標(biāo)唯一的表達(dá)形式為 (p1,p2,p3...pn)，齊次坐標(biāo)系就是用 n+1 維的點(diǎn)坐標(biāo)表示 n 維的點(diǎn)，表示為 (hp1,hp2,hp3...pn)，h為任意實(shí)數(shù)，點(diǎn)的坐標(biāo)表示形式并不唯一，故而規(guī)定當(dāng) h=1 時(shí)為規(guī)范化齊次坐標(biāo)[39]。如：二維坐標(biāo)點(diǎn) ( x, y)的規(guī)范化齊次坐標(biāo)為 ( x, y,j)。還規(guī)定 h=0 時(shí)表示為無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)。
...........................

2.2 圖像二維校正方法
點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)與點(diǎn)的圖像坐標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)投影關(guān)系是由照相機(jī)成像幾何模型決定的，所謂照相機(jī)的成像模型也就是利用數(shù)學(xué)幾何原理近似的表達(dá)出照相機(jī)的成像原理過(guò)程[41]。目前最常用的成像模型是針孔成像模型，模型不考慮鏡頭的光學(xué)畸變和安裝誤差，精度欠佳。同樣，考慮光學(xué)畸變和安裝誤差的非線性成像模型的精度自然高，，但是其復(fù)雜度和計(jì)算量不容忽視。
針對(duì)交通事故現(xiàn)場(chǎng)范圍大、精度要求不高以及主要參與元素集中在同一平面的特點(diǎn)，文章研究采用針孔成像模型和線性變換算法對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)攝影圖形進(jìn)行校正處理。
2.2.1 成像模型與二維校正原理
三維空間中物體到成像平面的投影關(guān)系即為成像模型[25]。在實(shí)際應(yīng)用中，針孔成像模型是計(jì)算機(jī)圖像處理中普遍采用的理想投影成像模型。假設(shè)照相機(jī)成像不存在非線性畸變，物體任一點(diǎn)的反射光線都經(jīng)過(guò)一個(gè)小孔投影到像平面上，物點(diǎn)、針孔和像點(diǎn)在一條直線上。
以針孔成像模型為基礎(chǔ)，已知同一平面四個(gè)點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)和圖像坐標(biāo)，則可以根據(jù)線性變換關(guān)系，推出實(shí)際空間平面坐標(biāo)系到圖像平面坐標(biāo)系的變換關(guān)系，這就是圖像的二維重建方法，見(jiàn)圖 2.5。

2.2.2 圖像直接線性變換
以針孔成像模型為基礎(chǔ)，不考慮照相機(jī)的非線性畸變，物點(diǎn)從三維空間到二維圖像的變換是線性關(guān)系。從空間坐標(biāo)系到圖像坐標(biāo)系的直接線性變換矩陣方程為：

式中： [x y l ]T是圖像中點(diǎn)的齊次坐標(biāo)；
[TX Y Z l ]T是空間位置點(diǎn)的齊次坐標(biāo)；
mij 是線性變換矩陣 M 的元素。
線性變換方程以標(biāo)定點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)和相應(yīng)的圖像坐標(biāo)為基礎(chǔ)，計(jì)算出變換矩陣的未知系數(shù)。計(jì)算過(guò)程不需要非線性優(yōu)化，運(yùn)算速率快。線性變換法沒(méi)有考慮照相機(jī)鏡頭畸變，使得三維測(cè)量時(shí)變換方程的精度下降，對(duì)于二維校正處理，可忽略照相機(jī)鏡頭光學(xué)畸變和安裝誤差照成的影響[42]。
式（2.7）中包含由三個(gè)方程組成的方程組：

整理得到關(guān)于mij 的線性方程：

式（2.9）描述了點(diǎn)的空間位置坐標(biāo) [TX YZ l ]T與點(diǎn)在圖像中對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)[ x y l ]之間的投影關(guān)系。針對(duì)交通事故現(xiàn)場(chǎng)主要元素（車輛停定位置、輪胎制動(dòng)印跡、側(cè)滑痕跡、地面散落物、交通標(biāo)志標(biāo)線、交通元素等）的空間距離關(guān)系都是位于一個(gè)平面上，故視 Z 為常數(shù)。
...........................

第 3 章 交通事故現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪技術(shù)開(kāi)發(fā) .............................. 25
3.1 程序?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)和開(kāi)發(fā)工具選擇 .............................. 25
3.1.1 程序目標(biāo) .................................... 25
3.1.2 程序開(kāi)發(fā)工具 ..................................... 26
3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪程序工作流程 ............................... 27
3.2.1 程序操作界面 ................................... 27
3.2.2 工作流程 .................................. 30
3.2.3 操作過(guò)程 ................................. 31
3.3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪程序結(jié)構(gòu) ......................................... 32
3.3.1 圖像輸入/輸出模塊 .................................. 34
3.3.2 圖像處理模塊 ................................. 34
3.3.3 比例確定模塊 .................................... 34
3.3.4 測(cè)量模塊 ......................................... 35
3.3.5 基本圖形模塊 ...................................... 35
3.3.6 圖形符號(hào)模塊 ............................... 35
3.3.7 文本輸入模塊 .................................. 36
3.3.8 信息顯示模塊 ........................................ 37
3.4 小結(jié)................................... 37

第4章 試驗(yàn)驗(yàn)證及誤差分析

第2章討論了圖像二維校正方法和線性變換方程以及相關(guān)圖像處理技術(shù)，第3章對(duì)交通事故現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪技術(shù)進(jìn)行了研究，并研發(fā)相應(yīng)程序，本章將分別進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證和誤差分析。
4.1 圖像模型驗(yàn)證試驗(yàn)
為了檢驗(yàn)圖像幾何校正模型的正確性、準(zhǔn)確性與大范圍現(xiàn)場(chǎng)圖像拼接方法的可行性，設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)，拍攝模擬事故現(xiàn)場(chǎng)照片圖像，并人工測(cè)量記錄現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)作為圖像處理后對(duì)比數(shù)據(jù)。
首先按照市內(nèi)行車道和人行橫道標(biāo)準(zhǔn)在試驗(yàn)場(chǎng)地布置試驗(yàn)路面。試驗(yàn)共布置兩條行車道，五條人行橫道。行車道的白色標(biāo)線寬 0.15 米、長(zhǎng) 4 米，兩條車道間距 3.5 米。人行橫道白色標(biāo)線寬 0.4 米，標(biāo)線間距 0.6 米。
試驗(yàn)時(shí)，在試驗(yàn)場(chǎng)地的行車道內(nèi)設(shè)置標(biāo)記點(diǎn)，作為圖像校正的標(biāo)定點(diǎn)和圖像拼接的特征點(diǎn)。一共設(shè)置十個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，用彩色粉筆標(biāo)記，同時(shí)人工設(shè)置八個(gè)點(diǎn)作為測(cè)距點(diǎn)，并保證每 4 個(gè)參考點(diǎn)內(nèi)有 2 個(gè)測(cè)距點(diǎn)，見(jiàn)圖 4.1。

事故現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)時(shí)通常由人手持相機(jī)進(jìn)行拍攝，為貼近真實(shí)使用情況，在試驗(yàn)中將相機(jī)固定高度為 1.7m，分別在距離布置現(xiàn)場(chǎng)距離中心為 5m、7m、9m 處拍攝照片。表 4.2 是試驗(yàn)中不同拍攝距離下，各點(diǎn)之間人工測(cè)距和校正后圖像測(cè)距的數(shù)據(jù)和誤差。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明：在此次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，二維校正線性直接線性變換法的誤差在1~2%之間。誤差大部分是人為操作（圖像坐標(biāo)點(diǎn)取、標(biāo)定點(diǎn)間距人工測(cè)量等）的外部因素導(dǎo)致，以及部分因?yàn)槲纯紤]成像畸變、相機(jī)安裝誤差導(dǎo)致的內(nèi)部誤差。由校正誤差和校正所得圖像效果（見(jiàn)圖 4.2 至圖 4.5）得出：拍攝地點(diǎn)距離現(xiàn)場(chǎng)越遠(yuǎn)，拍攝照片所能包含的信息越多，能減少現(xiàn)場(chǎng)的拍攝工作量，但是標(biāo)定點(diǎn)的顯示效果會(huì)更加模糊，圖像校正精度會(huì)降低。
.............................

第5章 總結(jié)和展望

5.1 總結(jié)
道路交通事故是全世界所面臨的一個(gè)重大社會(huì)問(wèn)題�？萍既找娓拢F(xiàn)行的交通事故勘測(cè)和處置技術(shù)卻進(jìn)展緩慢。交通事故勘測(cè)工作的主流仍舊需要長(zhǎng)時(shí)間的封鎖現(xiàn)場(chǎng)，人工測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。不僅效率低，浪費(fèi)人力，而且極易導(dǎo)致測(cè)量遺漏和錯(cuò)誤，影響交通事故再現(xiàn)、分析和責(zé)任認(rèn)定，最后導(dǎo)致社會(huì)人力、物力、財(cái)力資源的浪費(fèi)。因此，亟需快速、有效的道路交通事故現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)技術(shù)，提高事故現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)工作水平，以降低交通事故的間接經(jīng)濟(jì)損失。
針對(duì)圖像處理技術(shù)和攝影測(cè)量技術(shù)，主要研究圖像二維校正方法以及事故現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪技術(shù)。利用攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)元素進(jìn)行測(cè)繪，獲取交通事故現(xiàn)場(chǎng)信息和數(shù)據(jù)，不但減輕了勘測(cè)工作量，有效避免因人為因素產(chǎn)生的誤差或者錯(cuò)誤，而且能迅速恢復(fù)事故路段道路通行能力，減少交通事故所帶來(lái)的間接損失，從而提高了交通事故處理質(zhì)量和效率。
針對(duì)我國(guó)道路交通事故勘測(cè)的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，利用攝影測(cè)量技術(shù)改善現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)效率和質(zhì)量。以圖形變換基礎(chǔ)，根據(jù)照相機(jī)成像原理，依據(jù)空間與圖像之間的線形變換關(guān)系，建立圖像二維校正模型和線性變換方程，實(shí)現(xiàn)交通事故現(xiàn)場(chǎng)圖像二維幾何校正，為計(jì)算機(jī)輔助繪制交通事故現(xiàn)場(chǎng)圖奠定理論基礎(chǔ)。
研究校正過(guò)程中標(biāo)定點(diǎn)坐標(biāo)的獲取方法，采用的四點(diǎn)定位法測(cè)量步驟少，操作簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易。采用后向映射法，利用雙線性插值算法解決校正圖像像素點(diǎn)賦值問(wèn)題。提出分區(qū)域拍照，拼接校正圖像的方法，應(yīng)對(duì)交通事故現(xiàn)場(chǎng)范圍過(guò)大的情況。
研究交通事故現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪技術(shù)。以我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)圖繪制要求為標(biāo)準(zhǔn)，以圖像二維校正技術(shù)為支撐，以 Microsoft Visual C++ 6.0 的 MFC 應(yīng)用程序框架為工具，使用 C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)基于校正圖像的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪程序。并對(duì)程序的圖像輸入/輸出模塊、圖像處理模塊、比例確定模塊、測(cè)量模塊、基本圖形模塊、圖形符號(hào)模塊、文本輸入模塊和信息顯示模塊所實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行了探討。
通過(guò)場(chǎng)地試驗(yàn)驗(yàn)證校正模型的正確性，按照實(shí)際情況分析拍攝距離對(duì)模型準(zhǔn)確度的影響，并分析拼接校正圖像方法的可行性。
分別通過(guò)模擬交通事故現(xiàn)場(chǎng)和真實(shí)事故案例研究檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖測(cè)繪程序的可操作性和精確度，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)詳細(xì)分析了誤差原因并給出了相應(yīng)結(jié)論。
.............................
參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：11834