第1章 緒論

1.1 我國道路交通安全形勢
近些年來，我國國民經(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。圖1.1 給出了 2005 年到 2011 年的我國汽車保有量增長情況。圖 1.2 給出了 2005 年至 2011年的我國公路里程增長情況[1]。2011年我國汽車保有量較于2005年增長144%，而2011年全國公路里程較于 2005 年增加僅為 23%。汽車保有量的迅速增長，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產(chǎn)安全，對我國國民安全和國家發(fā)展帶來很大的負(fù)面影響。

道路交通事故在全球范圍內(nèi)也是一個引人關(guān)注的問題。全球每年交通事故造成127 萬人死亡，2000 萬至 5000 萬人殘疾，其中 90%的死亡事故發(fā)生在發(fā)展中國家。以目前的趨勢發(fā)展下去，二十年后交通事故傷害預(yù)計從目前的第九大死因上升為第五大死因[2][3]。
近年來，我國交通事故數(shù)量趨于穩(wěn)定，但相對而言事故總量比較大，傷亡人數(shù)多。統(tǒng)計知，2011 年我國交通事故共 210812 起，死亡人數(shù) 62387 人，造成直接經(jīng)濟(jì)損失10.79 億元，萬車死亡率 2.78[4]。圖 1.3 是汽車保有量前六的國家 2011 年因交通事故死亡的人數(shù)[5]。我國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。

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1.2 道路交通事故現(xiàn)場快速勘測
1.2.1 交通事故現(xiàn)場勘測的目的
交通事故現(xiàn)場是指一段時間內(nèi)交通事故發(fā)生的道路地點，以及與事故有關(guān)的元素等[7]。人、車輛、牲畜、散落物、現(xiàn)場痕跡、道路條件、天氣情況等都屬于事故現(xiàn)場的參與元素。
交通事故現(xiàn)場勘測是指按照規(guī)定程序和方法，使用測量儀器設(shè)備，確定交通事故參與元素的空間相對位置并記錄信息的過程�？睖y后繪制的交通事故現(xiàn)場草圖、比例圖等記錄現(xiàn)場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事故現(xiàn)場，確定現(xiàn)場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、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)場勘測是交通事故處置過程的第一步，是交通事故處理的出發(fā)點和重點，是準(zhǔn)確還原事故過程和分析事故原因的關(guān)鍵。
1.2.2 交通事故現(xiàn)場勘測的方式
一般的交通事故勘測方式主要是人工測量，加以現(xiàn)場拍照攝影輔助觀察[9]。首先封鎖現(xiàn)場，禁止事發(fā)路段車輛通行，然后由警務(wù)人員對事故現(xiàn)場各元素間的位置關(guān)系進(jìn)行手工測量，在勘測取證后恢復(fù)道路通行。
人工勘測方法不但需時長、工作量大，還會由于人為疏忽導(dǎo)致現(xiàn)場信息丟失，在解除事故現(xiàn)場封鎖恢復(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)人員在暫時關(guān)閉的道路中勘測時間越長，越容易發(fā)生次生事故，造成警務(wù)人員傷亡。所以傳統(tǒng)的人工勘測方法無論是在勘測效率和準(zhǔn)確度方面，還是在避免事故間接損失方面，都有難以彌補的缺陷，尤其面對現(xiàn)在與日俱增的巨大交通流量，更顯得捉襟見肘，無法滿足現(xiàn)代化的要求。
現(xiàn)代化道路交通事故現(xiàn)場勘測需在及時有效的勘測和處理事故現(xiàn)場、減少占道時間的同時，保證現(xiàn)場勘測的準(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。快速勘測交通事故現(xiàn)場的方法最主要的有：使用三維激光成像儀、測距儀、經(jīng)緯儀和電子羅盤等實現(xiàn)交通事故現(xiàn)場的勘測[10] [11]；引用地理信息系統(tǒng)（GIS）和衛(wèi)星定位技術(shù)（GPS）實現(xiàn)交通事故現(xiàn)場的精確定位和信息的直接調(diào)用[12]；拍攝交通事故現(xiàn)場照片，運用攝影測量技術(shù)和圖像處理技術(shù)，在計算機上進(jìn)行事故現(xiàn)場的勘測[13]。
其中，引用攝影測量技術(shù)和圖像處理技術(shù)的勘測方法是利用拍攝現(xiàn)場照片測繪交通事故現(xiàn)場。該法不僅能減少勘測時間，又可全面、快捷地記錄事故現(xiàn)場各種信息，保證事故現(xiàn)場信息的準(zhǔn)確和完整。因而，國內(nèi)外學(xué)者專家對攝影測量技術(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，利用攝影測量技術(shù)和數(shù)字圖像處理方法來完成道路交通事故現(xiàn)場勘測和處置，彌補人工勘測的不足，是未來交通事故勘測發(fā)展的一個方向。
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第2章 圖像二維校正原理及方法

在交通事故現(xiàn)場勘測中，通常是使用照相機拍攝現(xiàn)場照片，很少進(jìn)行攝影錄像，現(xiàn)場勘測的主要記錄載體之一就是事故現(xiàn)場圖像資料。利用攝影測量技術(shù)進(jìn)行事故現(xiàn)場勘測時，首先要處理拍攝的現(xiàn)場照片，重建事故現(xiàn)場元素的空間位置�，F(xiàn)場圖是事故現(xiàn)場的俯視平面圖，照片圖像的二維校正方法可以通過對事故現(xiàn)場照片的幾何校正得到事故現(xiàn)場平面圖形信息，從而簡單、有效的解決同一個平面的距離測量問題[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)過投影變換，另外還需要對圖像進(jìn)行平移、縮放、旋轉(zhuǎn)變換。圖像顯示過程就是圖像坐標(biāo)系的變換[38]，見圖 2.1。在顯示器顯示圖像時用窗口限制圖像顯示部分，用視區(qū)來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)化為圖形點坐標(biāo)與幾何變換矩陣相乘的形式。n 維空間點的坐標(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 維的點坐標(biāo)表示 n 維的點，表示為 (hp1,hp2,hp3...pn)，h為任意實數(shù)，點的坐標(biāo)表示形式并不唯一，故而規(guī)定當(dāng) h=1 時為規(guī)范化齊次坐標(biāo)[39]。如：二維坐標(biāo)點 ( x, y)的規(guī)范化齊次坐標(biāo)為 ( x, y,j)。還規(guī)定 h=0 時表示為無窮遠(yuǎn)點。
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2.2 圖像二維校正方法
點的空間位置坐標(biāo)與點的圖像坐標(biāo)之間的對應(yīng)投影關(guān)系是由照相機成像幾何模型決定的，所謂照相機的成像模型也就是利用數(shù)學(xué)幾何原理近似的表達(dá)出照相機的成像原理過程[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)雜度和計算量不容忽視。
針對交通事故現(xiàn)場范圍大、精度要求不高以及主要參與元素集中在同一平面的特點，文章研究采用針孔成像模型和線性變換算法對事故現(xiàn)場攝影圖形進(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]。在實際應(yīng)用中，針孔成像模型是計算機圖像處理中普遍采用的理想投影成像模型。假設(shè)照相機成像不存在非線性畸變，物體任一點的反射光線都經(jīng)過一個小孔投影到像平面上，物點、針孔和像點在一條直線上。
以針孔成像模型為基礎(chǔ)，已知同一平面四個點的空間位置坐標(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)，不考慮照相機的非線性畸變，物點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是圖像中點的齊次坐標(biāo)；
[TX Y Z l ]T是空間位置點的齊次坐標(biāo)；
mij 是線性變換矩陣 M 的元素。
線性變換方程以標(biāo)定點的空間位置坐標(biāo)和相應(yīng)的圖像坐標(biāo)為基礎(chǔ)，計算出變換矩陣的未知系數(shù)。計算過程不需要非線性優(yōu)化，運算速率快。線性變換法沒有考慮照相機鏡頭畸變，使得三維測量時變換方程的精度下降，對于二維校正處理，可忽略照相機鏡頭光學(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）描述了點的空間位置坐標(biāo) [TX YZ l ]T與點在圖像中對應(yīng)的坐標(biāo)[ x y l ]之間的投影關(guān)系。針對交通事故現(xiàn)場主要元素（車輛停定位置、輪胎制動印跡、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)系都是位于一個平面上，故視 Z 為常數(shù)。
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第 3 章 交通事故現(xiàn)場測繪技術(shù)開發(fā) .............................. 25
3.1 程序?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)和開發(fā)工具選擇 .............................. 25
3.1.1 程序目標(biāo) .................................... 25
3.1.2 程序開發(fā)工具 ..................................... 26
3.2 現(xiàn)場測繪程序工作流程 ............................... 27
3.2.1 程序操作界面 ................................... 27
3.2.2 工作流程 .................................. 30
3.2.3 操作過程 ................................. 31
3.3 現(xiàn)場測繪程序結(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 測量模塊 ......................................... 35
3.3.5 基本圖形模塊 ...................................... 35
3.3.6 圖形符號模塊 ............................... 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 試驗驗證及誤差分析

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章對交通事故現(xiàn)場測繪技術(shù)進(jìn)行了研究，并研發(fā)相應(yīng)程序，本章將分別進(jìn)行試驗驗證和誤差分析。
4.1 圖像模型驗證試驗
為了檢驗圖像幾何校正模型的正確性、準(zhǔn)確性與大范圍現(xiàn)場圖像拼接方法的可行性，設(shè)計驗證試驗，拍攝模擬事故現(xiàn)場照片圖像，并人工測量記錄現(xiàn)場數(shù)據(jù)作為圖像處理后對比數(shù)據(jù)。
首先按照市內(nèi)行車道和人行橫道標(biāo)準(zhǔn)在試驗場地布置試驗路面。試驗共布置兩條行車道，五條人行橫道。行車道的白色標(biāo)線寬 0.15 米、長 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。
試驗時，在試驗場地的行車道內(nèi)設(shè)置標(biāo)記點，作為圖像校正的標(biāo)定點和圖像拼接的特征點。一共設(shè)置十個標(biāo)記點，用彩色粉筆標(biāo)記，同時人工設(shè)置八個點作為測距點，并保證每 4 個參考點內(nèi)有 2 個測距點，見圖 4.1。

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

試驗數(shù)據(jù)結(jié)果表明：在此次驗證實驗中，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)點取、標(biāo)定點間距人工測量等）的外部因素導(dǎo)致，以及部分因為未考慮成像畸變、相機安裝誤差導(dǎo)致的內(nèi)部誤差。由校正誤差和校正所得圖像效果（見圖 4.2 至圖 4.5）得出：拍攝地點距離現(xiàn)場越遠(yuǎn)，拍攝照片所能包含的信息越多，能減少現(xiàn)場的拍攝工作量，但是標(biāo)定點的顯示效果會更加模糊，圖像校正精度會降低。
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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重大社會問題�？萍既找娓�，而現(xiàn)行的交通事故勘測和處置技術(shù)卻進(jìn)展緩慢。交通事故勘測工作的主流仍舊需要長時間的封鎖現(xiàn)場，人工測量現(xiàn)場數(shù)據(jù)。不僅效率低，浪費人力，而且極易導(dǎo)致測量遺漏和錯誤，影響交通事故再現(xiàn)、分析和責(zé)任認(rèn)定，最后導(dǎo)致社會人力、物力、財力資源的浪費。因此，亟需快速、有效的道路交通事故現(xiàn)場勘測技術(shù)，提高事故現(xiàn)場勘測工作水平，以降低交通事故的間接經(jīng)濟(jì)損失。
針對圖像處理技術(shù)和攝影測量技術(shù)，主要研究圖像二維校正方法以及事故現(xiàn)場測繪技術(shù)。利用攝影測量技術(shù)對現(xiàn)場元素進(jìn)行測繪，獲取交通事故現(xiàn)場信息和數(shù)據(jù)，不但減輕了勘測工作量，有效避免因人為因素產(chǎn)生的誤差或者錯誤，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的間接損失，從而提高了交通事故處理質(zhì)量和效率。
針對我國道路交通事故勘測的現(xiàn)狀和存在的問題，利用攝影測量技術(shù)改善現(xiàn)場勘測效率和質(zhì)量。以圖形變換基礎(chǔ)，根據(jù)照相機成像原理，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，實現(xiàn)交通事故現(xiàn)場圖像二維幾何校正，為計算機輔助繪制交通事故現(xiàn)場圖奠定理論基礎(chǔ)。
研究校正過程中標(biāo)定點坐標(biāo)的獲取方法，采用的四點定位法測量步驟少，操作簡單，實現(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賦值問題。提出分區(qū)域拍照，拼接校正圖像的方法，應(yīng)對交通事故現(xiàn)場范圍過大的情況。
研究交通事故現(xiàn)場測繪技術(shù)。以我國現(xiàn)場圖繪制要求為標(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++語言開發(fā)基于校正圖像的現(xiàn)場測繪程序。并對程序的圖像輸入/輸出模塊、圖像處理模塊、比例確定模塊、測量模塊、基本圖形模塊、圖形符號模塊、文本輸入模塊和信息顯示模塊所實現(xiàn)的功能進(jìn)行了探討。
通過場地試驗驗證校正模型的正確性，按照實際情況分析拍攝距離對模型準(zhǔn)確度的影響，并分析拼接校正圖像方法的可行性。
分別通過模擬交通事故現(xiàn)場和真實事故案例研究檢驗現(xiàn)場圖測繪程序的可操作性和精確度，利用試驗數(shù)據(jù)詳細(xì)分析了誤差原因并給出了相應(yīng)結(jié)論。
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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號：11834