第10章-交通事故现场摄影测量

第十章交通事故现场摄影测量,第一节交通事故摄影图像测量方法第二节三维摄影测量现场标定第三节交通事故现场空间点与空间直线三维重建第四节交通事故现场俯视图几何校正处理第五节自标定技术及车辆变形测量,道路交通事故伤害是一个公共安全卫生问题。交通事故不仅造成了严重的生命和财产损失，也带来了一系列法律问题。由于缺乏必要的技术和设备，导致交通事故尤其是群死群伤和造成巨大财产损失的重特大交通事故的勘查延迟与处置不当，诱发事故连锁效应与经济损失传播效应（事故损失多米诺骨牌效应），进而造成了巨大的间接经济损失。,第一节交通事故摄影图像测量方法,随着交通事故纠纷的逐年增加以及人们法制意识的提高，对交通事故现场勘查和分析技术也提出了更高的要求。,在现有相关技术的基础上，在准确勘查与处置得当的基本前提下，针对快速、有效的勘查交通事故的目标，建立完备、可靠、具备实用性及系统性的理论体系，以实现快速完成事故现场信息的采集与分析，进而完成自动测绘系统的开发。为实现交通事故现场勘查的自动化、规范化与科学化提供有效、必要的工具。,第一节交通事故摄影图像测量方法,国外相关研究情况,20世纪40年代，摄影技术开始应用于交通事故分析，至今已得到了一些应用。日本早在20世纪70年代就将摄影测量应用于交通事故的勘查。20世纪90年代，人们开始研究摄影图像信息处理技术在交通事故再现领域的应用。,总体上，国外对于事故现场采用摄影方法处理的研究，主要分布在一些发达国家，且处于初步应用阶段。,第一节交通事故摄影图像测量方法,国内相关研究情况,20世纪90年代，吉林大学交通学院开始对摄影测量技术进行相关研究。近年来，清华大学等院校也针对事故现场的三维重建理论开始进行研究。总体上，国内相关研究重点围绕事故的再现与分析展开，并侧重于理论研究。,第一节交通事故摄影图像测量方法,一、交通事故摄影图像应用分类摄影技术自20世纪40年代开始应用于交通事故分析以来已得到了广泛使用，但事故现场照片的应用大多局限于简单的定性分析。随着计算机技术和图像处理技术的发展，利用摄影照片对交通事故进行定量分析已成为可能。近年来，国内外对摄影技术在事故再现中的应用已取得了一些进展，主要集中于三个方面：(1)利用摄影照片测量事故现场；(2)利用摄影照片测量车辆变形；(3)利用摄影照片进行智能识别。,第一节交通事故摄影图像测量方法,一、交通事故摄影图像应用分类由于摄影照片能够迅速而完整地记录事故现场的各种信息，若能利用摄影照片来定量测量事故现场，则可提高现场勘测速度，减少占道时间，避免诱发新的交通事故，提高道路通行能力。根据交通事故现场摄影测量的需要，利用事故现场摄影照片提取事故现场空间位置信息的方法主要有二维方法（俯视摄影）和三维方法两类。,第一节交通事故摄影图像测量方法,摄影照片使用二维平面表示三维空间，在成像过程中丢失了深度信息。在没有其他信息的情况下，无法直接根据一幅摄影照片图像上的二维坐标信息恢复三维空间坐标信息。假设图像上的所有点在空间中都位于同一个平面上，则图像上点的位置与空间中点的位置存在对应关系，也就可由一幅摄影图像确定空间点的相对位置。这种摄影测量方法称为二维方法。,第一节交通事故摄影图像测量方法,二、俯视摄影测量,事故分析所需要的大多数空间位置参数都位于交通事故现场的道路平面上。对交通事故现场进行俯视拍摄，且拍摄位置高度远大于道路上的车辆等物体高度时，交通事故现场上的各个空间点近似位于一个平面上。这样就可以用一幅俯视摄影图像来恢复交通事故现场空间位置关系。因此，这种二维方法也叫做交通事故现场俯视摄影测量方法。,第一节交通事故摄影图像测量方法,二、俯视摄影测量,由于在道路交通事故再现中，特别是在事故现场的测量中，许多需要的信息点都位于路面上（包括路面标线、轮胎拖痕和擦痕、油迹、撒落物等）。在道路环境下，便于设置标定点。即使在没有放置标定物的情况下，根据已知的道路情况也容易找出4个以上的标定参考点。这就可以使用二维方法对其进行测量，进而进行事故现场的重现分析。,第一节交通事故摄影图像测量方法,二、俯视摄影测量,二维重建的理论前提是图像上所有点对应的空间实际点都位于一个空间平面上。由于路面存在拱度、车辆有一定高度等因素的影响，在实际空间中与标定参考点不在同一个平面上的点经二维重建后会存在较大误差。,第一节交通事故摄影图像测量方法,二、俯视摄影测量,摄影图像的二维分析方法对俯视摄影测量交通事故现场路面上的点容易实现，但对有一定高度和处于不同平面的点进行测量时，由于不能满足测量点与标定参考点在同一平面上的假设，测量结果误差很大，且在有的事故现场，很难满足照相机拍摄高度的要求。交通事故现场测量的三维分析方法可弥补二维分析的不足。三维方法可分为单目照片法和多目照片法。,第一节交通事故摄影图像测量方法,三、三维摄影测量,实际上是反投影法。以重现现场中原照片的视点和方位为基础。在摄像机反投影法中，要求根据照片（或幻灯片）回到原现场。用适当的观察设备（如照相机）找出原照片在现场中的视点和方位，从而在交通事故现场达到三维再现的目的。此外，还可通过利用照片上已知实际坐标位置的离散点，使用计算机反投影法，根据线性变换求出摄像机的视点和方位，实现现场的重构。,第一节交通事故摄影图像测量方法,三、三维摄影测量,1.单目照片法,用计算机反投影法可以不依赖于事故现场，但很难完全确定照片中需要知道点的三维坐标。用普通摄像机反投影法又必须回到事故现场进行调查。通过制作交通事故现场道路和有关车辆等物体的比例模型，根据原事故照片，利用一定的观测设备，在比例模型中确定摄像机的视点和方位并在模型中进行事故现场重构；然后，根据比例模型再现结果，绘制事故现场图。,第一节交通事故摄影图像测量方法,三、三维摄影测量,1.单目照片法,如果有两张以上从不同方位拍摄的照片，则可根据现场空间点在两张照片上的位置求出它在实际空间中的三维坐标位置。在这种方法中，仍需要根据已知坐标的参考点分别求出各照片的变换关系。多目照片的基本原理和方法将在第二节和第三节中详细介绍。,第一节交通事故摄影图像测量方法,三、三维摄影测量,2.多目照片法,一、坐标系,世界坐标系、照相机坐标系和图像坐标系,第二节三维摄影测量现场标定,针孔照相机模型,二、照相机线性成像模型及标定,第二节三维摄影测量现场标定,二、照相机线性成像模型及标定,第二节三维摄影测量现场标定,二、照相机线性成像模型及标定,第二节三维摄影测量现场标定,二、照相机线性成像模型及标定,第二节三维摄影测量现场标定,三、标定点识别,第二节三维摄影测量现场标定,通过聚类算法可将标定物平面上的检测直线具体分类，其中有平行于与道路平面接触的标定物支撑板面的两类平行直线集，其分别位于标定物左右平面板上。第三类就是与标定物支撑板面垂直的平行直线集。,标定直线及标定点的识别与排序,三、标定点识别,第二节三维摄影测量现场标定,要确定物体的空间坐标，首先必须正确标定摄像机。照相机内外参数准确标定是交通事故摄影图像三维重建的前提。摄像机的传统标定方法主要有线性标定与非线性标定两种。对于交通事故现场的三维摄影测量技术，基于线性标定方法主要采用最小二乘法和标定点优选法；对于非线性的标定方法，主要是考虑径向畸变的标定法。,三、标定点识别,第二节三维摄影测量现场标定,第三节交通事故现场空间点与空间直线三维重建,一、空间点三维重建理论基础,第三节交通事故现场空间点与空间直线三维重建,一、空间点三维重建理论基础,二、对应点匹配,对应点配准(匹配)就是对空间点在第一张照片中的图像点，在第二张照片中找出与点对应的在第二张照片中的图像点。对应点的建立还需利用其它物理信息，基本思想是基于相似性度量与连续性假设：#相似性度量#连续性假设,第三节交通事故现场空间点与空间直线三维重建,第三节交通事故现场空间点与空间直线三维重建,二、对应点匹配,第三节交通事故现场空间点与空间直线三维重建,二、对应点匹配,三、交通事故现场空间点三维重建误差分析,第三节交通事故现场空间点与空间直线三维重建,三、交通事故现场空间点三维重建误差分析,第三节交通事故现场空间点与空间直线三维重建,四、交通事故现场空间点三维重建实例,第三节交通事故现场空间点与空间直线三维重建,四、交通事故现场空间点三维重建实例,第三节交通事故现场空间点与空间直线三维重建,模拟事故现场测量结果及其误差,四、交通事故现场空间点三维重建实例,第三节交通事故现场空间点与空间直线三维重建,五、道路直线的三维重建理论基础,第三节交通事故现场空间点与空间直线三维重建,六、基于道路直线基元三维重建的现场平面拟合,对于交通事故现场，可以认为在有限区域内的道路路面是一空间平面。基于道路的平面假设，交通事故现场的信息均在现场图上表示。由于在摄影测量过程中，道路平面坐标系和摄影测量系统坐标系不一致，因此需要在摄影测量坐标系下完成空间直线的三维重建后进行现场图平面的重建，并确定各几何基元在现场图平面上的投影。,第三节交通事故现场空间点与空间直线三维重建,六、基于道路直线基元三维重建的现场平面拟合,由于直线基元的二维识别和三维重建的误差，道路的三维重建结果很难保证在同一平面上，利用最小中值二乘误差优化方法，在各空间道路直线上均匀选取若干点来拟合现场图平面，再将各三维重建结果向现场图平面上投影。,第三节交通事故现场空间点与空间直线三维重建,七、道路直线基元三维重建实验,（a）道路直线左图（b）道路直线右图道路直线的拟合图像,第三节交通事故现场空间点与空间直线三维重建,图像坐标系下直线参数检测结果,七、道路直线基元三维重建实验,第三节交通事故现场空间点与空间直线三维重建,直线参数的三维重建结果,七、道路直线基元三维重建实验,第三节交通事故现场空间点与空间直线三维重建,现场图平面方程和三条直线在现场图平面上的投影方程,七、道路直线基元三维重建实验,第三节交通事故现场空间点与空间直线三维重建,道路直线在现场图平面上的投影,y(mm),x(mm),七、道路直线基元三维重建实验,第三节交通事故现场空间点与空间直线三维重建,几种典型的几何畸变,图像在生成过程中，由于成像系统本身存在的非线性、摄像系统的姿态位置变化等因素，导致获取的图像产生几何畸变，从而在后续图像信息处理中，影响信息的正确表达。,第四节交通事故现场俯视图几何校正处理,图像在生成过程中，由于成像系统本身具有非线性、摄影时视角不同、照相底片的洗印扩放，以及扫描仪扫描时坐标轴未对准和照片平面与扫描平面不平行等原因都可能造成几何畸变，即几何失真。对于有几何失真的图像，需要事先进行几何校正，以减小或消除几何失真。,第四节交通事故现场俯视图几何校正处理,几何运算的一般定义为,一、几何校正坐标变换,第四节交通事故现场俯视图几何校正处理,几何运算的一般定义为,1.简单变换,一、几何校正坐标变换,第四节交通事故现场俯视图几何校正处理,一、几何校正坐标变换,第四节交通事故现场俯视图几何校正处理,1.简单变换,2.三角形线性法,一、几何校正坐标变换,第四节交通事故现场俯视图几何校正处理,3.二元多项式法,一、几何校正坐标变换,第四节交通事故现场俯视图几何校正处理,二、像素灰度值确定,1.灰度插值,像素点灰度值确定的第一步是进行灰度插值。在被校正图像中，灰度值仅在整数位置被定义。由空间几何坐标变换关系可知，被校正图像像素点通常被映射到目标图像中的非整数位置，即目标图像灰度值的定义一般在非整数坐标上。如果把几何运算看成是一个从被校正图像到目标图像的映射，则被校正图像中的一个像素会映射到目标图像中几个像素之间的位置，反之亦然。为了决定目标图像非整数映射点相对应的灰度值，必须进行插值运算。,第四节交通事故现场俯视图几何校正处理,该法取像素点周围四个邻点中距离最近的邻点灰度作为这点的灰度，即令输出像素的灰度值等于离它所映射到的位置最近的输入像素的灰度值。最近邻插值计算十分简单，有一定精度。利用该法校正后的图像亮度有明显的不连续性，而且，当图像中包含像素之间灰度级有变化的细微结构时，最近邻点法会在图像中产生人工的痕迹。,1）最近邻点法,二、像素灰度值确定,1.灰度插值,第四节交通事故现场俯视图几何校正处理,双线性插值又称一阶插值。它是利用像点周围四个邻点的灰度在两个方向上作线性内插的，如右图。,2）双线性插值,二、像素灰度值确定,1.灰度插值,第四节交通事故现场俯视图几何校正处理,2）双线性插值,二、像素灰度值确定,1.灰度插值,第四节交通事故现场俯视图几何校正处理,3）三次卷积法,二、像素灰度值确定,1.灰度插值,第四节交通事故现场俯视图几何校正处理,3）三次卷积法,二、像素灰度值确定,1.灰度插值,第四节交通事故现场俯视图几何校正处理,2.灰度值映射,二、像素灰度值确定,第四节交通事故现场俯视图几何校正处理,三、交通事故现场俯视摄影图像几何校正模型,第四节交通事故现场俯视图几何校正处理,平面到平面的变换,三、交通事故现场俯视摄影图像几何校正模型,第四节交通事故现场俯视图几何校正处理,三、交通事故现场俯视摄影图像几何校正模型,第四节交通事故现场俯视图几何校正处理,三、交通事故现场俯视摄影图像几何校正模型,第四节交通事故现场俯视图几何校正处理,三、交通事故现场俯视摄影图像几何校正模型,第四节交通事故现场俯视图几何校正处理,四、俯视摄影图像的几何校正实例,第四节交通事故现场俯视图几何校正处理,测试点计算地面坐标及其误差对照表,四、俯视摄影图像的几何校正实例,第四节交通事故现场俯视图几何校正处理,四、俯视摄影图像的几何校正实例,第四节交通事故现场俯视图几何校正处理,道路现场摄影图像校正,四、俯视摄影图像的几何校正实例,第四节交通事故现场俯视图几何校正处理,第五节自标定技术及车辆变形测量,一、摄影图像的自标定三维重建原理,其中，,第五节自标定技术及车辆变形测量,一、摄影图像的自标定三维重建原理,设第一幅图像到第二幅图像的基础矩阵为F，本质