專利名稱：基于主動式全景視覺傳感器的交通事故現(xiàn)場測繪儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學技術(shù)、激光半導體技術(shù)、全景攝影測量技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)在交通事故處理現(xiàn)場測繪上的應用。
背景技術(shù)：
當今，國內(nèi)外大部分交通警察在交通事故現(xiàn)場勘測中仍大量使用手工作業(yè)方式，手工作業(yè)方式對交通事故現(xiàn)場測量主要是靠人眼判斷、手摸、皮尺量、手工繪圖等傳統(tǒng)方法，該方法主要存在以下幾個方面的缺陷1)測量數(shù)據(jù)方面，漏測、錯測、漏畫、錯畫等現(xiàn)象時有發(fā)生；2)測量過程中的各種限制，交通事故發(fā)生在雨雪、濃霧天氣以及夜晚等都將給現(xiàn)場勘察帶來很大的困難，在高速公路、高架公路及橋梁上處理交通事故有更高的要求，要求在最短的時間內(nèi)采集最多的事故現(xiàn)場信息，同時必須以最快的速度恢復交通暢通；3)測量 數(shù)據(jù)的加工以及現(xiàn)場重構(gòu)方面，無法對事故現(xiàn)場信息進行二次提取，測量結(jié)束后，現(xiàn)場即被撤除，如果收集證據(jù)不全，或數(shù)據(jù)間發(fā)生矛盾吋，則無法進行二次取證，使事故處理陷入困境；4)在繪制交通事故現(xiàn)場圖方面，近年來出現(xiàn)了不少繪制軟件，但是由于測量仍然需要手エ的方式進行，自動化程度不高，給現(xiàn)場執(zhí)法警員帶來了很大的精神和體力負擔；5)事故現(xiàn)場資料存儲、建檔和檢索方面，該方法極不方便，對于重大、疑難交通事故的處理缺乏系統(tǒng)、完整、形象化的依據(jù)，事故現(xiàn)場形象化恢復和數(shù)字立體再現(xiàn)等新概念就更難以實現(xiàn)。隨著科技的進步，目前交警在處理交通事故現(xiàn)場也采用了數(shù)碼相機的設(shè)備進行事故現(xiàn)場的拍攝，但仍然局限于對事故現(xiàn)場照片進行簡單的定性分析。中國發(fā)明專利公開號為CN101033966中提出了ー種交通事故現(xiàn)場的攝影測量方法，攝影測量步驟如下①采用標定物進行攝影測量的標定，組裝拆散了的標定物；②將四個同樣的標定物的坐標原點作為頂點組成矩形，形成一個標定系統(tǒng)，實現(xiàn)對交通事故現(xiàn)場進行攝影測量的標定。③采用相機按照順時針移動方向和拍攝角度對安置了標定系統(tǒng)的交通事故現(xiàn)場拍攝ー組ニ維照片。④將拍攝到的像片導入計算機，選取需要測量的點，得到其像空間坐標值，求得待測量點的物方空間坐標，將得到的實際空間坐標值，通過幾何計算得到繪制交通事故現(xiàn)場圖所需的信息。這種攝影測量方法比較繁瑣，在標定、匹配和計算物點空間坐標中仍然存在著很多“病態(tài)計算”問題。雙目立體視覺測量方法的ー個局限性是焦距固定，由于ー個固定的焦距只能在一定景深范圍內(nèi)清晰拍攝圖像，因而限制了測試區(qū)域；標定技術(shù)還沒有很好解決，立體視覺測量系統(tǒng)在各種運動中變化參數(shù)是不可避免的，比如警員赴交通事故現(xiàn)場過程中的對雙目立體測量裝置的震動、工作沖擊等的影響，即使如發(fā)明專利公開號為CN101033966提出了一種交通事故現(xiàn)場的攝影測量方法中采用將四個同樣的標定物的坐標原點作為頂點組成矩形，形成一個標定系統(tǒng)來進行標定成功的話，對快速恢復交通暢通也是ー個極大的限制；雙目立體視覺測量系統(tǒng)還沒有實現(xiàn)小型化、微型化，使得在交通事故處理現(xiàn)場的應用受到限制；此外在復雜環(huán)境下雙目視覺的對應點匹配歧異性大，造成了匹配的誤差，影響了匹配精度，最終產(chǎn)生了測量誤差。
中國發(fā)明專利公開號為200810121671.8中提出了一種基于雙目立體全方位視覺的交通事故現(xiàn)場測繪儀，這種方案的優(yōu)點是測量范圍大、無須標定、雙目視覺的對應點匹配歧異性??；但是有時也會出現(xiàn)匹配誤差，在光線不足的地方難以進行測繪，環(huán)境適應性差，這些問題主要是由于被動式雙目視覺測量方式所決定的。中國發(fā)明專利公開號為200910102318. X中提出了一種主動立體全方位視覺的交通事故現(xiàn)場測繪儀，該方案屬于主動三維全景立體測量，具有較高的測繪精度，但是各測量點空間位置信息計算和現(xiàn)場事故圖生成仍然需要人工干預，還沒有實現(xiàn)真正意義上的全自動化；另ー方面，生成的現(xiàn)場事故圖由于依賴于人工加工，不可避免地存在著與現(xiàn)場真實事故情況會有所出入之處。ー種理想的交通事故現(xiàn)場測繪儀，不但要解決好全天候測量問題，同時也需要融合當時道路的真實情況，包括天氣情況；因此，為了能形象、準確地表現(xiàn)事故形態(tài)和現(xiàn)場車輛、物體、痕跡，希望所生成的現(xiàn)場事故圖上不但需要有幾何信息同時也需要有紋理和顔色信息；這就涉及到交通事故現(xiàn)場的三維全景重構(gòu)問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的交通事故現(xiàn)場測繪儀的計算復雜、適用性差、測量誤差大、自動化程度不高等的不足，本發(fā)明提供ー種簡化計算的復雜性、省略攝像機標定工作、環(huán)境適用性強、測量快速準確的、能進行事故現(xiàn)場形象化恢復和數(shù)字立體再現(xiàn)的基于主動式全景視覺傳感器的交通事故現(xiàn)場測繪儀。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種基于主動式全景視覺傳感器的交通事故現(xiàn)場測繪儀，所述交通事故現(xiàn)場測繪儀包括全方位視覺傳感器、全方位面激光光源、用于定位交通事故現(xiàn)場以及為自動生成道路平面圖的GPS傳感器、用于確定測量方位的指南針以及用于對全方位視覺傳感器的全景圖像進行三維立體攝像測量、事故現(xiàn)場形象化恢復和數(shù)字立體再現(xiàn)的微處理器，所述的全方位視覺傳感器的中心與所述關(guān)鍵面激光光源的中心配置在同一根軸心線上；所述全方位視覺傳感器包括雙曲面鏡面、上蓋、透明半圓形外罩、下固定座、攝像単元固定座、攝像單元、連接單元、上罩；所述的雙曲面鏡面固定在所述的上蓋上，所述的連接単元將所述的下固定座和透明半圓形外罩連接成一體，所述的透明半圓形外罩與所述的上蓋以及所述的上罩固定在一起，所述的攝像単元固定在所述的攝像単元固定座上，所述的攝像單元固定座固定在所述的下固定座上，所述全方位視覺傳感器中的所述的攝像単元的輸出與所述微處理器連接；所述全方位面激光光源包括紅光線激光發(fā)生単元、線激光發(fā)生組合単元、導向支撐桿和底盤；所述的紅色線激光發(fā)生單元固定在所述的線激光發(fā)生組合單元的孔中，經(jīng)過這樣組合后的線激光能形成一個發(fā)出紅光的全方位面激光光源単元；所述的導向支撐桿垂直固定在所述的底盤上，所述的發(fā)出紅光的全方位面激光光源単元固定在所述的導向支撐桿的底端；所述的全方位視覺傳感器通過連接板安裝在所述的導向支撐桿；指南針安置在所述的全方位視覺傳感器的上蓋上，GPS傳感器和水平指示器安置在所述的導向支撐桿的中部，所述的全方位視覺傳感器的電源線、視頻數(shù)據(jù)線、所述的GPS傳感器的數(shù)據(jù)線以及所述全方位面激光光源的電源線均從連接桿的中孔內(nèi)穿出，連接到供電電源以及微處理器的相應接口上；所述的微處理器中包括視頻圖像讀取模塊，用于讀取全方位視覺傳感器的視頻圖像，并保存在存儲單元中，其輸出與全方位視覺傳感器標定模塊和Bird-View變換模塊連接；所述的全方位視覺傳感器標定模塊，用于確定三維空間點和攝像機成像平面上的ニ維圖像點之間映射關(guān)系的參數(shù)；所述的Bird-View變換模塊，用于修正全方位視覺成像后嚴重扭曲變形，將全方位圖像變換為Bird-View視圖；攝像點位置信息獲取模塊，用于獲得基于主動式全景視覺的交通事故現(xiàn)場測繪儀 所處的位置信息，通過GPS傳感器獲取現(xiàn)場測繪儀的位置，將該位置信息保存在存儲單元中；全方位面激光信息解析模塊，用于在全景圖像上解析出激光投影信息；特征點計算模塊，用于解析出在全景圖上紅色全方位面激光投射所產(chǎn)生的特征點數(shù)據(jù)；事故現(xiàn)場形象化恢復模塊，用于將事故現(xiàn)場場景真實地重構(gòu)到各種現(xiàn)場事故圖上。進ー步，所述的Bird-View變換模塊中，所述Bird-View視圖為鳥類俯瞰著這個地面上所形成的圖像，通過這種變換將全景圖像還原成水平面方向上無形變?nèi)皥D像，經(jīng)過Bird-View變換得到的全景圖像中成像的物體在水平方向上保持不變，通過所述的全方位視覺傳感器標定模塊建立了一張成像平面任一像素點與入射角之間的對應關(guān)系表，將所述的全方位視覺傳感器的視點Om離地面的高度設(shè)置為一個定值h ，就可以建立ー張全景成像平面任一像素點到成像中心點距離I |u" Il與地面上的物點到全方位視覺傳感器的中心軸線距離R之間的關(guān)系，llu" Il與R存在著以下關(guān)系，
權(quán)利要求
1.一種基于主動式全景視覺傳感器的交通事故現(xiàn)場測繪儀，其特征在于所述交通事故現(xiàn)場測繪儀包括全方位視覺傳感器、全方位面激光光源、用于定位交通事故現(xiàn)場以及為自動生成道路平面圖的GPS傳感器、用于確定測量方位的指南針以及用于對全方位視覺傳感器的全景圖像進行三維立體攝像測量、事故現(xiàn)場形象化恢復和數(shù)字立體再現(xiàn)的微處理器，所述的全方位視覺傳感器的中心與所述關(guān)鍵面激光光源的中心配置在同一根軸心線上； 所述全方位視覺傳感器包括雙曲面鏡面、上蓋、透明半圓形外罩、下固定座、攝像單元固定座、攝像單元、連接單元、上罩；所述的雙曲面鏡面固定在所述的上蓋上，所述的連接單元將所述的下固定座和透明半圓形外罩連接成一體，所述的透明半圓形外罩與所述的上蓋以及所述的上罩固定在一起，所述的攝像單元固定在所述的攝像單元固定座上，所述的攝像単元固定座固定在所述的下固定座上，所述全方位視覺傳感器中的所述的攝像単元的輸出與所述微處理器連接； 所述全方位面激光光源包括紅光線激光發(fā)生単元、線激光發(fā)生組合単元、導向支撐桿和底盤；所述的紅色線激光發(fā)生單元固定在所述的線激光發(fā)生組合單元的孔中，經(jīng)過這樣組合后的線激光能形成一個發(fā)出紅光的全方位面激光光源単元；所述的導向支撐桿垂直固定在所述的底盤上，所述的發(fā)出紅光的全方位面激光光源単元固定在所述的導向支撐桿的底端； 所述的全方位視覺傳感器通過連接板安裝在所述的導向支撐桿；指南針安置在所述的全方位視覺傳感器的上蓋上，GPS傳感器和水平指示器安置在所述的導向支撐桿的中部，所述的全方位視覺傳感器的電源線、視頻數(shù)據(jù)線、所述的GPS傳感器的數(shù)據(jù)線以及所述全方位面激光光源的電源線均從連接桿的中孔內(nèi)穿出，連接到供電電源以及微處理器的相應接口上； 所述的微處理器中包括 視頻圖像讀取模塊，用于讀取全方位視覺傳感器的視頻圖像，并保存在存儲單元中，其輸出與全方位視覺傳感器標定模塊和Bird-View變換模塊連接； 所述的全方位視覺傳感器標定模塊，用于確定三維空間點和攝像機成像平面上的ニ維圖像點之間映射關(guān)系的參數(shù)； 所述的Bird-View變換模塊，用于修正全方位視覺成像后嚴重扭曲變形，將全方位圖像變換為Bird-View視圖； 攝像點位置信息獲取模塊，用于獲得基于主動式全景視覺的交通事故現(xiàn)場測繪儀所處的位置信息，通過GPS傳感器獲取現(xiàn)場測繪儀的位置，將該位置信息保存在存儲單元中； 全方位面激光信息解析模塊，用于在全景圖像上解析出激光投影信息； 特征點計算模塊，用于解析出在全景圖上紅色全方位面激光投射所產(chǎn)生的特征點數(shù)據(jù)； 事故現(xiàn)場形象化恢復模塊，用于將事故現(xiàn)場場景真實地重構(gòu)到各種現(xiàn)場事故圖上。
2.如權(quán)利要求I所述的基于主動式全景視覺傳感器的交通事故現(xiàn)場測繪儀，其特征在于所述的Bird-View變換模塊中，所述Bird-View視圖為鳥類俯瞰著這個地面上所形成的圖像，通過這種變換將全景圖像還原成水平面方向上無形變?nèi)皥D像，經(jīng)過Bird-View變換得到的全景圖像中成像的物體在水平方向上保持不變，通過所述的全方位視覺傳感器標定模塊建立了一張成像平面任一像素點與入射角之間的對應關(guān)系表，將所述的全方位視覺傳感器的視點Om離地面的高度設(shè)置為一個定值hM，就可以建立ー張全景成像平面任一像素點到成像中心點距離llu" Il與地面上的物點到全方位視覺傳感器的中心軸線距離R之間的關(guān)系，llu" Il與R存在著以下關(guān)系，
3.如權(quán)利要求I或2所述的基于主動式全景視覺傳感器的交通事故現(xiàn)場測繪儀，其特征在于所述的全方位面激光信息解析模塊中，解析在全景圖上紅色激光投射點的方法是根據(jù)紅色激光投射點的像素的亮度要大于成像平面上的平均亮度，首先是將全景圖的RGB顔色空間轉(zhuǎn)化成HIS顔色空間，然后將成像平面上的平均亮度的I. 2倍作為提取紅色激光投射點的閾值，根據(jù)HIS顔色空間中的色調(diào)值H進行判斷，如果色調(diào)值H在(0，30)之間就判斷為紅色激光投射點，其余像素點就判斷為干擾；采用高斯近似方法來抽取出激光投射線的中心位置，具體實現(xiàn)過程如下 Stepl :設(shè)置初始方位角β =0 ； Step2:在全景圖像上以方位角β從全景圖像的中心點開始檢索紅色激光投射點，對于方位角β上存在著若干個連續(xù)的紅色激光投射的像素，其分布如附圖
5，這里選擇HIS顏色空間中的I分量，即亮度值接近最高值的三個連續(xù)像素通過高斯近似方法來估算激光投射線的中心位置；具體計算方法由公式(8)給出，
4.如權(quán)利要求3所述的基于主動式全景視覺傳感器的交通事故現(xiàn)場測繪儀，其特征在于所述的特征點計算模塊中，采用計算步長為Δ β =0. 36來遍歷整個360°的方位角，在全景圖上紅色長虛線為紅色全方位面激光投射所產(chǎn)生的特征點數(shù)據(jù)，凡，4)，遍歷過程如下 Step I :設(shè)置初始方位角β=0; Step II :采用所述的全方位面激光信息解析模塊，沿射線方向檢索特征點，得到在傳感器平面上與特征點數(shù)據(jù)相對應的I |u" Il (β)點，用公式(9)計算特征點/f的距離值Ra和入射角aa，將上述的計算數(shù)據(jù)保存在內(nèi)存單元中；
5.如權(quán)利要求I或2所述的基于主動式全景視覺傳感器的交通事故現(xiàn)場測繪儀，其特征在于所述的事故現(xiàn)場形象化恢復模塊中，根據(jù)公安部繪制現(xiàn)場事故圖的標準，需要繪制現(xiàn)場記錄圖、現(xiàn)場比例圖、現(xiàn)場斷面圖、現(xiàn)場立面圖和現(xiàn)場分析圖。
6.如權(quán)利要求5所述的基于主動式全景視覺傳感器的交通事故現(xiàn)場測繪儀，其特征在干所述的現(xiàn)場記錄圖、現(xiàn)場比例圖和現(xiàn)場分析圖均采用正投影俯視圖形式表示，需要對現(xiàn)場環(huán)境、事故、形態(tài)、有關(guān)車輛、人員、物體、痕跡的位置及其相互關(guān)系所作的圖形記錄；生成交通事故現(xiàn)場圖時，基準點就是現(xiàn)場測繪儀放置的幾何坐標x，y，處于圖紙的中間，圖紙的上方為正北方向；為了保證自動生成的現(xiàn)場記錄圖的方向一致性，在拍攝全景圖像時要求拍攝人員首先將基于主動式全景視覺傳感器的交通事故現(xiàn)場測繪儀上的指南針對準朝北方向；生成的Bird-View視圖保證了現(xiàn)場環(huán)境、事故、形態(tài)、有關(guān)車輛、人員、物體、痕跡的位置及其相互關(guān)系真實圖像記錄，只要按比例關(guān)系疊加到模板圖紙上就能自動完成現(xiàn)場記錄圖；對于圖像的輸出設(shè)備采用Acrobat PDFwriter,其最大分辯率為600dpi,即姆英寸可產(chǎn)生的點數(shù)，用戶選擇的輸出分辨率為kl (dot/inch);生成的Bird-View視圖分辨率為1280X 1280pixel,根據(jù)Bird-View視圖上的標定結(jié)果得到k2 (mm/pixel),根據(jù)用戶選擇的輸出分辨率和實際生成的圖紙比例為k3 (mm/mm) (1:200), I (mm) = 1/25. 4(inch),從公式(11)計算實際輸出圖紙上圖像的點數(shù)(11)
7.如權(quán)利要求5所述的基于主動式全景視覺傳感器的交通事故現(xiàn)場測繪儀，其特征在于所述的現(xiàn)場斷面圖和現(xiàn)場立面圖，用于表示交通事故現(xiàn)場某一橫斷面或縱斷面某一位置上有關(guān)車輛、物體、痕跡相互關(guān)系的剖面視圖，用局部透視圖形式表示；關(guān)于局部透視圖采用了ー種對全景圖像進行透視展開方式來實現(xiàn)，關(guān)于透視展開算法實現(xiàn)如下 首先，建立全景圖像上的任意一點P(X，y)與空間坐標系中一點P(X，Y，Z)的對應關(guān)系，空間中的一點P(X，Y，Z)，經(jīng)過雙曲鏡面反射后，在全方位視覺傳感器成像平面上形成對應的像點P(x，y)，根據(jù)光學原理，可以得出像點p(x，y)與空間物點P(X，Y，Z)的一一對應關(guān)系
8.如權(quán)利要求I或2所述的基于主動式全景視覺傳感器的交通事故現(xiàn)場測繪儀，其特征在于所述的全方位視覺傳感器標定模塊中，用于確定空間物點和攝像機成像平面上的ニ維圖像點之間映射關(guān)系的參數(shù)，建立一個成像平面的像點與入射光線之間的聯(lián)系，即與入射角之間的對應關(guān)系，用公式(6)表示；
9.一種如權(quán)利要求I所述的基于主動式全景視覺傳感器的交通事故現(xiàn)場測繪儀實現(xiàn)的測繪方法，其特征在于所述的測繪方法的測繪過程為首先，交警攜帶交通事故現(xiàn)場測繪儀到交通事故現(xiàn)場，將交通事故現(xiàn)場測繪儀垂直放置在交通事故現(xiàn)場的中間區(qū)域，并將交通事故現(xiàn)場測繪儀上的指南針對準正北方向；接著，將交通事故現(xiàn)場測繪儀中的全方位視覺傳感器與微處理進行連接，啟動微處理器中的應用程序，做好道路上痕跡的標示，接通激光光源的供電電源；然后，系統(tǒng)應用軟件自動拍攝交通事故現(xiàn)場全景圖像，自動檢測現(xiàn)場 車輛、物體、痕跡等空間幾何數(shù)據(jù)，自動輸出現(xiàn)場記錄圖、現(xiàn)場比例圖、現(xiàn)場斷面圖、現(xiàn)場立面圖和現(xiàn)場分析圖；最后，交警確認生成結(jié)果，如果滿足要求就完成交通事故現(xiàn)場勘査，否則繼續(xù)拍攝交通事故現(xiàn)場全景圖像、直至量測精度能滿足事故現(xiàn)場勘查任務的要求。
全文摘要
一種基于主動式全景視覺傳感器的交通事故現(xiàn)場測繪儀，包括全方位視覺傳感器、全方位面激光光源、用于定位交通事故現(xiàn)場以及為自動生成道路平面圖的GPS傳感器、用于確定測量方位的指南針以及用于對全方位視覺傳感器的全景圖像進行三維立體攝像測量、事故現(xiàn)場形象化恢復和數(shù)字立體再現(xiàn)的微處理器，系統(tǒng)應用軟件自動拍攝交通事故現(xiàn)場全景圖像，自動測量現(xiàn)場車輛、物體、痕跡等空間幾何數(shù)據(jù)，自動輸出現(xiàn)場記錄圖、現(xiàn)場比例圖、現(xiàn)場斷面圖、現(xiàn)場立面圖和現(xiàn)場分析圖，以及提供一種交通事故現(xiàn)場測繪方法。本發(fā)明提供的交通事故現(xiàn)場測繪儀環(huán)境適用性強，測量快速準確，自動化程度高、能進行事故現(xiàn)場形象化恢復和數(shù)字立體再現(xiàn)。
文檔編號G03B37/00GK102692213SQ20121014599
公開日2012年9月26日 申請日期2012年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月11日
發(fā)明者劉康, 周靜愷, 夏少杰, 徐海濤, 林璐璐, 湯一平, 王鼎 申請人:浙江工業(yè)大學