基於線特徵的交通事故現場圖幾何校正系統的製作方法
2023-05-24 13:14:26 1
專利名稱：基於線特徵的交通事故現場圖幾何校正系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種數字攝影測量應用技術領域的系統，具體是一種基於線特徵的交通事故現場圖幾何校正系統。
背景技術：
交通事故現場勘測中採用數字攝影測量技術，能夠有效縮短事故勘測時間，提高現場尺寸測繪精度，同時避免傳統手工測繪中的漏測、錯畫等現象，為事故現場的二次取證提供法律依據。因此研究數字攝影測量技術應用於交通事故現場勘測的理論和方法，對於快速恢復道路暢通和提高現場尺寸測繪精度以及為事故現場的二次取證提供法律依據方面具有重要意義。交警現場拍攝的照片是從攝影中心投影形成的透視圖，由於鏡頭畸變和透視畸變造成的幾何變形，無法直接在透視圖上測繪剎車痕跡的長度、人與車的相對距離以及散落物的位置等事故現場尺寸信息。透視圖只有經過幾何校正後才能轉換為正射影像圖，從而恢復交通事故現場的物方空間信息，進而實現事故現場尺寸的測繪。如何對交通事故現場圖進行幾何校正以生成正射影像圖，並提高正射影像圖上事故現場尺寸的測繪精度成為目前研究的焦點。經對現有技術文獻的檢索發現Ζ· M. Tao等在I^roceedings of the 9th International Conference of Chinese Transportation Professionals, 2009 :177-184 上發表文章「Analysis of deformation characteristics of collision vehicles using close-range photogrammetry"( 「採用近景攝影測量進行事故車輛變形特徵分析」，電力系統及其自動化專業第九屆中國國際運輸會議，2009 177-184)，該文利用近景立體攝像機拍攝現場照片，並通過平行軸立體視覺理論計算車輛變形的三維坐標進行事故變形範圍、 形狀和深度分析。但該方法需要購置昂貴的量測用立體攝像機，而且其三維坐標的計算過程比較複雜和耗時，難以滿足交通事故現場快速勘測的要求。經檢索還發現，X.G.DU等在 Advances in Engineering Software, 2009 :497-505 上發表文章 「Geometry features measurement of traffic accident for reconstruction based on close-range photogrammetry"( 「基於近景攝影測量的交通事故再現幾何特徵測量」，工程軟體進展， 2009:497-505)，該文採用直接線性變換法建立像空間到物方空間的映射關係進而實現交通事故現場圖的幾何校正。但該方法屬於純粹基於控制點的校正方法，當控制點個數不足或像空間坐標因鏡頭畸變發生偏差時，難以準確建立像空間到物方空間的映射關係，從而降低了幾何校正後生成的正射影像圖上交通事故現場尺寸的測繪精度。
發明內容
本發明針對現有技術的不足，提出一種基於線特徵的交通事故現場圖幾何校正系統。使其充分利用事故現場提取到的直線特徵，通過添加平行線相對控制約束，從而有效校正了鏡頭畸變和透視畸變造成的事故現場圖幾何變形，實現了交通事故現場圖的幾何校正及其生成的正射影像圖上的尺寸標註功能。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括五個部分標定物信息採集模塊、 二維DLT(直接線性變換)係數求解模塊、單應性矩陣計算模塊、幾何校正模塊和尺寸標註模塊。標定物信息採集模塊負責提取控制點和控制線的相關參數信息，並將相應數據分別存入控制點資料庫和控制線資料庫；二維DLT係數求解模塊通過與資料庫的接口獲取控制點和控制線的相關參數信息，經方程聯立解出8個DLT係數的值；單應性矩陣計算模塊根據DLT係數建立像空間到物方空間的映射關係，進而得出單應性矩陣；幾何校正模塊通過單應性矩陣對交通事故現場圖進行幾何校正，經空間坐標變換和灰度重採樣生成交通事故現場正射影像圖；尺寸標註模塊以交通事故現場正射影像圖為基礎，實現直接在正射影像圖上標註任意點的實際空間坐標和任意兩點間的實際空間距離的功能。本系統採用層次化和模塊化結構設計，層與層之間只存在單向調用和單向依賴關係，模塊之間相互協調和配合共同組成一個完整的系統。每個模塊可以單獨視為一層，當前層的輸入數據僅依賴於上一層的輸出結果，當前層的輸出結果僅可作為下一層的輸入數據。標定物信息採集模塊為二維DLT係數求解模塊提供必須的控制點和控制線的相關參數信息，二維DLT係數求解模塊的輸出結果可作為單應性矩陣計算模塊的輸入，而單應性矩陣計算模塊得到的單應性矩陣則為幾何校正模塊提供空間坐標變換的依據，幾何校正模塊生成的交通事故現場正射影像圖是尺寸標註模塊進行標註的前提。這樣層與層之間通過單向調用和單向依賴，使相鄰兩個模塊間相互協調和配合起來，共同組成了一個完整的系統。所述標定物信息採集模塊從交通事故現場圖中提取控制點和控制線的像空間坐標信息，並將相應的數據分別存入控制點資料庫和控制線資料庫，控制點的物方空間坐標根據交通事故現場建立的二維笛卡爾直角坐標系確定，並在存入控制點資料庫時通過構建的CPoint2類(擴展點類)對象與其相應的像空間坐標相關聯。CPoint2類派生自MFC (微軟基礎類庫)的基類CPoint類(點類)，它封裝了控制點的物方空間坐標和像空間坐標，建立了它們之間的一一映射關係。這種數據封裝方式，能夠有效避免數據使用的混亂，確保了控制點物方空間坐標及其相應的像空間坐標的正確映射關係。標定物信息採集模塊提取的控制點的相關參數信息包括每個控制點的物方空間坐標及其相應的像空間坐標；提取的控制線的相關參數信息包括物方空間每條平行於X 軸的直線段的兩個端點在像空間相應的起點坐標和終點坐標；物方空間每條平行於Y軸的直線段的兩個端點在像空間相應的起點坐標和終點坐標。為保證二維DLT係數求解模塊能夠順利執行，標定物信息採集模塊在進行控制點和控制線的選取時應滿足以下兩個條件第一、在交通事故現場建立的二維笛卡爾直角坐標系中，存在至少兩條平行於X軸的直線段和至少兩條平行於Y軸的直線段；第二、在交通事故現場建立的二維笛卡爾直角坐標系中，存在至少兩個控制點，並已測得它們實際的物方空間坐標。所述二維DLT係數求解模塊首先通過與資料庫的接口獲取控制點和控制線的相關參數信息，在此基礎上分別建立物方空間X軸平行線在像空間的約束方程組和物方空間 Y軸平行線在像空間的約束方程組，然後通過OpenCV(開放式計算機視覺)核心模塊中的 API (應用程式接口)採用最小二乘法分別對這些方程組求解得出中間變量的值；再將這些中間變量的值與控制點的二維直接線性變換公式聯立，建立求解方程組，最後通過OpenCV
5核心模塊中的API採用最小二乘法解出DLT係數的值。所述單應性矩陣計算模塊由二維直接線性變換公式反解出物方空間坐標關於像空間坐標的表達式，建立像空間到物方空間的映射關係，然後通過Visual C++語言計算單應性矩陣中每個元素的值。單應性矩陣計算模塊的輸入是二維DLT係數求解模塊得出的8 個DLT係數的值，輸出為一個3行3列的單應性矩陣。所得的單應性矩陣保存在OpenCV的基本數據結構CvMat (矩陣結構體)創建的一個3行3列64位單通道的對象中，它可作為該模塊的輸出參數提供給幾何校正模塊直接使用。所述幾何校正模塊首先根據單應性矩陣對交通事故現場圖進行空間坐標變換，得到事故現場圖上每個像素點的物方空間坐標，然後對物方空間坐標進行灰度重採樣得到交通事故現場正射影像圖。當變換後的物方空間坐標對應的事故現場圖上的像空間坐標恰好為整數值時，這時物方空間坐標的灰度值可直接取事故現場圖上像空間坐標的灰度值；當計算得到的物方空間坐標對應的事故現場圖上的像空間坐標不為整數值時，這時並無現成的灰度值能用，可採用雙線性插值法把該點周圍整數點位上灰度值對該點的灰度貢獻積累起來，構成該點位新的灰度值。所述尺寸標註模塊以交通事故現場正射影像圖為基礎，實現直接在正射影像圖上進行單點的坐標標註和任意兩點間的距離標註功能。單點坐標標註首先經坐標轉換獲取正射影像圖上該點的物方空間坐標，然後通過Windows⑶I (Windows圖形設備接口)繪圖函數進行標註；任意兩點間的距離標註可首先採取單點坐標標註的方式分別獲取兩個點的物方空間坐標，然後在此基礎上計算出它們之間的實際空間距離，再將所得結果通過Windows ⑶I繪圖函數標註在交通事故現場正射影像圖上。與現有技術相比，本發明具有以下優點能夠有效校正交通事故現場圖幾何變形， 並提高几何校正後生成的正射影像圖上事故現場尺寸的測繪精度。傳統的事故現場圖幾何校正方法只是基於控制點的校正，當控制點個數不足或像空間坐標因鏡頭的徑向畸變和切向畸變發生偏差時，就無法準確建立像空間到物方空間的映射關係，這樣也就難以對事故現場圖進行精確的幾何校正，從而降低了交通事故現場尺寸的測繪精度；不同於傳統的僅僅依賴於控制點的事故現場圖幾何校正方法，本發明充分利用交通事故現場提取到的直線特徵，通過添加平行線相對控制約束，從而有效校正了鏡頭畸變和透視畸變造成的事故現場圖幾何變形，進而提高了幾何校正後生成的正射影像圖上事故現場尺寸的測繪精度。另外，本發明還可以用儘可能少(最少需要兩個)的控制點實現交通事故現場圖的幾何校正。傳統的事故現場圖幾何校正方法至少需要確定事故現場四個控制點的物方空間坐標及其相應的像空間坐標，當控制點的個數少於四個時，就無法完成事故現場圖的幾何校正。本發明可以在控制點個數不足時，只需利用兩個控制點和兩條平行於X軸的直線段以及兩條平行於Y軸的直線段，在不必知道平行線段端點的物方空間坐標的情況下，就能實現交通事故現場圖的幾何校正。
圖1本發明系統結構2本發明標定物信息採集示意3本發明事故現場圖幾何校正及尺寸標註示意圖
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。如圖1所示，本實施例包括五個部分標定物信息採集模塊、二維DLT係數求解模塊、單應性矩陣計算模塊、幾何校正模塊和尺寸標註模塊。標定物信息採集模塊負責提取控制點和控制線的相關參數信息，並將相應數據分別存入控制點資料庫和控制線資料庫；二維DLT係數求解模塊通過與資料庫的接口獲取控制點和控制線的相關參數信息，經方程聯立解出8個DLT係數的值；單應性矩陣計算模塊根據DLT係數建立像空間到物方空間的映射關係，進而得出單應性矩陣；幾何校正模塊通過單應性矩陣對交通事故現場圖進行幾何校正，經空間坐標變換和灰度重採樣生成交通事故現場正射影像圖；尺寸標註模塊以交通事故現場正射影像圖為基礎，實現直接在正射影像圖上標註任意點的實際空間坐標和任意兩點間的實際空間距離的功能。本實施例的五個模塊之間存在一定的邏輯關係，當前模塊的輸入參數僅依賴於前一個模塊的輸出結果，當前模塊的輸出結果僅可作為下一個模塊的輸入參數，模塊間按照從前到後的順序依次執行完成系統的總功能。如圖1中的箭頭所示，這五個模塊的先後執行順序依次為標定物信息採集模塊、二維DLT係數求解模塊、單應性矩陣計算模塊、幾何校正模塊和尺寸標註模塊。相應實現的功能依次為標定物信息採集、二維DLT係數求解、 單應性矩陣計算、事故現場圖幾何校正和尺寸標註。下面按照這五個模塊的先後執行順序， 對本實施例的具體操作過程和實施步驟作詳細說明1.標定物信息採集交通事故現場標定物信息的採集通過MFC創建的⑶1(圖形用戶接口)界面與用戶進行交互。交警在事故現場拍攝的照片首先通過Windows⑶I構建的一個m_ dcCompatible (設備環境兼容對象)加載到計算機內存空間中，然後將其以位圖的形式顯示在Windows窗口應用程式的客戶區。用戶根據窗口客戶區顯示的圖像內容，通過硬體操作(滑鼠、鍵盤或觸控螢幕)直接在圖像上提取控制點和控制線的像空間坐標信息，控制點的物方空間坐標根據交通事故現場建立的二維笛卡爾直角坐標系確定，並在用戶提取該控制點的像空間坐標時通過GUI界面輸入系統。如圖2所示，該圖中通過選擇道路交通標線的端點和邊緣分別作為控制點Si、S2和控制線Li、L2、L3、L4。提取的控制點的相關參數信息包括每個控制點的物方空間坐標及其相應的像空間坐標；提取的控制線的相關參數信息包括物方空間每條平行於X軸的直線段的兩個端點在像空間相應的起點坐標和終點坐標；物方空間每條平行於Y軸的直線段的兩個端點在像空間相應的起點坐標和終點坐標。提取到的控制點和控制線的相關參數信息分別保存在由MFC的CObArray (動態數組基類)構建的兩個對象m_Point2Array (點數組)和m_ LineArray (直線數組)中。其中m_Point2Array用來收集CPoint2類對象，而CPoint2類對象封裝了控制點的物方空間坐標及其相應的像空間坐標，建立了它們之間的正確映射關係。每個CPoint2類對象通過CObArray的成員函數ktAt (設置動態數組成員對象函數) 保存在m_Point2Array對象中。
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為保證二維DLT係數求解模塊能夠順利執行，用戶在進行控制點和控制線的選取時應滿足以下兩個條件第一、在交通事故現場建立的二維笛卡爾直角坐標系中，存在至少兩條平行於X 軸的直線段和至少兩條平行於Y軸的直線段；第二、在交通事故現場建立的二維笛卡爾直角坐標系中，存在至少兩個控制點，並已測得它們實際的物方空間坐標。2. 二維DLT係數求解二維DLT係數求解模塊首先從資料庫m_Point2Array和m_LineArray中通過 CObArray的成員函數GetAt (獲取動態數組成員對像函數)提取控制點S1、S2和控制線Li、 L2、L3、L4的相關參數信息，在此基礎上分別建立物方空間X軸平行線和Y軸平行線在像空間的約束方程組，解得中間變量的值；然後把這些中間變量的值與控制點的二維直接線性變換公式聯立，最終求出8個DLT係數I1, I2, I3, I4, I5, I6, I7, I8的值。該過程可分為以下三個步驟第一步、根據物方空間平行於X軸的直線段在像空間的約束方程求解中間變量Pl， P2的值假定物方空間至少存在兩條平行於X軸的直線段，則根據它們在像空間相應的起點坐標和終點坐標，可通過如下求解矩陣(1)採用最小二乘法解得中間變量Pl，P2的值。該線性方程組的求解，可通過調用OpenCV核心模塊中的API函數cvSolve (線性方程組求解函數)實現。
權利要求
1.一種基於線特徵的交通事故現場圖幾何校正系統，其特徵在於，包括標定物信息採集模塊、二維DLT (直接線性變換)係數求解模塊、單應性矩陣計算模塊、幾何校正模塊和尺寸標註模塊，其中標定物信息採集模塊負責從交通事故現場圖中提取控制點和控制線的相關參數信息，並將相應數據分別存入控制點資料庫和控制線資料庫；二維DLT係數求解模塊通過與所述資料庫的接口獲取控制點和控制線的相關參數信息，經方程聯立解出八個DLT係數的值；單應性矩陣計算模塊根據DLT係數建立像空間到物方空間的映射關係，進而得出單應性矩陣；幾何校正模塊通過單應性矩陣對交通事故現場圖進行幾何校正，經空間坐標變換和灰度重採樣生成交通事故現場正射影像圖；尺寸標註模塊以交通事故現場正射影像圖為基礎，實現直接在正射影像圖上標註任意點的實際空間坐標和任意兩點間的實際空間距離的功能。
2.根據權利要求1所述的基於線特徵的交通事故現場圖幾何校正系統，其特徵在於， 所述標定物信息採集模塊從交通事故現場圖中提取控制點和控制線的像空間坐標信息，並將相應的數據分別存入控制點資料庫和控制線資料庫，控制點的物方空間坐標根據交通事故現場建立的二維笛卡爾直角坐標系確定，並在存入控制點資料庫時通過構建的CPoint2 類(擴展點類)對象與其相應的像空間坐標相關聯。
3.根據權利要求2所述的基於線特徵的交通事故現場圖幾何校正系統，其特徵在於， 所述標定物信息採集模塊提取的控制點的相關參數信息包括每個控制點的物方空間坐標及其相應的像空間坐標；提取的控制線的相關參數信息包括物方空間每條平行於X軸的直線段的兩個端點在像空間相應的起點坐標和終點坐標；物方空間每條平行於Y軸的直線段的兩個端點在像空間相應的起點坐標和終點坐標。
4.根據權利要求3所述的基於線特徵的交通事故現場圖幾何校正系統，其特徵在於， 為保證二維DLT係數求解模塊能夠順利執行，標定物信息採集模塊在進行控制點和控制線的選取時應滿足以下兩個條件第一、在交通事故現場建立的二維笛卡爾直角坐標系中，存在至少兩條平行於X軸的直線段和至少兩條平行於Y軸的直線段；第二、在交通事故現場建立的二維笛卡爾直角坐標系中，存在至少兩個控制點，並已測得它們實際的物方空間坐標。
5.根據權利要求4所述的基於線特徵的交通事故現場圖幾何校正系統，其特徵在於， 所述二維DLT係數求解模塊首先通過與所述資料庫的接口獲取控制點和控制線的相關參數信息，在此基礎上分別建立物方空間X軸平行線在像空間的約束方程組和物方空間Y軸平行線在像空間的約束方程組，然後通過OpenCV (開放式計算機視覺)核心模塊中的API 採用最小二乘法分別對這些方程組求解得出中間變量的值；再將這些中間變量的值與控制點的二維直接線性變換公式聯立，建立求解方程組，最後通過OpenCV核心模塊中的API (應用程式接口)採用最小二乘法解出DLT係數的值。
6.根據權利要求5所述的基於線特徵的交通事故現場圖幾何校正系統，其特徵在於， 所述單應性矩陣計算模塊由二維直接線性變換公式反解出物方空間坐標關於像空間坐標的表達式，建立像空間到物方空間的映射關係，然後通過Visual C++語言計算單應性矩陣中每個元素的值；單應性矩陣計算模塊的輸入是二維DLT係數求解模塊得出的八個DLT係數的值，輸出為一個3行3列的單應性矩陣；所得的單應性矩陣保存在OpenCV的基本數據結構CvMat (矩陣結構體)創建的一個3行3列64位單通道的對象中，它可作為該模塊的輸出參數提供給幾何校正模塊直接使用。
7.根據權利要求6所述的基於線特徵的交通事故現場圖幾何校正系統，其特徵在於， 所述幾何校正模塊首先根據單應性矩陣對交通事故現場圖進行空間坐標變換，得到事故現場圖上每個像素點的物方空間坐標，然後對物方空間坐標進行灰度重採樣得到交通事故現場正射影像圖；當變換後的物方空間坐標對應的事故現場圖上的像空間坐標恰好為整數值時，這時物方空間坐標的灰度值可直接取事故現場圖上像空間坐標的灰度值；當計算得到的物方空間坐標對應的事故現場圖上的像空間坐標不為整數值時，這時並無現成的灰度值能用，可採用雙線性插值法把該點周圍整數點位上灰度值對該點的灰度貢獻積累起來，構成該點位新的灰度值。
8.根據權利要求7所述的基於線特徵的交通事故現場圖幾何校正系統，其特徵在於， 當計算得到的物方空間坐標對應的事故現場圖上的像空間坐標不為整數值時，這時並無現成的灰度值能用，可採用雙線性插值法構造一個2X2的二維卷積核W(權矩陣)，把它與該點周邊的四個原始像元灰度值構成的2X2灰度矩陣G作Hadamard積(哈達瑪積)運算得出一個新的矩陣，然後把這些新的矩陣元素累加，即可得到重採樣點的灰度值。
9.根據權利要求8所述的基於線特徵的交通事故現場圖幾何校正系統，其特徵在於， 所述尺寸標註模塊以交通事故現場正射影像圖為基礎，實現直接在正射影像圖上進行單點的坐標標註和任意兩點間的距離標註功能。單點坐標標註首先經坐標轉換獲取正射影像圖上該點的物方空間坐標，然後通過Windows⑶I (Windows圖形設備接口)繪圖函數進行標註；任意兩點間的距離標註可首先採取單點坐標標註的方式分別獲取兩個點的物方空間坐標，然後在此基礎上計算出它們之間的實際空間距離，再將所得結果通過Windows GDI繪圖函數標註在交通事故現場正射影像圖上。
全文摘要
一種基於線特徵的交通事故現場圖幾何校正系統，包括五個部分標定物信息採集模塊，負責從交通事故現場圖中提取控制點和控制線的相關參數信息；二維DLT係數求解模塊，經方程聯立求解出8個DLT係數的值；單應性矩陣計算模塊，負責建立像空間到物方空間的映射關係，進而得出單應性矩陣；幾何校正模塊和尺寸標註模塊，經空間坐標變換和灰度重採樣，生成交通事故現場正射影像圖並實現直接在正射影像圖上標註任意點的實際空間坐標和任意兩點間的實際空間距離的功能。本發明能夠有效校正鏡頭畸變和透視畸變造成的交通事故現場圖幾何變形，並提高几何校正後生成的正射影像圖上事故現場尺寸的測繪精度。
文檔編號G01C11/00GK102506828SQ20111035452
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月10日 優先權日2011年7月29日
發明者王建煒, 苗新強, 金先龍, 韓學源 申請人:上海交通大學