监控视频中目标车辆速度被动式测量方法研究

2012-11-14靳慧云谢贤能

测绘通报 2012年8期

关键词：监控点被动式标定

靳慧云，李苑，谢贤能，胡斌

(1.浙江警察学院，浙江杭州310053;2.浙江省公安厅，浙江杭州310009; 3.浙江省衢州市公安局，浙江衢州324002)

监控视频中目标车辆速度被动式测量方法研究

靳慧云1，李苑1，谢贤能2，胡斌3

(1.浙江警察学院，浙江杭州310053;2.浙江省公安厅，浙江杭州310009; 3.浙江省衢州市公安局，浙江衢州324002)

对事先没有安置测速装置，事后仅通过监控视频进行处理的目标车辆速度被动式测量的方法进行相关研究。阐述被动式目标车辆速度测量的概念、基本原理;视频画面中点、线、面之间的关系;被动式目标车辆速度测量时方向与标定点的选择;不同监控点之间目标车辆的平均速度测量和同一监控点中目标车辆速度测量的方法等。

视频画面;被动式;目标车辆速度测量

一、引言

目前，在道路交通安全管理中，利用专用的测速装置(如地感线圈测速、雷达测速、红外测速和激光测速法等)或借助软件实现的视频监控测速系统(如虚拟线圈法、帧间差分法、背景减差检测法、光流检测法等)，已经能够完成对确定区域的目标车辆的速度检测。但是，在事先没有专门安置这些的装置的区域，事后仅仅通过提取的监控视频完成测量，尚属一个新的研究课题。相对于前者，把后者——事后通过监控视频对目标车辆速度进行的测量，称为被动式测量。虽然，由于受视频画面质量、被测现场周边条件等多种因素的影响，这种被动测量尚达不到主动测量的精准程度，但是，在交通管理、案件侦查、事件处理中，需要进行被动测量的情况很多，是一个急需解决的技术问题。为此，笔者的项目组近几年对其进行了跟踪研究，在大量案例和实践基础上，提出目前通过监控视频对目标车辆进行被动式测量的一些常用方法。

二、监控视频中被动式目标车辆速度测量

1.视频测量相关名词

1)被测目标(measured target)，是指在视频图像中需要测量的人或物。

2)被测视频(measured video)，是指包含目标、需要对其进行测量的视频。

3)标定视频(calibration video)，是指包含有测量参照物或测量标识，根据被测视频画面重建的、用于实施测量标定的视频。

4)被测视频画面(measured video image)，是指包含目标，并需要对其进行测量的视频画面。

5)标定视频画面(calibration video image)，是指包含有测量参照物或测量标识，根据被测视频画面重建的、用于实施测量标定的视频画面。

2.关于监控视频中被动式目标车辆速度测量

从测量的方式上讲，监控视频中被动式目标车辆速度测量，是以案(事)件发生后的监控视频为主要对象，通过信息提取、现场测量、图像处理等手段，以获取案(事)件线索或证据为目的，对目标车辆速度进行测量的技术方法。目前，这种方法主要分为两类:一类是不同监控点之间目标车辆的平均速度测量;另一类是同一监控点的目标车辆速度测量。

三、监控视频中被动式目标车辆速度测量的基本原理

若设速度为v，距离为Δl，时间为Δt，则无论是主动还是被动的车速测量，都是依据公式v=Δl/Δt计算完成的。从测量实践看，其关键是参数Δl的测定。因为参数Δt通常是可以通过视频画面的时间显示或从被测视频中查算帧数(帧差)直接得到的，即通常视频播放是25帧/s，一帧时间t1=1/25= 0.04 s。所以，在被动式车速测量的研究中，各种方法的差异，也就主要体现在距离参数Δl获取的方法不同上了。从技术路线上讲，目标车速测量是动态测量，是通过“被测视频”完成的，而目标尺寸测量是静态测量，是通过“被测视频画面”完成的，这是两者的最大差异之处。在一般案(事)件中，目标车辆的行驶状态，通常分两种情况:第1种，驾驶人未采取应急措施的驾驶状态;第2种，驾驶人已经采取应措施的驾驶状态。

根据需要，正确区分应急措施采取之前与采取之后两个距离段，并展开目标车速的分别测量，对于案件性质判断和事故责任划分至关重要。一般情况下，对应急措施采取的前后分界点划分可通过现场勘查和视频监控画面的回放，查看驾驶员是否有减速、打方向等应急动作。至于测量的数据是平均速度还是即时速度，应视不同情况确定，一般而言，所测两点间的视频帧差越小，目标运动的距离越短，越接近即时速度(测量误差亦可能越大)，反之亦然。被动式目标车速测量，应具备以下3个基本条件:

1)在被测视频中，目标车辆应有一定长度的行驶轨迹。

2)通过被测视频反映出的案(事)件，应可以找到原发现场，而且，原发现场应有尚未发生变化的参照物或标志线，可以提供较准确的画面测量与实地测量。

3)被测视频播放应正常，均匀流畅、帧速固定，并无丢帧现象。

四、视频画面中目标车辆速度测量的点、线、面关系

视频画面中目标车辆速度测量，是解决在一个平面上移动目标的测量问题，其测量值是一个矢量，故不仅涉及移动目标移动的长度，还涉及目标移动的方向。视频监控头摄取的画面，是一个用二维画面表达三维空间的透视图，因此，对三维空间的点、线、面的关系认识是测量所必需的。如图1所示，设点M1(x1，y1，z1)向点M2(x2，y2，z2)方向移动。

图1 点线面关系示意图

当z2=z1时，有向线段l位于平行于xy平面的平面内，此时有线段长度

由此可知，三维空间中的一条线段，转换为二维透视图像后，从不同的角度观察，可能会是不同长度的线段，甚至还可能会成为一个点。

五、监控视频中被动式目标车辆速度测量的方向与标定点的选择

1.测量标定点选择

根据上述空间点、线、面的关系，在目标车速测量中，最好选择车轮胎与地面的切点作为测量标定点。因为，无论摄像机位置如何，只要选择地面作为参照平面，那么，两个测量标定点确定的直线就一定在地平面(路面)上。在路面基本平整的情况下，选定的测量标定点的位移距离就是车辆的位移距离。当然，实际的测量中，未必都能够看到车轮胎与地面的接触点，如果遇到这种情形，可以找出车辆上清晰、稳定的其他特征点作为测量标定点(如反光镜、车灯、门拉手等)。

2.测量方向的选择

在目标车速测量中，应选择摄像机镜头光轴与目标运动方向夹角较大的画面作为被测视频。因为摄像机在正前方或者正后方(正对目标)拍摄，目标车辆行驶的轨迹长度在画面中变化不明显，若Δl值太小，容易产生较大的测量误差。此外，测量行驶轨迹长度时，还应尽量选择车辆直行路段为宜。

六、参数计算方法

1.不同监控点之间目标车辆的平均速度测量

测量目标车辆在两个监控点之间行使的平均速度，方法比较简单。可以取距离现场最近的两个监控点拍摄的、较为清晰的画面作为起始画面，找出明显的参照物或标志线，并依此作为起点和终点的计时点，沿目标车辆行驶的轨迹实地测量两点间的距离参数Δl，同时可根据视频画面显示或在起止区域内行驶的帧数，求得参数Δt，即可计算得出车辆在该路段内相应的平均速度。但要注意两点。

1)两个监控点之间的距离不宜太长，且交通通畅、状况良好，否则测出的平均速度意义不大。

2)两个视频监控点最好在同一监控系统中，以便进行时间计算或校正。

2.同一监控点视频中目标车辆速度的测量

利用在同一个监控点拍摄的被测视频进行的车速测量，实际工作中较为常见，目前，有以下几种方法。

(1)根据现场参照物获取参数Δl的方法

基于被测视频所反映的原发现场中尚存在未发生变化的参照物或标志线，确定起止测量点，然后，通过现场实地测量起止点的实际距离，获取参数Δl值，从而完成测量的方法。

如图2某地发生一起交通事故，事故发生在监控画面之外约3 m处，车辆行驶在视频画面中的路段基本处于未采取应急措施状态。

从起点开始，统计帧幅至终止点为50帧，实地丈量起止点间距离为28.7 m。

根据公式计算得

(2)根据目标车辆的车身特征点获取参数Δl的方法

这种方法是在目标车辆车身上确定两个特征点作为标定点。测量时，观测目标车辆车身上这两个标定点通过选定的定位点的画面帧数，获取参数Δt;然后根据目标车辆车身上选择的两个特征点确定Δl，从而完成测量的方法。具体操作可通过两种方式进行:

1)车长测量法。它是基于对各种车辆长度已知或可查知的前提下进行的。以车前端和车后端某两点作为标定点(车长)，在被测视频屏幕上做点并作为定位点，逐帧播放视频，观测目标车辆车身标定点通过定位点的画面帧数，获取参数Δt;然后，根据车型确定车长数据Δl，从而完成测量的方法。利用这种方法测量车速，其画面帧数首要前提是先要确定目标车辆的类型。须反复查看被测视频，利用目标车辆的外观、车身、牌照等特征标记，通过车辆数据库或上网搜索相关类型车辆，获取车长数据。

图2 事故现场示意图

2)在目标车辆车身上任意选择两个特征点作为标定点，在被测视频中目标车辆附近的现场上选择一个点作为定位点，观测目标车辆车身上这两个标定点通过选定的定位点的画面帧数，获取参数Δt;然后测量目标车辆车身上选择的两个特征点的距离以确定Δl，从而完成测量的方法［1］。

以上两种方式的最大优点是不需要到现场测量参照物求Δl，区别在于定位点的选择方式不同。但要注意，由于Δl值不大，画面显示不长，当目标车辆通过两点的帧数太少时，即高速行驶的情况下，误差可能较大。

(3)利用画面匹配获取参数Δl的方法

这种方法是基于画面匹配的原理实现测量的［2］。即在被测视频中观察目标车辆行驶的轨迹，取一定时间段的画面进行匹配，标出测量点或线，根据被测视频标出的点或线，建立标定视频;然后，进入现场测量标定点之间的实际距离以获取参数Δl;最后查算相应的画面帧数，求得参数Δt，从而完成测量的方法［3］。

如图3所示，画面由7帧叠加而成，Δt=6× 0.04=0.24 s，现场实际测量值为4.67 m。v= (4.67 m÷0.24 s)×3600 s=70.05 km/h。

图3

(4)利用相关软件获取参数Δl的方法

这种方法是在有条件的情况下，利用现有的专业测量(或有测量功能的)软件，测量参数Δl;然后，根据被测视频中标记点帧差求得参数Δt，从而完成测量的方法。实际上，这种方法目前还是一种间接的测量，是借助现有软件中尺寸测量功能完成的。具体操作与软件法测量目标尺寸相似［4］。

七、结束语

综上所述，监控视频中被动式目标车辆速度测量方法，是目前实际工作中，专门针对那些没有安装测速装置和系统的路段，仅通过被测视频采取的目标车辆速度测量的方法，是对主动式车速测量的必要补充。当然，任何时候，一种方法，都不可能解决所有问题，一个问题也不都是仅由一种方法才能解决。相信随着视频侦查技术的广泛应用，会有更多、更好的实用方法服务于实践。

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Research on Passive Measurement Method of Monitoring Target Vehicle Speed in Video

JIN Huiyun，LI Yuan，XIE Xianneng，HU Bin