梁帥

（鐵道警察學(xué)院，河南 鄭州 450000）

基于監(jiān)控視頻的車輛速度測算

梁帥

（鐵道警察學(xué)院，河南 鄭州 450000）

在道路交通事故中，車輛超速行駛易引發(fā)交通事故。交通民警依據(jù)掌握的車輛發(fā)生事故時(shí)的速度既可以確定交通事故的性質(zhì)、分析事故原因，也是認(rèn)定交通事故責(zé)任的關(guān)鍵因素。本文通過對視頻資料中連續(xù)幀的序列圖像的分析處理來實(shí)現(xiàn)車輛速度的測定，在實(shí)際操作中可以很好地控制測量精度，將測量誤差控制在較小的范圍之內(nèi)。

交通事故；監(jiān)控視頻；車輛速度；測算

1 引言

在交通事故案件中，對事故車輛速度的確定關(guān)系到確定當(dāng)事人的過錯(cuò)和責(zé)任，將影響最終的事故認(rèn)定?，F(xiàn)有的交通事故處理中車輛測速研究、應(yīng)用主要集中在根據(jù)車輛制動(dòng)痕跡計(jì)算車速、利用物體拋距測算車速、根據(jù)人體特征損傷分析推算車速等。這些測算方法都存在一定的偏差。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)控錄像系統(tǒng)被逐漸運(yùn)用到道路交通管理中，甚至在一些大中城市視頻監(jiān)控系統(tǒng)覆蓋了所有交通要道。這些系統(tǒng)可以全天候工作，如果在攝像頭的視野范圍內(nèi)發(fā)生了交通事故，將會(huì)被記錄下來。因此監(jiān)控視頻在事故處理中具有不容忽視的作用和意義。

基于監(jiān)控視頻測速方法是利用道路上方的監(jiān)控，記錄車輛行駛圖像序列，運(yùn)用MALTAB等相應(yīng)軟件對記錄的圖像序列進(jìn)行分析，從中計(jì)算出車輛在多幀間的位移，從而得到車輛的動(dòng)態(tài)速度。通過對行駛車輛特征塊的檢驗(yàn)，獲得車輛在動(dòng)態(tài)時(shí)的像素距離，結(jié)合自身系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，像素距離換算成成實(shí)際距離，從而能夠?qū)囕v進(jìn)行精確測速。

2 監(jiān)控視頻測速的基本原理

監(jiān)控視頻測速，是指通過對車輛視頻監(jiān)控信號進(jìn)行分析，從而獲得車輛動(dòng)態(tài)速度的一種測速方法。其原理主要是記錄連續(xù)幀的圖像序列，并對其進(jìn)行計(jì)算機(jī)分析處理，測定車輛動(dòng)態(tài)速度。

監(jiān)控視頻流中連續(xù)幀的序列圖像顯現(xiàn)共同特征：

（1）連續(xù)的2幀序列圖像間時(shí)間間隔不發(fā)生改變；

（2）連續(xù)的2幀序列圖像間車輛目標(biāo)的位置不是固定不變的。

根據(jù)以上特點(diǎn),可以得出車輛目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度:v=△s/△t。而對目標(biāo)位置的相對移動(dòng)距離，通過對行駛車輛特征塊的檢驗(yàn)，獲得車輛在動(dòng)態(tài)時(shí)的像素距離，結(jié)合自身系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，像素距離換算成成實(shí)際距離，最后根據(jù)速度公式求取車輛運(yùn)動(dòng)速度。

視頻測速的重要程序：一是獲取車輛運(yùn)動(dòng)的像素距離。二是對應(yīng)車輛運(yùn)動(dòng)的像素距離與實(shí)際距離，在兩者之間進(jìn)行互相轉(zhuǎn)換，保證圖像每一個(gè)像素點(diǎn)均與現(xiàn)實(shí)路面上的區(qū)域?qū)?yīng)。

3 監(jiān)控視頻測速的程序

利用監(jiān)控視頻對交通事故中的車輛速度進(jìn)行測算，其主要包括監(jiān)控視頻提取、固定、監(jiān)控視頻的審查、檢驗(yàn)鑒定前的預(yù)處理以及具體的車速測算。

3.1 監(jiān)控視頻的提取與固定

只有合理地提取視頻文件，才能保證鑒定實(shí)用的檢材與監(jiān)控視頻系統(tǒng)中的檢材內(nèi)容一致，才能使檢材錄像條件保持較高的質(zhì)量。由于大多數(shù)監(jiān)控視頻是以數(shù)字化文件格式存儲在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，因此，可以通過復(fù)制方法提取文件。用此方法提取與固定文件不會(huì)發(fā)生變化。

3.2 監(jiān)控視頻的審查

3.2.1 監(jiān)控視頻的來源審查

審查監(jiān)控視頻首先對其來源進(jìn)行全面審查，包括對監(jiān)控視頻來源說明是否清楚、截獲的時(shí)間是否符合客觀實(shí)際、截獲的過程是否科學(xué)。對監(jiān)控視頻來源說明一般應(yīng)明確具體。

3.2.2 監(jiān)控視頻的真?zhèn)螌彶橐曨l的真?zhèn)螌彶榧词菍ΡO(jiān)控視頻的真實(shí)性進(jìn)行審查，審查其是否有替換、刪減、添加視頻信息。

3.2.3 監(jiān)控視頻的相關(guān)性審查

監(jiān)控視頻的相關(guān)性，指監(jiān)控視頻必須與待證案件事實(shí)有關(guān)，具有證明案件待證事實(shí)的屬性，與案件事實(shí)不相關(guān)的證據(jù)不能作為認(rèn)定案件的根據(jù)。對監(jiān)控視頻內(nèi)容審查，主要判斷需要證明的問題與視頻內(nèi)容是否存在緊密聯(lián)系。如果監(jiān)控視頻內(nèi)容與需要證明的問題沒有任何聯(lián)系，則不具有相關(guān)性，也就沒有檢驗(yàn)鑒定的必要。

3.3 檢驗(yàn)鑒定前的預(yù)處理

對視頻測速檢驗(yàn)鑒定前的預(yù)處理主要是對視頻文件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。當(dāng)監(jiān)控視頻提取以后，需要相關(guān)軟件能對提取出的視頻格式進(jìn)行正確識別和處理。如果軟件不能識別監(jiān)控視頻的格式，或者監(jiān)控視頻軟件的編碼不能識別，應(yīng)該通過原播放軟件播放視頻，或者根據(jù)視頻的編碼方式設(shè)計(jì)解碼程序進(jìn)行解碼。另外，不同的壓縮編碼方式對于幀的處理也是不一樣的，有的壓縮方式只是單獨(dú)對每一幀進(jìn)行壓縮，有的壓縮方法考慮前一幀或后一幀的變化。因此，提取幀的處理方法存在差異。

3.4 車速測算

各種測速方法中，所有的測速方法依據(jù)的公式都是：

要測算V，則必須求出車輛行駛的距離△s，以及間隔時(shí)間△t。

對于間隔時(shí)間△t的計(jì)算，通過視頻信號的固定幀間時(shí)間，可得出△t，比如處理對象為一段交通監(jiān)控avi視頻文件，幀速率為25幀/秒，則相鄰幀的時(shí)間間隔為0.04秒，間隔n幀則為0.04n秒。

對于車輛行駛距離的測量，本文采用的方法是首先找出兩幅圖像中目標(biāo)車輛的對應(yīng)塊（對應(yīng)點(diǎn)或者對應(yīng)線），一般有示廓燈、車燈、車牌等。然后運(yùn)用背景差法對兩幅序列圖像的后幀與前幀進(jìn)行差分，運(yùn)用Photoshop軟件測量車輛對應(yīng)塊的坐標(biāo)，差分前后幀、量取坐標(biāo)。

差分圖對應(yīng)點(diǎn)圖像坐標(biāo)，將圖像中運(yùn)動(dòng)車輛位移映射到實(shí)際位移。監(jiān)控的掃描線數(shù)目若干，分別記作：n，w1，w2，w3，……，wN為實(shí)際中對應(yīng)的不相等的距離，經(jīng)監(jiān)控成像，并分別對應(yīng)數(shù)字圖像序列中的每一行像素，即有相等的圖像距離，通過換算得出車輛的實(shí)際距離。

圖1中，監(jiān)控與地面的垂直距離為H，監(jiān)控最前拍攝角度對應(yīng)路面到監(jiān)控的垂直距離為lf，第一條掃描線與垂直方向的夾角為θ，則：

圖1 車輛移動(dòng)距離計(jì)算示意圖

根據(jù)圖1可以直觀得出：第n條掃描線與垂直方向的夾角為θ＋(n+1)α，因此有：

設(shè)在上一幀圖像中車牌所在的位置為n，在當(dāng)前幀中車牌所在的位置為m，則在相鄰兩幀移動(dòng)的像素行數(shù)為m-n，由（4）可以計(jì)算出m-n行像素的實(shí)際距離為：

監(jiān)控緊鄰的兩條掃描線之間的夾角為α，攝像機(jī)視場角為β（通過監(jiān)控?cái)z像頭說明書可知），圖像高度為λ像素（查看圖像屬性可知），則有：

此時(shí)，根據(jù)公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）得出視頻畫面中目標(biāo)車輛的速度：

4 監(jiān)控視頻測速的影響因素分析及注意事項(xiàng)

4.1 監(jiān)控視頻的壓縮處理問題

監(jiān)控視頻系統(tǒng)中圖像一般均采用壓縮的方式進(jìn)行處理，而且絕大多數(shù)數(shù)碼視頻采用了有損壓縮的方法。由于監(jiān)控視頻系統(tǒng)中圖像信息量比較大，因此有必要采用壓縮信息量的方式減少工作量。攝像裝置采集到的圖像數(shù)據(jù)中總存在冗余現(xiàn)象。因此，圖像中的這些冗余數(shù)據(jù)完全可以用壓縮技巧減少數(shù)據(jù)量。

4.2 視頻信號中的車輛定位

視頻信號中車輛的定位準(zhǔn)確與否，直接關(guān)系到最終的測算精度。利用MALTAB仿真平臺,基于背景差法，對視頻中重點(diǎn)序列圖像進(jìn)行精確的目標(biāo)定位,繼而準(zhǔn)確定位目標(biāo)車輛，找尋目標(biāo)車輛的特征塊，測量兩幅序列圖像間的相對移動(dòng)距離。

4.3 目標(biāo)車輛的特征點(diǎn)提取及坐標(biāo)測量

為了準(zhǔn)確測定車輛速度，必須重點(diǎn)提取視頻序列，匹配經(jīng)過車輛的不變特征量，以便直接測算車輛行駛距離，特征量是否可靠直接影響到結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此需要選擇合適的特征量。本文采用的方法是首先找出兩幅圖像中目標(biāo)車輛的對應(yīng)塊（對應(yīng)點(diǎn)或者對應(yīng)線），一般有示廓燈、車燈、車牌等。然后運(yùn)用背景差法對兩幅序列圖像的后幀與前幀進(jìn)行差分，運(yùn)用軟件測量車輛對應(yīng)塊的坐標(biāo)。在選擇對應(yīng)塊時(shí)，應(yīng)選擇尺寸較小、清晰的對應(yīng)點(diǎn)或者對應(yīng)線，從而有利于精確測量對應(yīng)點(diǎn)、對應(yīng)線的坐標(biāo)。在測量對應(yīng)塊的坐標(biāo)時(shí)應(yīng)多次測量取平均值，確保坐標(biāo)測量有較高的精度。

4.4 實(shí)地距離測量及相關(guān)參數(shù)采集

H及l(fā)f的測量精確與否將直接影響θ的測算，進(jìn)而影響最終的車速測算結(jié)果。在測量攝像機(jī)距地面的高度H時(shí)，必須保證垂直地面測量，方法可以采用鉛垂測量法，從而保證測量精度。測量lf時(shí)必須保證攝像機(jī)傾斜角與事故發(fā)生時(shí)相同且攝像機(jī)位置不變，測量點(diǎn)為監(jiān)控?cái)z像機(jī)的正下方。

4.5 前、后幀間隔時(shí)間測算

根據(jù)公式（1）：v=△s/△t，要計(jì)算車速必須知道前、后圖像幀的間隔時(shí)間△t。設(shè)相鄰兩幀圖像間的時(shí)間間隔為t’，在速度測量中，t’是間隔時(shí)長△t的分辨率。因?yàn)槟繕?biāo)車輛行駛距離s所經(jīng)過的時(shí)間基本不可能為t＝n△t，所以存在1個(gè)t’范圍內(nèi)的誤差。如果t’較大（即路面監(jiān)控?cái)z像機(jī)的攝像頻率較低）時(shí)，測算所得時(shí)間誤差較大，造成最終速度的測量誤差較大。為使測得的速度盡量精確，必須減小t’，提高路面監(jiān)控?cái)z像機(jī)的攝像頻率。

5 結(jié)論

通過運(yùn)用理論研究和實(shí)證分析相結(jié)合的研究方法，我們總結(jié)出：基于監(jiān)控視頻測算車輛速度，操作方便快捷、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、計(jì)算精度較高；基于監(jiān)控視頻測算車輛速度過程中，一定要注意目標(biāo)車輛特征點(diǎn)的選取及坐標(biāo)測量；針對視頻信號變化快速的特點(diǎn)，如何提高提取特征點(diǎn)的穩(wěn)定性和有效性是我們需要攻克的難點(diǎn)和重點(diǎn)。且由于不同的室外環(huán)境以及監(jiān)控自身的抖動(dòng)等因素，存在一些誤差，有待進(jìn)改進(jìn)測速方法，提高測算精確度。

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Vehicle Speed Measurement Based on Surveillance Video

Liang Shuai
(Railway Police College，Zhengzhou 450053，Henan)

tract】 Vehicle speeding always leads to traffic accidents.According to the speed of the vehicle in accidents，polices can determine the nature of the traffic accident，analyzes the reason，and identifies the accident liability.This article measures the vehicle velocity by analyzing the continuous sequences of images in the video，which has good precision with the measurement error in a smaller scale.

words】 traffic accident;surveillance video;vehicle speed;measuring

D918.2

A

1008-6609(2017)04-0036-03

作者信息：梁帥（1989-），男，山東人，碩士，助教，研究方向?yàn)樗颊?、刑事技術(shù)。