視頻計(jì)算車速角度下的數(shù)據(jù)處理與事故研究

摘要：當(dāng)前視頻監(jiān)控系統(tǒng)在社會(huì)管理中扮演著重要的角色，極大地方便了交通事故的處理和分析。通過(guò)對(duì)視頻圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可以得出相應(yīng)的時(shí)間速度曲線進(jìn)而還原事故運(yùn)動(dòng)過(guò)程，分析肇事人駕駛操作的實(shí)際情況，為管理部門(mén)提供相應(yīng)的事故處理參考依據(jù)?；诖?，文章對(duì)視頻圖像計(jì)算車速角度下對(duì)數(shù)據(jù)處理和事故分析進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：視頻圖像計(jì)算；車速角度；數(shù)據(jù)處理；事故分析；視頻監(jiān)控系統(tǒng)；事故運(yùn)動(dòng)過(guò)程 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：U491 文章編號(hào)：1009-2374（2016）10-0020-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.10.009

視頻監(jiān)控是一個(gè)非常直觀的記錄設(shè)備，可以很好地記錄道路交通事故。通過(guò)對(duì)視頻信息進(jìn)行深入挖掘?qū)?huì)得到很多的事故信息。比如，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型可以將事故過(guò)程中車輛的實(shí)際行駛速度計(jì)算出來(lái)，進(jìn)而深入分析道路交通事故，對(duì)事故的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行還原，為交警部門(mén)提供相應(yīng)事故認(rèn)定的證據(jù)。

1 視頻圖像與視頻中運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)態(tài)特征

1.1 視頻圖像特點(diǎn)

由攝像機(jī)得到的一系列的圖像組成稱之為監(jiān)控視頻，若是視頻中的物體靜止不動(dòng)，那么不同幀形成的圖像物體的位置將會(huì)不變，這樣一來(lái)播放時(shí)形成的圖像將會(huì)是靜止不動(dòng)的。假如物體位置發(fā)生了變化，在不同幀形成的圖像上物體位置也會(huì)不一樣，在電腦上則是通過(guò)播放器將圖像根據(jù)攝影機(jī)的拍攝順序依次播放出來(lái)，這樣就形成了正在運(yùn)動(dòng)的畫(huà)面。在視頻特征中，幀頻率是一個(gè)非常重要的概念，振頻率指的是圖像處理器每s鐘的變化次數(shù)，單位為fps，視頻圖像中的幀頻率主要是由設(shè)備來(lái)決定的。圖像中任何一個(gè)區(qū)域中每幀之間的時(shí)間都是固定不變的，例如視頻為25fps的幀頻率，即每幀之間的間隔大約為0.04s，為30fps的視頻圖像，每幀之間的時(shí)間間隔為1/30s。

1.2 視頻中運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)態(tài)特征

圖1 透視現(xiàn)象示意圖

如上圖1所示，在視頻播放過(guò)程中物體運(yùn)動(dòng)主要是從底邊AB方向開(kāi)始向后面移動(dòng)，那么物體上的特征主要是點(diǎn)AB的所有運(yùn)動(dòng)軌跡都處于同一條空間直線上。在第0幀圖片中，特征點(diǎn)A、B所對(duì)應(yīng)的位置分別是畫(huà)面中的AX、BX坐標(biāo)，當(dāng)?shù)降贘幀時(shí)，特征點(diǎn)A、B則對(duì)應(yīng)的是下圖中AX0、BX0和AXj、BXj坐標(biāo)。盡管AX0、BX0和AXj、BX在圖像中的長(zhǎng)度不一樣，但其所對(duì)應(yīng)的真實(shí)長(zhǎng)度均是AB的實(shí)際長(zhǎng)度，并且AB之間的實(shí)際長(zhǎng)度可以通過(guò)直尺來(lái)測(cè)量。在圖1中我們可以清楚地看到視頻圖像中物體特征的變化過(guò)程。

2 借用視頻資料分析道路交通事故的方法

根據(jù)視頻資料創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型，以此來(lái)計(jì)算出事故車輛的準(zhǔn)確速度數(shù)值；根據(jù)速度值進(jìn)行回歸計(jì)算得到事故車輛的運(yùn)動(dòng)軌跡方程，根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡方程計(jì)算車輛的加速度；結(jié)合計(jì)算出的速度數(shù)值創(chuàng)建時(shí)間坐標(biāo)，畫(huà)出時(shí)間-速度曲線變化圖；按照之前計(jì)算出的運(yùn)動(dòng)軌跡方程可以計(jì)算出事故車輛任意一點(diǎn)的瞬時(shí)速度，根據(jù)瞬時(shí)速度方程可以得到碰撞時(shí)的速度、制動(dòng)前的速度以及產(chǎn)生制動(dòng)效能的速度等幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)速度。另外，根據(jù)以上所提到的運(yùn)動(dòng)軌跡方程還可以分析出參與者與事故關(guān)鍵點(diǎn)的位置-時(shí)間關(guān)系。

2.1 創(chuàng)建速度計(jì)算的數(shù)學(xué)模型

速度計(jì)算公式是位移除以時(shí)間，在視頻圖像畫(huà)面中的位移是已知的，在車輛行駛方向上的車身上設(shè)置一個(gè)特征點(diǎn)（特征點(diǎn)與車輛同速），計(jì)算出特征點(diǎn)經(jīng)過(guò)已知位移的時(shí)間，由此可以得出車輛通過(guò)該路段的平均速度。已知的視頻圖像一般都是由大量的單獨(dú)圖像組成，由于幀時(shí)間間隔不穩(wěn)定，特征點(diǎn)經(jīng)過(guò)已知位移的時(shí)間也不準(zhǔn)確，一般得出的數(shù)據(jù)都是處于n2.2 時(shí)間-速度曲線的繪制

使用時(shí)間插值法計(jì)算出的車輛行駛速度是事故車輛經(jīng)過(guò)標(biāo)尺的平均速度，但是繪制時(shí)間-速度曲線圖時(shí)使用的是瞬時(shí)速度，所以必須對(duì)當(dāng)前計(jì)算出的平均速度進(jìn)行轉(zhuǎn)換。車輛在進(jìn)行勻變速直線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，某一段時(shí)間內(nèi)的平均速度就等于該段時(shí)間內(nèi)的中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度。汽車的質(zhì)量很大，在較短的時(shí)間內(nèi)汽車的速度不會(huì)出現(xiàn)較大的起伏，可以將其運(yùn)動(dòng)軌跡視為勻變速直線運(yùn)動(dòng)，在這種情況下，平均速度與中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度是可以相互使用的。使用視頻計(jì)算事故車輛行駛速度時(shí)，時(shí)間主要以幀為單位，也就是計(jì)算0-n幀內(nèi)的汽車平均速度，瞬時(shí)速度則是對(duì)應(yīng)的n/2；以此類推在1-n+1幀的平均速度，對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度則為n+1/2；以同樣的方式計(jì)算下面的瞬時(shí)速度，在這樣的時(shí)間軸上就得到了一個(gè)連續(xù)的時(shí)間序列，計(jì)算出對(duì)應(yīng)時(shí)間序列上的瞬時(shí)速度，以此來(lái)繪制時(shí)間-速度曲線圖。

3 案例分析

在某次交通事故中，一輛摩托車在交叉路口撞到行人并導(dǎo)致行人受傷，調(diào)取監(jiān)控視頻圖像，發(fā)現(xiàn)在2015-05-16的09∶32∶24（s）第16幀，行人從路口的西側(cè)開(kāi)始橫穿馬路，到第41（s）第9幀，南北方向綠燈亮起，南北方向車輛直行，第41（s）第10幀，摩托車從東西方向停止線穿過(guò)，車頭在視頻圖像畫(huà)面的右側(cè)。在視頻圖像畫(huà)面右側(cè)44（s）第9幀，撞到行人。

3.1 分析方法

依靠運(yùn)動(dòng)跟蹤軟件來(lái)逐幀跟蹤摩托車的行駛路徑，了解摩托車的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。在監(jiān)控視頻圖像畫(huà)面的右下角設(shè)置直角坐標(biāo)系原點(diǎn)。在42s第14幀視頻圖像畫(huà)面中的摩托車后輪與前輪中心處標(biāo)記為跟蹤點(diǎn)，同時(shí)將此時(shí)計(jì)算出的時(shí)間（幀）作為時(shí)間原點(diǎn)，根據(jù)幀的順序播放視頻，在45s第18幀結(jié)束跟蹤。

使用時(shí)間插值法建立了數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出摩托車運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)第一個(gè)標(biāo)尺使用的時(shí)間t，然后根據(jù)公式計(jì)算該標(biāo)尺處的瞬時(shí)速度，可以得出一組平均速度，最后根據(jù)勻變速直線運(yùn)動(dòng)的平均速度等于中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度這個(gè)特點(diǎn)，繪制出時(shí)間-速度曲線關(guān)系圖。如圖2所示：

圖2 時(shí)間-速度曲線

根據(jù)上面的跟蹤數(shù)據(jù)可以得出：摩托車主要經(jīng)歷了勻速-微減速-緊急制動(dòng)三個(gè)過(guò)程，41.52～42.00勻速時(shí)段的平均速度為46.06km/h，摩托車與行人碰撞的時(shí)間為44.36s，此時(shí)摩托車的瞬時(shí)速度是22.78km/h。

3.2 對(duì)事故進(jìn)行詳細(xì)分析

3.2.1 事故雙方的位置關(guān)系。計(jì)算者利用跟蹤軟件的網(wǎng)格功能將路口北側(cè)斑馬線長(zhǎng)度作為參照標(biāo)尺，由此來(lái)計(jì)算摩托車在不同狀況下與行人的相對(duì)位移。例如在43.00s時(shí)，行人距離摩托車的距離為23.00m，此時(shí)摩托車的瞬時(shí)速度剛好為47.00km/h，在43.96s時(shí)，行人距離摩托車的距離是12.00m，這時(shí)摩托車的瞬時(shí)速度則為44.59km/h，當(dāng)行人距離摩托車的距離只有7.00m時(shí)，摩托車的瞬時(shí)速度為41.27km/h。

3.2.2 摩托車駕駛員采取的方法。分析時(shí)間-速度曲線斜率的變化，可以得出在41.00s之前時(shí)間-速度曲線斜率基本沒(méi)有發(fā)生變化，摩托車一直處于勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而此時(shí)的摩托車駕駛員也并未采取任何解決方法。從42.00s開(kāi)始，摩托車的速度逐漸減慢，從原來(lái)的46.00km/h變?yōu)榱?4.38km/h，根據(jù)速度變化我們得出此時(shí)的駕駛員只采取了掛檔滑行、丟油門(mén)措施。在42.00s時(shí)，行人發(fā)現(xiàn)了摩托車向其駛來(lái)，行人停止了行走。在43.40s之前，摩托車和行人之間的距離由原來(lái)的11.55m變?yōu)榱?.75m，但是此時(shí)摩托車的瞬時(shí)速度依然是41.07km/h，由此可得，摩托車駕駛員雖然已經(jīng)采取了相應(yīng)的解決措施，但是摩托車還處于制動(dòng)力上升的過(guò)程。當(dāng)摩托車與行人發(fā)生碰撞時(shí)，行駛速度由原來(lái)的41.07km/h變?yōu)榱?7.88km/h，此時(shí)的摩托車雖然已經(jīng)啟動(dòng)了緊急制動(dòng)，但是已經(jīng)沒(méi)有作用了。通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析可得，摩托車駕駛員對(duì)行人運(yùn)動(dòng)速度估計(jì)不準(zhǔn)確，并且采取的解決方法也不合理。

3.2.3 判斷摩托車闖紅燈的依據(jù)。經(jīng)過(guò)調(diào)查分析可得，路口紅綠燈變化的時(shí)間為3.00s，也就是西口紅燈變?yōu)榫G燈之間的間隔時(shí)間為3.00s。當(dāng)摩托車距離停車線還有43.00m時(shí)，西口紅燈已經(jīng)亮了3.00s，根據(jù)摩托勻速時(shí)段速度的推算可得，當(dāng)西口紅燈再亮?xí)r，摩托車距離停車線還有39.00m，這說(shuō)明了摩托車闖了紅燈。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在交通事故分析中，利用視頻圖像計(jì)算角度下數(shù)據(jù)處理法對(duì)事故進(jìn)行深入分析，可以有效解決存在的實(shí)際問(wèn)題。利用時(shí)間-速度曲線圖可以將事故發(fā)生的整個(gè)過(guò)程還原出來(lái)，包括肇事者是否采取了相應(yīng)的應(yīng)急措施、車輛實(shí)際的運(yùn)行情況、車輛制動(dòng)情況等，為交通案件的分析提供了更深層次的參考數(shù)據(jù)。

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作者簡(jiǎn)介：潘彧坤（1985-），男，云南曲靖人，云南云通司法鑒定中心初級(jí)工程師，研究方向：交通事故車輛安全技術(shù)鑒定及肇事車輛車速技術(shù)鑒定。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）