移動目標(biāo)（車輛）的被動式視頻測速技術(shù)方法研究及軟件實現(xiàn)

靳慧云，李　苑，馬　程，張　彬，刁一平

（1.浙江警察學(xué)院 計算機與信息技術(shù)系，浙江 杭州310053；2.杭州?？低晹?shù)字技術(shù)有限公司，浙江 杭州310051）

移動目標(biāo)（車輛）的被動式視頻測速技術(shù)方法研究及軟件實現(xiàn)

靳慧云1，李苑1，馬程2，張彬2，刁一平2

（1.浙江警察學(xué)院 計算機與信息技術(shù)系，浙江 杭州310053；2.杭州海康威視數(shù)字技術(shù)有限公司，浙江 杭州310051）

針對普通攝像機對目標(biāo)車輛進行主動式速度測量時存在影響因素多、手工操作復(fù)雜、測量誤差大等問題，提出了一種被動式移動目標(biāo)測速方法，并結(jié)合不同場景給出了部屬應(yīng)用方案，最終設(shè)計完成一種實現(xiàn)被動式視頻測速的軟件，同時指出了實際應(yīng)用中應(yīng)注意的問題。

視頻畫面；被動式；車輛測速

隨著我國視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的普及，通過視頻監(jiān)控獲取信息量越來越大，從視頻畫面中提取線索和證據(jù)，在司法實踐和交通管理等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。視頻測量技術(shù)也在不斷地發(fā)展完善。通常，視頻測量包括目標(biāo)的尺寸測量技術(shù)和移動目標(biāo)速度的測量技術(shù)。本文主要闡述視頻監(jiān)控畫面中目標(biāo)車輛速度的被動式視頻測速技術(shù)的基本原理、方法以及軟件的實現(xiàn)。本項目設(shè)計完成的軟件系統(tǒng)，具有重復(fù)性強、操作簡便和測量精度高的特點，為我國的公安司法實踐和相關(guān)研究工作提供了技術(shù)支持。

一、視頻被動式測速技術(shù)及工作原理

（一）視頻被動式測速的主動式與被動式

目前，車輛速度的測量的方式可分為兩類：一類是主動測量的方式，即依靠事先專門安置的測速設(shè)備或軟件系統(tǒng)，在固定的地點，對特定區(qū)域的車輛進行測速的方式。另一類是被動式測量方式，即基于監(jiān)控視頻攝像機采集到的視頻畫面，對其中目標(biāo)車輛進行測速的方式，解決的是監(jiān)控視頻拍攝現(xiàn)場并無專用測速設(shè)備，而需要攝后測量的技術(shù)問題。從司法應(yīng)用的角度講，它是以案（事）件發(fā)生后的視頻為檢材，通過專門的信息圖像處理及分析，以獲取涉案（事）車輛的相關(guān)線索或證據(jù)的檢測方法。本項目研究的主要內(nèi)容正是這種基于視頻的被動式移動目標(biāo)（車輛）速度測量方法。

（二）被動式視頻測速的基本原理

1.基本原理

在視頻測速中，無論是主動式測量還是被動式測量，距離和時間都是兩個不可或缺的參數(shù)。若設(shè)需要測量的車速為v，被測距離為Δl，測量時間為Δt，則視頻測速的基本公式為：v=。在實際應(yīng)用中，關(guān)鍵是距離的時間顯示或從被測視頻中幀數(shù)（幀差）直接獲得。視頻測速解決的是一個物體在現(xiàn)場空間移動距離的測量問題，即參數(shù)Δl的求解問題。從目前的解決方案看，從目標(biāo)車輛與現(xiàn)場空間相對位移的關(guān)系上找出移動距離有以下兩種途徑。

第一，在車身上確定一個標(biāo)志點作為參照，在車輛開過的瞬間，此點在現(xiàn)場空間“刷”出的兩個點間的距離，或由現(xiàn)場空間的一個點“刷”出車輛上的兩個點間的距離（車身較長的長掛車），如圖1-1、圖1-2所示。

圖1-1

圖1-2

第二，借助于視頻目標(biāo)尺寸的測量方法，解決參數(shù)問題，如建模法測量、匹配法測量等等。

2.視頻測速中的平均速度和即時速度

基于城市視頻監(jiān)控的視頻測速，是通過一段“被測視頻”完成的，采用的是一種動態(tài)的測量方法（相對于視頻尺寸測量）。至于測量得出的數(shù)據(jù)，是平均速度還是即時速度，應(yīng)視不同情況而確定。從視頻測速的角度看，被測視頻中實際測量兩點間的幀差越小，目標(biāo)運動的距離越短，就越接近即時速度（但測量誤差亦可能越大）；相反，兩點間的幀差較大，車輛運動的距離較遠，所測的速度則為兩點間的平均速度。

（三）視頻畫面空間關(guān)系

1.視頻中目標(biāo)車輛速度測量的點、線、面關(guān)系

視頻畫面中目標(biāo)車輛速度測量，是解決在一個平面上移動目標(biāo)的測量問題，其測量值是一個矢量，故它不僅涉及移動目標(biāo)移動的長度，還涉及目標(biāo)移動的方向。而且，視頻監(jiān)控攝像頭攝取的畫面，是一個用二維畫面表達三維空間的透視圖，因此，需要對三維空間的點、線、面的關(guān)系有個明確的認(rèn)識。

2.視頻測速中的坐標(biāo)關(guān)系

圖像坐標(biāo)（x，y）：輸入的圖像坐標(biāo)，以左上角為原點，像素為單位。此輸入可以人機交互輸入或者圖像檢測得到的信息輸入。

圖像坐標(biāo)（u，v）：為歸一化的圖像坐標(biāo)，以成像面主點為原點，歸一化比例為單位。

其中H為圖像的高度分辨率，（u0，v0）為成像像主點，假設(shè)主點圖像中央，即u0=0.5，v0=0.5，圖像沒有發(fā)生畸變。

攝像機坐標(biāo)系（Xc，Yc，Zc）：以攝像機所在點為原點，Zc為光軸，Yc為與u平行的坐標(biāo)軸，Xc為與v平行的坐標(biāo)軸，單位為米。由相似三角形可知：

世界坐標(biāo)系（X，Y，Z）：攝像機光軸與地平面的交點為原點，Z為高度坐標(biāo)，Y為光軸和高度所在平面與地平面的交線，X為與Y軸垂直的軸，單位為米。（X，Y，Z）經(jīng)過旋轉(zhuǎn)和平移可得到攝像機坐標(biāo)Xc，Yc，Zc：

通過公式（2）和（3）可以得到：

公式（4）將世界坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化到圖像坐標(biāo)系中，其中三個參數(shù)（f，H，φ）為攝像機參數(shù)，f為內(nèi)參數(shù)，（H，φ）為外參數(shù)。由公式（4）可知，圖像坐標(biāo)（u，v）一點對應(yīng)世界坐標(biāo)里面的一條線，這也就是平時所說的三維變到二維的原因。

綜上所述，在車輛測速應(yīng)用中，最好是將標(biāo)定線限定在地平面上，即Z=0，此時公式簡化為：

若圖像坐標(biāo)地平面兩點分別為（u1，v1）和（u2，v2），兩點對應(yīng)地面距離為D，則有以下公式

可以看出，函數(shù)有4個參數(shù)，如果通過已知的4條標(biāo)定線就可以求解到映射關(guān)系函數(shù)。通過映射關(guān)系函數(shù)可以求取圖像中任意兩點之間（兩個點都需要在地面上）的實際距離，進而求得目標(biāo)車輛的準(zhǔn)確速度。

（四）不同場景下被動式視頻測速

1.不同監(jiān)控點之間的車輛平均速度測量

不同監(jiān)控點之間的車輛平均速度測量方法比較簡單。只要取現(xiàn)場兩個監(jiān)控點拍攝的較為清晰的畫面，找出明顯的參照物或標(biāo)志線，并依此作為起點和終點的計時點，沿目標(biāo)車輛行駛的軌跡實地測量兩點間的實際距離參數(shù)Δl，根據(jù)視頻畫面時間顯示或在起止區(qū)域內(nèi)行駛的幀數(shù)，推算經(jīng)過兩點間的時間參數(shù)Δt，即可計算得出該路段內(nèi)相應(yīng)的平均速度（這種測量也可以在視頻平臺上實現(xiàn)），但要注意兩點：

一是兩個監(jiān)控點之間的距離不宜太長，而且，交通狀況應(yīng)良好，通暢無障礙，否則測出的平均速度意義不大。二是兩個視頻監(jiān)控點最好在同一監(jiān)控系統(tǒng)中，這樣系統(tǒng)生成的時間碼是一致的，時間計算或校正更為便利和準(zhǔn)確。

2.同一監(jiān)控點的視頻測速

同一監(jiān)控點視頻中目標(biāo)車輛速度的測量，是指通過在同一場景、同一個監(jiān)控頭拍攝的被測視頻進行的車速測量，這種測量需求實際工作中較為常見，也正是本項研究的重點。目前，主要方法有以下幾種：

一是根據(jù)現(xiàn)場參照物獲取參數(shù)Δt的方法。這種方法，是基于被測視頻所反映的原發(fā)現(xiàn)場中，尚存在未發(fā)生變化的參照物或標(biāo)志線（如斑馬線、隔離樁、樹木等等），能夠確定起止測量點。然后，通過現(xiàn)場實地測量起止點的實際距離，獲取參數(shù)Δt值從而完成測量的方法。

二是根據(jù)目標(biāo)車輛的車身特征點獲取參數(shù)的方法。這種方法是在目標(biāo)車輛車身上選擇兩個特征點作為標(biāo)定點，畫面檢測時，選擇一個點作為定位點，觀測目標(biāo)車輛車身上這兩個特征點通過選定的定位點的畫面幀數(shù)，獲取參數(shù)Δt，然后根據(jù)目標(biāo)車輛車身上選擇的兩個特征點確定Δl，從而完成測量的方法。例如，車身測量法，是在對各種車輛車身長度已知或可查知的前提下進行的。以車前端和車后端某兩點（最好是兩輪胎著地點）作為標(biāo)定點，在被測視頻畫面中，在屏幕上車前端的特征點位置進行標(biāo)注，作為定位點，逐幀播放視頻，觀測目標(biāo)車輛車身后端通過這個定位點的畫面幀數(shù)，獲取參數(shù)Δt，然后，根據(jù)車型確定數(shù)據(jù)Δl（如軸距），從而完成測量。利用這種方法測量車速，優(yōu)點是無需到現(xiàn)場，只要能夠確定目標(biāo)車輛的類型，并通過車輛數(shù)據(jù)庫或上網(wǎng)搜索相關(guān)車長數(shù)據(jù)，即可完成測量。

三是利用畫面匹配獲取參數(shù)Δl的方法。這種方法是基于畫面匹配的原理實現(xiàn)測量的［1］。即首先要在被測視頻中觀察目標(biāo)車輛行駛的軌跡，取一定時間段的畫面進行匹配，標(biāo)出測量點或線，根據(jù)被測視頻標(biāo)出的點或線，建立標(biāo)定視頻。然后，進入現(xiàn)場測量標(biāo)定點之間的實際距離以獲取參數(shù)Δl，再查算車輛通過標(biāo)記點的畫面幀數(shù)，求得參數(shù)Δt，從而完成測量。

二、視頻被動式測速軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

針對不同場景下的目標(biāo)車輛的速度測量，本項研究開發(fā)了一個可重復(fù)性高、操作簡便、準(zhǔn)確性較高的專用軟件——速度測量工具。

（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本軟件主要分為三個部分：應(yīng)用界面、解碼庫、算法庫。如圖2-1所示。

圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

解碼庫負(fù)責(zé)對各種視頻文件進行解碼；應(yīng)用界面負(fù)責(zé)顯示視頻畫面，為用戶提供標(biāo)注界面入口，并接收用戶輸入?yún)?shù)，調(diào)用算法庫獲取結(jié)果；算法庫負(fù)責(zé)實現(xiàn)不同測算方法的算法實現(xiàn)，接收測算參數(shù)，返回測算結(jié)果。

（二）開發(fā)環(huán)境和開發(fā)工具

本系統(tǒng)為了便于普及和基層民警使用，對運行環(huán)境要求只要滿足硬件環(huán)境CPU為雙核，不低于1.6GHz，內(nèi)存為DDR II或DDR III，不少于4GB，硬盤不低于100GB，顯卡具有2D、3D硬件加速性能即可。運行軟件環(huán)境支持操作系統(tǒng)為Windows XP/ Windows 7，32位或64位。

本系統(tǒng)采用visual studio 2008為開發(fā)工具，開發(fā)語言為C++。

（三）測速計算方式計算法實現(xiàn)

本軟件提供了三種速度測量方法。

1.車身測速法

車身測速法是以車軸距為基準(zhǔn)，對同一車輛在視頻中不同時間點所標(biāo)定的車身軸距進行空間建模，建立三維空間關(guān)系，再求出車輛的行駛速度。本方法適用大部分視頻拍攝角度場景下的車輛測速。這種方法的優(yōu)勢是已知型號車輛的軸距是已知的，在實際操作中，用戶只需要標(biāo)定4軸距線就可以測試出結(jié)果，無需去現(xiàn)場進行實地測量，適用范圍廣、操作簡單、準(zhǔn)確度較高。

2.空間測速法

空間測速法同樣使用了空間建模技術(shù)，通過標(biāo)定視頻中路面寬高，以及該車輛行駛的起始時間點和結(jié)束時間點求得車輛的行駛速度。該方法適合于可以找到原始現(xiàn)場，具備現(xiàn)場地面測量條件的現(xiàn)場。本方法可適用于高機位拍攝角度的場景，原理和車身測速法一樣。如果由于相機架設(shè)原因看不到車輛的前后輪，就不能利用車輛軸距的方法來標(biāo)定，此時可以利用車道線當(dāng)成參考物來標(biāo)定，目的也是要得到4條標(biāo)定線。在實際場景中，推薦用戶在車道上選取矩形框，這樣就可以生成4條已知線段，矩形的寬和高需要回到現(xiàn)場測量，之后的步驟和空間法一樣求出車輛的速度。

3.平面測速法

平面測速法采用了平面按比例進行測算的方式，通過標(biāo)定視頻中已知參照物的尺寸，以及該車輛行駛的起始時間點和結(jié)束時間點求得車輛的行駛速度。該方法適合于原始現(xiàn)場有可測量的參照物，且視頻拍攝角度與車輛行駛方向垂直，參照物與車輛處于同一平面的現(xiàn)場。

平面測速法的原理的依據(jù)是：在同一平面中，各物體尺寸的比例是相等的。如果一個車輛在同一平面上行駛，那么從起點到終點這段距離對應(yīng)的路面線段，與這個平面中其他物體的尺寸是等比例的，知道了這個平面中其他物體的尺寸，則這段路面線段的尺寸也就知道了。再通過終點與起點視頻幀的時間差，就能夠知道這段距離所使用的時間，根據(jù)“速度=距離/時間”計算出這段距離的平均車速。

（四）操作方法

1.車身測速法

具體操作步驟如下：

步驟一：定位視頻中待測車輛位置。

播放待測視頻，在出現(xiàn)待測車輛的畫面時點擊暫停按鈕。

步驟二：標(biāo)定車輛軸距。

切換到車身測速tab頁，點擊“畫標(biāo)記線”按鈕，并在車輛前后車輪接觸地面的位置標(biāo)定軸距線。如果擔(dān)心標(biāo)定不夠準(zhǔn)確，可以點擊按鈕。在標(biāo)定前先開啟放大功能并滾動鼠標(biāo)滾輪，將車輪位置放大后再標(biāo)定。標(biāo)注點的位置會在右下角的框中放大顯示，可以使用Ctrl+方向鍵、Shift+方向鍵對標(biāo)注點進行微調(diào)。標(biāo)定完一條軸距線后，可拖動幀刻度游標(biāo)，對播放進度進行微調(diào)，使車輛移動一小段距離，再標(biāo)定下一條軸距線。如此反復(fù)，標(biāo)定4～8條軸距線。如圖2-2所示。

圖2-2 標(biāo)定軸距線

步驟三：測算測量速度。

標(biāo)定完軸距線后，根據(jù)待測車輛的型號，在車輛軸距編輯框中輸入實際軸距，再點擊“測算速度”按鈕，獲得測算結(jié)果。如圖2-3所示。

圖2-3 測算結(jié)果

2.空間測速法

具體操作步驟如下：

步驟一：標(biāo)定路面矩形區(qū)域。

播放待測視頻，在出現(xiàn)待測車輛經(jīng)過的路面畫面時點擊暫停按鈕。切換到空間測速tab頁，點擊“畫矩形”按鈕，并依次在車輛經(jīng)過的路面的左上、右上、左下、右下四個角點擊標(biāo)定出事先確定好的路面的矩形區(qū)域。為了提高精度，可先放大再標(biāo)定。如圖2-4所示。

步驟二：輸入矩形區(qū)域的寬、高值。

在寬度、高度輸入框中輸入實地測量好的路面矩形區(qū)域的寬高值。

圖2-4 標(biāo)定路面

步驟三：標(biāo)記始末位置。

拖動幀刻度游標(biāo)，微調(diào)播放進度，使待測車輛出現(xiàn)在視頻畫面中，點擊“畫標(biāo)記點”按鈕，選擇車身中易標(biāo)注的地方標(biāo)注一個點，如車輪外側(cè)著地的點、車燈、車輪中心點等。再次拖動幀刻度游標(biāo)，微調(diào)播放進度，使待測車輛移動一段距離，并在車身相同的地方再次標(biāo)注一個點。

步驟四：測算測量速度。

點擊“測算速度”按鈕，獲得測算結(jié)果。如圖2-5。

圖2-5 測算結(jié)果

3.平面測速法

具體操作步驟如下：

步驟一：標(biāo)定參照物。

播放待測視頻，在出現(xiàn)待測車輛畫面時點擊暫停按鈕。切換到平間測速tab頁，點擊“畫標(biāo)記線”按鈕，在視頻畫面中標(biāo)定出參照物線段。

步驟二：輸入?yún)⒄瘴锍叽纭?/p>

在參照物長度輸入框中輸入?yún)⒄瘴镩L度。

步驟三：標(biāo)定始末位置。

拖動幀刻度游標(biāo)，微調(diào)播放進度，使待測車輛出現(xiàn)在視頻畫面中，點擊“畫標(biāo)記點”按鈕，選擇車身中易標(biāo)注的地方標(biāo)注一個點，如車輪外側(cè)著地的點、車燈、車輪中心點等。再次拖動幀刻度游標(biāo)，微調(diào)播放進度，使待測車輛移動一段距離，并在車身相同的地方再次標(biāo)注一個點。

步驟四：測算測量速度。

點擊“測算速度”按鈕，獲得測算結(jié)果。如圖2-6所示。

圖2-6 測算結(jié)果

（五）被動式視頻測速應(yīng)注意的問題

1.被動式視頻測速應(yīng)具備的基本條件

首先，目標(biāo)車輛在被測視頻中應(yīng)有一定長度的行駛軌跡。

其次，采用空間測速方法時，通過被測視頻反映出的案（事）件，應(yīng)可以找到原發(fā)現(xiàn)場。而且，原發(fā)現(xiàn)場應(yīng)有尚未發(fā)生變化的參照物或標(biāo)志線，可以提供較準(zhǔn)確的畫面測量與實地測量。

再次，采用車身測速時，應(yīng)可以確定車型和相關(guān)車長數(shù)據(jù)，可以測量出車身上相關(guān)特征點的實際距離。

最后，被測視頻播放應(yīng)正常，均勻流暢、幀速固定，并無丟幀現(xiàn)象。

2.被動式視頻測速的應(yīng)注意的問題

在城市視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，場景復(fù)雜，攝像機的種類繁多，參數(shù)不一。因此，基于視頻監(jiān)控的目標(biāo)車輛速度被動式測量方法應(yīng)注意以下問題。

其一，盡量選擇攝像機的分辨率高的高清視頻作為被測視頻。

其二，測量方向和高度的選擇。在視頻畫面目標(biāo)車輛速度測量中，應(yīng)選擇攝像機鏡頭光軸與目標(biāo)運動方向夾角較大的畫面作為視頻測量畫面。如圖2-7所示。

圖2-7　攝像機鏡頭光軸與目標(biāo)運動方向夾角示意圖

因為攝像機在A或者B點（正對目標(biāo)）時，在視頻畫面中，相同的行駛軌跡長度在顯示上變化不明顯。隨著機位的高度的升降，畫面中行駛軌跡長短不同。機位高時，畫面顯示的行駛軌跡相對長一些；機位低時，畫面顯示的行駛軌跡則相對短一些。機位由A或B向C點變化時，相同的行駛軌跡長度在畫面顯示上，也會隨著角度的增加而增加。對于目標(biāo)車輛速度的測量，若Δl值太小，容易產(chǎn)生較大的測量誤差。因此，在審看被測視頻時，應(yīng)選擇攝像機鏡頭光軸與目標(biāo)運動方向夾角較大的畫面作為被測視頻畫面。

此外，考慮到現(xiàn)場測量行駛軌跡長度的難易程度，還應(yīng)盡量選擇車輛直行路段為宜。當(dāng)目標(biāo)車輛通過兩點的幀數(shù)太少時，即高速行駛的情況下，誤差可能較大。

三、結(jié)論

被動式視頻測速是根據(jù)當(dāng)前司法實踐的需求，專門針對那些沒有安裝測速裝置和系統(tǒng)（不能通過主動式檢測獲取車速信息的情況）的路段，僅通過被測視頻完成目標(biāo)車輛行駛速度檢測的方法。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)具有可重復(fù)性強、操作簡便和測量精度高的特點。當(dāng)然，一種技術(shù)方法不可能解決所有問題，一個問題也不都是僅由一種技術(shù)方法解決的。

［1］李苑，謝賢能.視頻畫面測量中的畫面匹配測量技術(shù)研究［J］.中國刑警學(xué)院學(xué)報，2010（3）：32-33.

［2］靳慧云，李苑，謝賢能，等.監(jiān)控視頻中目標(biāo)車輛速度被動式測量方法研究［J］.測繪通報，2012（8）：47-50.

［3］王俊飛，羅大庸.一種新的基于視頻技術(shù)的車速檢測方案［J］.自動化技術(shù)與應(yīng)用，2010（3）：63-66.

［4］關(guān)曉慧，周志敏.一種復(fù)雜背景下的運動目標(biāo)檢測方法［J］.浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報，2010（1）：38-40.

責(zé)任編輯：賈永生

D918.2

A

1009-3192（2016）03-0041-06

2016-04-10

靳慧云，女，河南鄭州人，浙江警察學(xué)院計算機與信息技術(shù)系教授，主要從事網(wǎng)絡(luò)安全與計算機公安應(yīng)用研究；李苑，男，甘肅蘭州人，浙江警察學(xué)院教授，主要從事視頻偵查教學(xué)和研究工作；馬程，男，江蘇無錫人，杭州?？低晹?shù)字技術(shù)有限公司工程師，主要從事智能視頻分析研究；張彬，男，重慶人，杭州海康威視數(shù)字技術(shù)有限公司工程師，主要從事windows/ linux下多媒體、智能相關(guān)應(yīng)用的設(shè)計與開發(fā)；刁一平，男，浙江杭州人，杭州?？低晹?shù)字技術(shù)有限公司工程師，主要從事應(yīng)用軟件技術(shù)研究。

本文為浙江省公益技術(shù)研究社會發(fā)展項目“基于視頻監(jiān)控的目標(biāo)車輛速度被動式測量方法及軟件研究”（2013C33035）研究成果。