专利名称：基于线特征的交通事故现场图几何校正系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种数字摄影测量应用技术领域的系统，具体是一种基于线特征的交通事故现场图几何校正系统。
背景技术：
交通事故现场勘测中采用数字摄影测量技术，能够有效缩短事故勘测时间，提高现场尺寸测绘精度，同时避免传统手工测绘中的漏测、错画等现象，为事故现场的二次取证提供法律依据。因此研究数字摄影测量技术应用于交通事故现场勘测的理论和方法，对于快速恢复道路畅通和提高现场尺寸测绘精度以及为事故现场的二次取证提供法律依据方面具有重要意义。交警现场拍摄的照片是从摄影中心投影形成的透视图，由于镜头畸变和透视畸变造成的几何变形，无法直接在透视图上测绘刹车痕迹的长度、人与车的相对距离以及散落物的位置等事故现场尺寸信息。透视图只有经过几何校正后才能转换为正射影像图，从而恢复交通事故现场的物方空间信息，进而实现事故现场尺寸的测绘。如何对交通事故现场图进行几何校正以生成正射影像图，并提高正射影像图上事故现场尺寸的测绘精度成为目前研究的焦点。经对现有技术文献的检索发现Ζ· M. Tao等在I^roceedings of the 9th International Conference of Chinese Transportation Professionals, 2009 :177-184 上发表文章“Analysis of deformation characteristics of collision vehicles using close-range photogrammetry"( “采用近景摄影测量进行事故车辆变形特征分析”，电力系统及其自动化专业第九届中国国际运输会议，2009 177-184)，该文利用近景立体摄像机拍摄现场照片，并通过平行轴立体视觉理论计算车辆变形的三维坐标进行事故变形范围、 形状和深度分析。但该方法需要购置昂贵的量测用立体摄像机，而且其三维坐标的计算过程比较复杂和耗时，难以满足交通事故现场快速勘测的要求。经检索还发现，X.G.DU等在 Advances in Engineering Software, 2009 :497-505 上发表文章 “Geometry features measurement of traffic accident for reconstruction based on close-range photogrammetry"( “基于近景摄影测量的交通事故再现几何特征测量”，工程软件进展， 2009:497-505)，该文采用直接线性变换法建立像空间到物方空间的映射关系进而实现交通事故现场图的几何校正。但该方法属于纯粹基于控制点的校正方法，当控制点个数不足或像空间坐标因镜头畸变发生偏差时，难以准确建立像空间到物方空间的映射关系，从而降低了几何校正后生成的正射影像图上交通事故现场尺寸的测绘精度。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种基于线特征的交通事故现场图几何校正系统。使其充分利用事故现场提取到的直线特征，通过添加平行线相对控制约束，从而有效校正了镜头畸变和透视畸变造成的事故现场图几何变形，实现了交通事故现场图的几何校正及其生成的正射影像图上的尺寸标注功能。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括五个部分标定物信息采集�？�、 二维DLT(直接线性变换)系数求解模块、单应性矩阵计算�？�、几何校正�？楹统叽绫曜⒛？�。标定物信息采集�？楦涸鹛崛】刂频愫涂刂葡叩南喙夭问畔ⅲ⒔嘤κ莘直鸫嫒肟刂频闶菘夂涂刂葡呤菘猓欢珼LT系数求解�？橥ü胧菘獾慕涌诨袢】刂频愫涂刂葡叩南喙夭问畔ⅲ匠塘⒔獬�8个DLT系数的值；单应性矩阵计算�？楦軩LT系数建立像空间到物方空间的映射关系，进而得出单应性矩阵；几何校正�？橥üビπ跃卣蠖越煌ㄊ鹿氏殖⊥冀屑负涡Ｕ占渥瓯浠缓突叶戎夭裳山煌ㄊ鹿氏殖≌溆跋裢迹怀叽绫曜⒛？橐越煌ㄊ鹿氏殖≌溆跋裢嘉。迪种苯釉谡溆跋裢忌媳曜⑷我獾愕氖导士占渥旰腿我饬降慵涞氖导士占渚嗬氲墓δ�。本系统采用层次化和模块化结构设计，层与层之间只存在单向调用和单向依赖关系，�？橹湎嗷バ骱团浜瞎餐槌梢桓鐾暾南低�。每个�？榭梢缘ザ朗游徊悖鼻安愕氖淙胧萁鲆览涤谏弦徊愕氖涑鼋峁鼻安愕氖涑鼋峁隹勺魑乱徊愕氖淙胧�。标定物信息采集�？槲珼LT系数求解�？樘峁┍匦氲目刂频愫涂刂葡叩南喙夭问畔ⅲ珼LT系数求解�？榈氖涑鼋峁勺魑ビπ跃卣蠹扑隳？榈氖淙耄ビπ跃卣蠹扑隳？榈玫降牡ビπ跃卣笤蛭负涡Ｕ？樘峁┛占渥瓯浠坏囊谰荩负涡Ｕ？樯傻慕煌ㄊ鹿氏殖≌溆跋裢际浅叽绫曜⒛？榻斜曜⒌那疤帷Ｕ庋阌氩阒渫üハ虻饔煤偷ハ蛞览担瓜嗔诹礁瞿？榧湎嗷バ骱团浜掀鹄矗餐槌闪艘桓鐾暾南低�。所述标定物信息采集�？榇咏煌ㄊ鹿氏殖⊥贾刑崛】刂频愫涂刂葡叩南窨占渥晷畔ⅲ⒔嘤Φ氖莘直鸫嫒肟刂频闶菘夂涂刂葡呤菘猓刂频愕奈锓娇占渥旮萁煌ㄊ鹿氏殖〗⒌亩芽ǘ苯亲晗等范ǎ⒃诖嫒肟刂频闶菘馐蓖ü菇ǖ腃Point2类(扩展点类)对象与其相应的像空间坐标相关联。CPoint2类派生自MFC (微软基础类库)的基类CPoint类(点类)，它封装了控制点的物方空间坐标和像空间坐标，建立了它们之间的一一映射关系。这种数据封装方式，能够有效避免数据使用的混乱，确保了控制点物方空间坐标及其相应的像空间坐标的正确映射关系。标定物信息采集�？樘崛〉目刂频愕南喙夭问畔扛隹刂频愕奈锓娇占渥昙捌湎嘤Φ南窨占渥辏惶崛〉目刂葡叩南喙夭问畔ㄎ锓娇占涿刻跗叫杏赬 轴的直线段的两个端点在像空间相应的起点坐标和终点坐标；物方空间每条平行于Y轴的直线段的两个端点在像空间相应的起点坐标和终点坐标。为保证二维DLT系数求解模块能够顺利执行，标定物信息采集�？樵诮锌刂频愫涂刂葡叩难∪∈庇β阋韵铝礁鎏跫谝�、在交通事故现场建立的二维笛卡尔直角坐标系中，存在至少两条平行于X轴的直线段和至少两条平行于Y轴的直线段；第二、在交通事故现场建立的二维笛卡尔直角坐标系中，存在至少两个控制点，并已测得它们实际的物方空间坐标。所述二维DLT系数求解�？槭紫韧ü胧菘獾慕涌诨袢】刂频愫涂刂葡叩南喙夭问畔ⅲ诖嘶∩戏直鸾⑽锓娇占鋁轴平行线在像空间的约束方程组和物方空间 Y轴平行线在像空间的约束方程组，然后通过OpenCV(开放式计算机视觉)核心�？橹械� API (应用程序接口)采用最小二乘法分别对这些方程组求解得出中间变量的值；再将这些中间变量的值与控制点的二维直接线性变换公式联立，建立求解方程组，最后通过OpenCV
5核心�？橹械腁PI采用最小二乘法解出DLT系数的值。所述单应性矩阵计算�？橛啥苯酉咝员浠还椒唇獬鑫锓娇占渥旯赜谙窨占渥甑谋泶锸剑⑾窨占涞轿锓娇占涞挠成涔叵担缓笸ü齎isual C++语言计算单应性矩阵中每个元素的值。单应性矩阵计算�？榈氖淙胧嵌珼LT系数求解�？榈贸龅�8 个DLT系数的值，输出为一个3行3列的单应性矩阵。所得的单应性矩阵保存在OpenCV的基本数据结构CvMat (矩阵结构体)创建的一个3行3列64位单通道的对象中，它可作为该�？榈氖涑霾问峁└负涡Ｕ？橹苯邮褂�。所述几何校正�？槭紫雀莸ビπ跃卣蠖越煌ㄊ鹿氏殖⊥冀锌占渥瓯浠唬玫绞鹿氏殖⊥忌厦扛鱿袼氐愕奈锓娇占渥辏缓蠖晕锓娇占渥杲谢叶戎夭裳玫浇煌ㄊ鹿氏殖≌溆跋裢�。当变换后的物方空间坐标对应的事故现场图上的像空间坐标恰好为整数值时，这时物方空间坐标的灰度值可直接取事故现场图上像空间坐标的灰度值；当计算得到的物方空间坐标对应的事故现场图上的像空间坐标不为整数值时，这时并无现成的灰度值能用，可采用双线性插值法把该点周围整数点位上灰度值对该点的灰度贡献积累起来，构成该点位新的灰度值。所述尺寸标注�？橐越煌ㄊ鹿氏殖≌溆跋裢嘉。迪种苯釉谡溆跋裢忌辖械サ愕淖瓯曜⒑腿我饬降慵涞木嗬氡曜⒐δ�。单点坐标标注首先经坐标转换获取正射影像图上该点的物方空间坐标，然后通过Windows⑶I (Windows图形设备接口)绘图函数进行标注；任意两点间的距离标注可首先采取单点坐标标注的方式分别获取两个点的物方空间坐标，然后在此基础上计算出它们之间的实际空间距离，再将所得结果通过Windows ⑶I绘图函数标注在交通事故现场正射影像图上。与现有技术相比，本发明具有以下优点能够有效校正交通事故现场图几何变形， 并提高几何校正后生成的正射影像图上事故现场尺寸的测绘精度。传统的事故现场图几何校正方法只是基于控制点的校正，当控制点个数不足或像空间坐标因镜头的径向畸变和切向畸变发生偏差时，就无法准确建立像空间到物方空间的映射关系，这样也就难以对事故现场图进行精确的几何校正，从而降低了交通事故现场尺寸的测绘精度；不同于传统的仅仅依赖于控制点的事故现场图几何校正方法，本发明充分利用交通事故现场提取到的直线特征，通过添加平行线相对控制约束，从而有效校正了镜头畸变和透视畸变造成的事故现场图几何变形，进而提高了几何校正后生成的正射影像图上事故现场尺寸的测绘精度。另外，本发明还可以用尽可能少(最少需要两个)的控制点实现交通事故现场图的几何校正。传统的事故现场图几何校正方法至少需要确定事故现场四个控制点的物方空间坐标及其相应的像空间坐标，当控制点的个数少于四个时，就无法完成事故现场图的几何校正。本发明可以在控制点个数不足时，只需利用两个控制点和两条平行于X轴的直线段以及两条平行于Y轴的直线段，在不必知道平行线段端点的物方空间坐标的情况下，就能实现交通事故现场图的几何校正。
图1本发明系统结构2本发明标定物信息采集示意3本发明事故现场图几何校正及尺寸标注示意图
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。如图1所示，本实施例包括五个部分标定物信息采集�？�、二维DLT系数求解�？�、单应性矩阵计算�？�、几何校正�？楹统叽绫曜⒛？椤１甓ㄎ镄畔⒉杉？楦涸鹛崛】刂频愫涂刂葡叩南喙夭问畔ⅲ⒔嘤κ莘直鸫嫒肟刂频闶菘夂涂刂葡呤菘猓欢珼LT系数求解�？橥ü胧菘獾慕涌诨袢】刂频愫涂刂葡叩南喙夭问畔ⅲ匠塘⒔獬�8个DLT系数的值；单应性矩阵计算�？楦軩LT系数建立像空间到物方空间的映射关系，进而得出单应性矩阵；几何校正�？橥üビπ跃卣蠖越煌ㄊ鹿氏殖⊥冀屑负涡Ｕ占渥瓯浠缓突叶戎夭裳山煌ㄊ鹿氏殖≌溆跋裢迹怀叽绫曜⒛？橐越煌ㄊ鹿氏殖≌溆跋裢嘉。迪种苯釉谡溆跋裢忌媳曜⑷我獾愕氖导士占渥旰腿我饬降慵涞氖导士占渚嗬氲墓δ�。本实施例的五个�？橹浯嬖谝欢ǖ穆呒叵担鼻澳？榈氖淙氩问鲆览涤谇耙桓瞿？榈氖涑鼋峁鼻澳？榈氖涑鼋峁隹勺魑乱桓瞿？榈氖淙氩问？榧浒凑沾忧暗胶蟮乃承蛞来沃葱型瓿上低车淖芄δ�。如图1中的箭头所示，这五个�？榈南群笾葱兴承蛞来挝甓ㄎ镄畔⒉杉？�、二维DLT系数求解模块、单应性矩阵计算�？�、几何校正�？楹统叽绫曜⒛？�。相应实现的功能依次为标定物信息采集、二维DLT系数求解、 单应性矩阵计算、事故现场图几何校正和尺寸标注。下面按照这五个�？榈南群笾葱兴承颍� 对本实施例的具体操作过程和实施步骤作详细说明1.标定物信息采集交通事故现场标定物信息的采集通过MFC创建的⑶1(图形用户接口)界面与用户进行交互。交警在事故现场拍摄的照片首先通过Windows⑶I构建的一个m_ dcCompatible (设备环境兼容对象)加载到计算机内存空间中，然后将其以位图的形式显示在Windows窗口应用程序的客户区。用户根据窗口客户区显示的图像内容，通过硬件操作(鼠标、键盘或触摸屏)直接在图像上提取控制点和控制线的像空间坐标信息，控制点的物方空间坐标根据交通事故现场建立的二维笛卡尔直角坐标系确定，并在用户提取该控制点的像空间坐标时通过GUI界面输入系统。如图2所示，该图中通过选择道路交通标线的端点和边缘分别作为控制点Si、S2和控制线Li、L2、L3、L4。提取的控制点的相关参数信息包括每个控制点的物方空间坐标及其相应的像空间坐标；提取的控制线的相关参数信息包括物方空间每条平行于X轴的直线段的两个端点在像空间相应的起点坐标和终点坐标；物方空间每条平行于Y轴的直线段的两个端点在像空间相应的起点坐标和终点坐标。提取到的控制点和控制线的相关参数信息分别保存在由MFC的CObArray (动态数组基类)构建的两个对象m_Point2Array (点数组)和m_ LineArray (直线数组)中。其中m_Point2Array用来收集CPoint2类对象，而CPoint2类对象封装了控制点的物方空间坐标及其相应的像空间坐标，建立了它们之间的正确映射关系。每个CPoint2类对象通过CObArray的成员函数ktAt (设置动态数组成员对象函数) 保存在m_Point2Array对象中。
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为保证二维DLT系数求解模块能够顺利执行，用户在进行控制点和控制线的选取时应满足以下两个条件第一、在交通事故现场建立的二维笛卡尔直角坐标系中，存在至少两条平行于X 轴的直线段和至少两条平行于Y轴的直线段；第二、在交通事故现场建立的二维笛卡尔直角坐标系中，存在至少两个控制点，并已测得它们实际的物方空间坐标。2. 二维DLT系数求解二维DLT系数求解�？槭紫却邮菘鈓_Point2Array和m_LineArray中通过 CObArray的成员函数GetAt (获取动态数组成员对像函数)提取控制点S1、S2和控制线Li、 L2、L3、L4的相关参数信息，在此基础上分别建立物方空间X轴平行线和Y轴平行线在像空间的约束方程组，解得中间变量的值；然后把这些中间变量的值与控制点的二维直接线性变换公式联立，最终求出8个DLT系数I1, I2, I3, I4, I5, I6, I7, I8的值。该过程可分为以下三个步骤第一步、根据物方空间平行于X轴的直线段在像空间的约束方程求解中间变量Pl， P2的值假定物方空间至少存在两条平行于X轴的直线段，则根据它们在像空间相应的起点坐标和终点坐标，可通过如下求解矩阵(1)采用最小二乘法解得中间变量Pl，P2的值。该线性方程组的求解，可通过调用OpenCV核心模块中的API函数cvSolve (线性方程组求解函数)实现。
权利要求
1.一种基于线特征的交通事故现场图几何校正系统，其特征在于，包括标定物信息采集模块、二维DLT (直接线性变换)系数求解�？�、单应性矩阵计算�？�、几何校正�？楹统叽绫曜⒛？椋渲斜甓ㄎ镄畔⒉杉？楦涸鸫咏煌ㄊ鹿氏殖⊥贾刑崛】刂频愫涂刂葡叩南喙夭问畔ⅲ⒔嘤κ莘直鸫嫒肟刂频闶菘夂涂刂葡呤菘猓欢珼LT系数求解模块通过与所述数据库的接口获取控制点和控制线的相关参数信息，经方程联立解出八个DLT系数的值；单应性矩阵计算�？楦軩LT系数建立像空间到物方空间的映射关系，进而得出单应性矩阵；几何校正�？橥üビπ跃卣蠖越煌ㄊ鹿氏殖⊥冀屑负涡Ｕ占渥瓯浠缓突叶戎夭裳山煌ㄊ鹿氏殖≌溆跋裢迹怀叽绫曜⒛？橐越煌ㄊ鹿氏殖≌溆跋裢嘉。迪种苯釉谡溆跋裢忌媳曜⑷我獾愕氖导士占渥旰腿我饬降慵涞氖导士占渚嗬氲墓δ�。
2.根据权利要求1所述的基于线特征的交通事故现场图几何校正系统，其特征在于， 所述标定物信息采集�？榇咏煌ㄊ鹿氏殖⊥贾刑崛】刂频愫涂刂葡叩南窨占渥晷畔ⅲ⒔嘤Φ氖莘直鸫嫒肟刂频闶菘夂涂刂葡呤菘猓刂频愕奈锓娇占渥旮萁煌ㄊ鹿氏殖〗⒌亩芽ǘ苯亲晗等范ǎ⒃诖嫒肟刂频闶菘馐蓖ü菇ǖ腃Point2 类(扩展点类)对象与其相应的像空间坐标相关联。
3.根据权利要求2所述的基于线特征的交通事故现场图几何校正系统，其特征在于， 所述标定物信息采集�？樘崛〉目刂频愕南喙夭问畔扛隹刂频愕奈锓娇占渥昙捌湎嘤Φ南窨占渥辏惶崛〉目刂葡叩南喙夭问畔ㄎ锓娇占涿刻跗叫杏赬轴的直线段的两个端点在像空间相应的起点坐标和终点坐标；物方空间每条平行于Y轴的直线段的两个端点在像空间相应的起点坐标和终点坐标。
4.根据权利要求3所述的基于线特征的交通事故现场图几何校正系统，其特征在于， 为保证二维DLT系数求解�？槟芄凰忱葱校甓ㄎ镄畔⒉杉？樵诮锌刂频愫涂刂葡叩难∪∈庇β阋韵铝礁鎏跫谝�、在交通事故现场建立的二维笛卡尔直角坐标系中，存在至少两条平行于X轴的直线段和至少两条平行于Y轴的直线段；第二、在交通事故现场建立的二维笛卡尔直角坐标系中，存在至少两个控制点，并已测得它们实际的物方空间坐标。
5.根据权利要求4所述的基于线特征的交通事故现场图几何校正系统，其特征在于， 所述二维DLT系数求解�？槭紫韧ü胨鍪菘獾慕涌诨袢】刂频愫涂刂葡叩南喙夭问畔ⅲ诖嘶∩戏直鸾⑽锓娇占鋁轴平行线在像空间的约束方程组和物方空间Y轴平行线在像空间的约束方程组，然后通过OpenCV (开放式计算机视觉)核心模块中的API 采用最小二乘法分别对这些方程组求解得出中间变量的值；再将这些中间变量的值与控制点的二维直接线性变换公式联立，建立求解方程组，最后通过OpenCV核心�？橹械腁PI (应用程序接口)采用最小二乘法解出DLT系数的值。
6.根据权利要求5所述的基于线特征的交通事故现场图几何校正系统，其特征在于， 所述单应性矩阵计算�？橛啥苯酉咝员浠还椒唇獬鑫锓娇占渥旯赜谙窨占渥甑谋泶锸剑⑾窨占涞轿锓娇占涞挠成涔叵担缓笸ü齎isual C++语言计算单应性矩阵中每个元素的值；单应性矩阵计算�？榈氖淙胧嵌珼LT系数求解模块得出的八个DLT系数的值，输出为一个3行3列的单应性矩阵；所得的单应性矩阵保存在OpenCV的基本数据结构CvMat (矩阵结构体)创建的一个3行3列64位单通道的对象中，它可作为该�？榈氖涑霾问峁└负涡Ｕ？橹苯邮褂�。
7.根据权利要求6所述的基于线特征的交通事故现场图几何校正系统，其特征在于， 所述几何校正模块首先根据单应性矩阵对交通事故现场图进行空间坐标变换，得到事故现场图上每个像素点的物方空间坐标，然后对物方空间坐标进行灰度重采样得到交通事故现场正射影像图；当变换后的物方空间坐标对应的事故现场图上的像空间坐标恰好为整数值时，这时物方空间坐标的灰度值可直接取事故现场图上像空间坐标的灰度值；当计算得到的物方空间坐标对应的事故现场图上的像空间坐标不为整数值时，这时并无现成的灰度值能用，可采用双线性插值法把该点周围整数点位上灰度值对该点的灰度贡献积累起来，构成该点位新的灰度值。
8.根据权利要求7所述的基于线特征的交通事故现场图几何校正系统，其特征在于， 当计算得到的物方空间坐标对应的事故现场图上的像空间坐标不为整数值时，这时并无现成的灰度值能用，可采用双线性插值法构造一个2X2的二维卷积核W(权矩阵)，把它与该点周边的四个原始像元灰度值构成的2X2灰度矩阵G作Hadamard积(哈达玛积)运算得出一个新的矩阵，然后把这些新的矩阵元素累加，即可得到重采样点的灰度值。
9.根据权利要求8所述的基于线特征的交通事故现场图几何校正系统，其特征在于， 所述尺寸标注�？橐越煌ㄊ鹿氏殖≌溆跋裢嘉。迪种苯釉谡溆跋裢忌辖械サ愕淖瓯曜⒑腿我饬降慵涞木嗬氡曜⒐δ�。单点坐标标注首先经坐标转换获取正射影像图上该点的物方空间坐标，然后通过Windows⑶I (Windows图形设备接口)绘图函数进行标注；任意两点间的距离标注可首先采取单点坐标标注的方式分别获取两个点的物方空间坐标，然后在此基础上计算出它们之间的实际空间距离，再将所得结果通过Windows GDI绘图函数标注在交通事故现场正射影像图上。
全文摘要
一种基于线特征的交通事故现场图几何校正系统，包括五个部分标定物信息采集�？椋涸鸫咏煌ㄊ鹿氏殖⊥贾刑崛】刂频愫涂刂葡叩南喙夭问畔ⅲ欢珼LT系数求解模块，经方程联立求解出8个DLT系数的值；单应性矩阵计算模块，负责建立像空间到物方空间的映射关系，进而得出单应性矩阵；几何校正�？楹统叽绫曜⒛？椋占渥瓯浠缓突叶戎夭裳山煌ㄊ鹿氏殖≌溆跋裢疾⑹迪种苯釉谡溆跋裢忌媳曜⑷我獾愕氖导士占渥旰腿我饬降慵涞氖导士占渚嗬氲墓δ�。本发明能够有效校正镜头畸变和透视畸变造成的交通事故现场图几何变形，并提高几何校正后生成的正射影像图上事故现场尺寸的测绘精度。
文档编号G01C11/00GK102506828SQ20111035452
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月10日 优先权日2011年7月29日
发明者王建炜, 苗新强, 金先龙, 韩学源 申请人:上海交通大学
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