監(jiān)控視頻中目標(biāo)車輛速度被動式測量方法研究

靳慧云，李 苑，謝賢能，胡 斌

(1.浙江警察學(xué)院，浙江杭州310053;2.浙江省公安廳，浙江杭州310009; 3.浙江省衢州市公安局，浙江衢州324002)

監(jiān)控視頻中目標(biāo)車輛速度被動式測量方法研究

靳慧云1，李 苑1，謝賢能2，胡 斌3

(1.浙江警察學(xué)院，浙江杭州310053;2.浙江省公安廳，浙江杭州310009; 3.浙江省衢州市公安局，浙江衢州324002)

對事先沒有安置測速裝置，事后僅通過監(jiān)控視頻進(jìn)行處理的目標(biāo)車輛速度被動式測量的方法進(jìn)行相關(guān)研究。闡述被動式目標(biāo)車輛速度測量的概念、基本原理;視頻畫面中點、線、面之間的關(guān)系;被動式目標(biāo)車輛速度測量時方向與標(biāo)定點的選擇;不同監(jiān)控點之間目標(biāo)車輛的平均速度測量和同一監(jiān)控點中目標(biāo)車輛速度測量的方法等。

視頻畫面;被動式;目標(biāo)車輛速度測量

一、引 言

目前，在道路交通安全管理中，利用專用的測速裝置(如地感線圈測速、雷達(dá)測速、紅外測速和激光測速法等)或借助軟件實現(xiàn)的視頻監(jiān)控測速系統(tǒng)(如虛擬線圈法、幀間差分法、背景減差檢測法、光流檢測法等)，已經(jīng)能夠完成對確定區(qū)域的目標(biāo)車輛的速度檢測。但是，在事先沒有專門安置這些的裝置的區(qū)域，事后僅僅通過提取的監(jiān)控視頻完成測量，尚屬一個新的研究課題。相對于前者，把后者——事后通過監(jiān)控視頻對目標(biāo)車輛速度進(jìn)行的測量，稱為被動式測量。雖然，由于受視頻畫面質(zhì)量、被測現(xiàn)場周邊條件等多種因素的影響，這種被動測量尚達(dá)不到主動測量的精準(zhǔn)程度，但是，在交通管理、案件偵查、事件處理中，需要進(jìn)行被動測量的情況很多，是一個急需解決的技術(shù)問題。為此，筆者的項目組近幾年對其進(jìn)行了跟蹤研究，在大量案例和實踐基礎(chǔ)上，提出目前通過監(jiān)控視頻對目標(biāo)車輛進(jìn)行被動式測量的一些常用方法。

二、監(jiān)控視頻中被動式目標(biāo)車輛速度測量

1.視頻測量相關(guān)名詞

1)被測目標(biāo)(measured target)，是指在視頻圖像中需要測量的人或物。

2)被測視頻(measured video)，是指包含目標(biāo)、需要對其進(jìn)行測量的視頻。

3)標(biāo)定視頻(calibration video)，是指包含有測量參照物或測量標(biāo)識，根據(jù)被測視頻畫面重建的、用于實施測量標(biāo)定的視頻。

4)被測視頻畫面(measured video image)，是指包含目標(biāo)，并需要對其進(jìn)行測量的視頻畫面。

5)標(biāo)定視頻畫面(calibration video image)，是指包含有測量參照物或測量標(biāo)識，根據(jù)被測視頻畫面重建的、用于實施測量標(biāo)定的視頻畫面。

2.關(guān)于監(jiān)控視頻中被動式目標(biāo)車輛速度測量

從測量的方式上講，監(jiān)控視頻中被動式目標(biāo)車輛速度測量，是以案(事)件發(fā)生后的監(jiān)控視頻為主要對象，通過信息提取、現(xiàn)場測量、圖像處理等手段，以獲取案(事)件線索或證據(jù)為目的，對目標(biāo)車輛速度進(jìn)行測量的技術(shù)方法。目前，這種方法主要分為兩類:一類是不同監(jiān)控點之間目標(biāo)車輛的平均速度測量;另一類是同一監(jiān)控點的目標(biāo)車輛速度測量。

三、監(jiān)控視頻中被動式目標(biāo)車輛速度測量的基本原理

若設(shè)速度為v，距離為Δl，時間為Δt，則無論是主動還是被動的車速測量，都是依據(jù)公式v=Δl/Δt計算完成的。從測量實踐看，其關(guān)鍵是參數(shù)Δl的測定。因為參數(shù)Δt通常是可以通過視頻畫面的時間顯示或從被測視頻中查算幀數(shù)(幀差)直接得到的，即通常視頻播放是25幀/s，一幀時間t1=1/25= 0.04 s。所以，在被動式車速測量的研究中，各種方法的差異，也就主要體現(xiàn)在距離參數(shù)Δl獲取的方法不同上了。從技術(shù)路線上講，目標(biāo)車速測量是動態(tài)測量，是通過“被測視頻”完成的，而目標(biāo)尺寸測量是靜態(tài)測量，是通過“被測視頻畫面”完成的，這是兩者的最大差異之處。在一般案(事)件中，目標(biāo)車輛的行駛狀態(tài)，通常分兩種情況:第1種，駕駛?cè)宋床扇?yīng)急措施的駕駛狀態(tài);第2種，駕駛?cè)艘呀?jīng)采取應(yīng)措施的駕駛狀態(tài)。

根據(jù)需要，正確區(qū)分應(yīng)急措施采取之前與采取之后兩個距離段，并展開目標(biāo)車速的分別測量，對于案件性質(zhì)判斷和事故責(zé)任劃分至關(guān)重要。一般情況下，對應(yīng)急措施采取的前后分界點劃分可通過現(xiàn)場勘查和視頻監(jiān)控畫面的回放，查看駕駛員是否有減速、打方向等應(yīng)急動作。至于測量的數(shù)據(jù)是平均速度還是即時速度，應(yīng)視不同情況確定，一般而言，所測兩點間的視頻幀差越小，目標(biāo)運動的距離越短，越接近即時速度(測量誤差亦可能越大)，反之亦然。被動式目標(biāo)車速測量，應(yīng)具備以下3個基本條件:

1)在被測視頻中，目標(biāo)車輛應(yīng)有一定長度的行駛軌跡。

2)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。

3)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。

四、視頻畫面中目標(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。視頻監(jiān)控頭攝取的畫面，是一個用二維畫面表達(dá)三維空間的透視圖，因此，對三維空間的點、線、面的關(guān)系認(rèn)識是測量所必需的。如圖1所示，設(shè)點M1(x1，y1，z1)向點M2(x2，y2，z2)方向移動。

圖1 點線面關(guān)系示意圖

當(dāng)z2=z1時，有向線段l位于平行于xy平面的平面內(nèi)，此時有線段長度

由此可知，三維空間中的一條線段，轉(zhuǎn)換為二維透視圖像后，從不同的角度觀察，可能會是不同長度的線段，甚至還可能會成為一個點。

五、監(jiān)控視頻中被動式目標(biāo)車輛速度測量的方向與標(biāo)定點的選擇

1.測量標(biāo)定點選擇

根據(jù)上述空間點、線、面的關(guān)系，在目標(biāo)車速測量中，最好選擇車輪胎與地面的切點作為測量標(biāo)定點。因為，無論攝像機(jī)位置如何，只要選擇地面作為參照平面，那么，兩個測量標(biāo)定點確定的直線就一定在地平面(路面)上。在路面基本平整的情況下，選定的測量標(biāo)定點的位移距離就是車輛的位移距離。當(dāng)然，實際的測量中，未必都能夠看到車輪胎與地面的接觸點，如果遇到這種情形，可以找出車輛上清晰、穩(wěn)定的其他特征點作為測量標(biāo)定點(如反光鏡、車燈、門拉手等)。

2.測量方向的選擇

在目標(biāo)車速測量中，應(yīng)選擇攝像機(jī)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。因為攝像機(jī)在正前方或者正后方(正對目標(biāo))拍攝，目標(biāo)車輛行駛的軌跡長度在畫面中變化不明顯，若Δl值太小，容易產(chǎn)生較大的測量誤差。此外，測量行駛軌跡長度時，還應(yīng)盡量選擇車輛直行路段為宜。

六、參數(shù)計算方法

1.不同監(jiān)控點之間目標(biāo)車輛的平均速度測量

測量目標(biāo)車輛在兩個監(jiān)控點之間行使的平均速度，方法比較簡單。可以取距離現(xiàn)場最近的兩個監(jiān)控點拍攝的、較為清晰的畫面作為起始畫面，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距離參數(shù)Δl，同時可根據(jù)視頻畫面顯示或在起止區(qū)域內(nèi)行駛的幀數(shù)，求得參數(shù)Δt，即可計算得出車輛在該路段內(nèi)相應(yīng)的平均速度。但要注意兩點。

1)兩個監(jiān)控點之間的距離不宜太長，且交通通暢、狀況良好，否則測出的平均速度意義不大。

2)兩個視頻監(jiān)控點最好在同一監(jiān)控系統(tǒng)中，以便進(jìn)行時間計算或校正。

2.同一監(jiān)控點視頻中目標(biāo)車輛速度的測量

利用在同一個監(jiān)控點拍攝的被測視頻進(jìn)行的車速測量，實際工作中較為常見，目前，有以下幾種方法。

(1)根據(jù)現(xiàn)場參照物獲取參數(shù)Δl的方法

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，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)Δl值，從而完成測量的方法。

如圖2某地發(fā)生一起交通事故，事故發(fā)生在監(jiān)控畫面之外約3 m處，車輛行駛在視頻畫面中的路段基本處于未采取應(yīng)急措施狀態(tài)。

從起點開始，統(tǒng)計幀幅至終止點為50幀，實地丈量起止點間距離為28.7 m。

根據(jù)公式計算得

(2)根據(jù)目標(biāo)車輛的車身特征點獲取參數(shù)Δl的方法

這種方法是在目標(biāo)車輛車身上確定兩個特征點作為標(biāo)定點。測量時，觀測目標(biāo)車輛車身上這兩個標(biāo)定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。具體操作可通過兩種方式進(jìn)行:

1)車長測量法。它是基于對各種車輛長度已知或可查知的前提下進(jìn)行的。以車前端和車后端某兩點作為標(biāo)定點(車長)，在被測視頻屏幕上做點并作為定位點，逐幀播放視頻，觀測目標(biāo)車輛車身標(biāo)定點通過定位點的畫面幀數(shù)，獲取參數(shù)Δt;然后，根據(jù)車型確定車長數(shù)據(jù)Δl，從而完成測量的方法。利用這種方法測量車速，其畫面幀數(shù)首要前提是先要確定目標(biāo)車輛的類型。須反復(fù)查看被測視頻，利用目標(biāo)車輛的外觀、車身、牌照等特征標(biāo)記，通過車輛數(shù)據(jù)庫或上網(wǎng)搜索相關(guān)類型車輛，獲取車長數(shù)據(jù)。

圖2 事故現(xiàn)場示意圖

2)在目標(biāo)車輛車身上任意選擇兩個特征點作為標(biāo)定點，在被測視頻中目標(biāo)車輛附近的現(xiàn)場上選擇一個點作為定位點，觀測目標(biāo)車輛車身上這兩個標(biāo)定點通過選定的定位點的畫面幀數(shù)，獲取參數(shù)Δt;然后測量目標(biāo)車輛車身上選擇的兩個特征點的距離以確定Δl，從而完成測量的方法［1］。

以上兩種方式的最大優(yōu)點是不需要到現(xiàn)場測量參照物求Δl，區(qū)別在于定位點的選擇方式不同。但要注意，由于Δl值不大，畫面顯示不長，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。

(3)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［2］。即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(jìn)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(jìn)入現(xiàn)場測量標(biāo)定點之間的實際距離以獲取參數(shù)Δl;最后查算相應(yīng)的畫面幀數(shù)，求得參數(shù)Δt，從而完成測量的方法［3］。

如圖3所示，畫面由7幀疊加而成，Δt=6× 0.04=0.24 s，現(xiàn)場實際測量值為4.67 m。v= (4.67 m÷0.24 s)×3600 s=70.05 km/h。

圖3

(4)利用相關(guān)軟件獲取參數(shù)Δl的方法

這種方法是在有條件的情況下，利用現(xiàn)有的專業(yè)測量(或有測量功能的)軟件，測量參數(shù)Δl;然后，根據(jù)被測視頻中標(biāo)記點幀差求得參數(shù)Δt，從而完成測量的方法。實際上，這種方法目前還是一種間接的測量，是借助現(xiàn)有軟件中尺寸測量功能完成的。具體操作與軟件法測量目標(biāo)尺寸相似［4］。

七、結(jié)束語

綜上所述，監(jiān)控視頻中被動式目標(biāo)車輛速度測量方法，是目前實際工作中，專門針對那些沒有安裝測速裝置和系統(tǒng)的路段，僅通過被測視頻采取的目標(biāo)車輛速度測量的方法，是對主動式車速測量的必要補(bǔ)充。當(dāng)然，任何時候，一種方法，都不可能解決所有問題，一個問題也不都是僅由一種方法才能解決。相信隨著視頻偵查技術(shù)的廣泛應(yīng)用，會有更多、更好的實用方法服務(wù)于實踐。

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

JIN Huiyun，LI Yuan，XIE Xianneng，HU Bin

0494-0911(2012)08-0047-04

P211

B

2012-05-21

公安部科技創(chuàng)新項目(2011YYCXZJSTO45)

靳慧云(1958—)，女，遼寧沈陽人，教授，主要研究方向為公安計算機(jī)應(yīng)用。