一種交通事故現(xiàn)場全景測量及情景再現(xiàn)系統(tǒng)

王 震，高鳳嬌，宋昌江

(1.中國刑事警察學院痕跡檢驗鑒定技術(shù)公安部重點實驗室，沈陽 110854； 2.黑龍江省科學院智能制造研究所，哈爾濱 150090； 3.黑龍江省科學院高技術(shù)研究院，哈爾濱 150020)

0 引言

我國汽車保有量不斷增加，交通事故頻發(fā)，很多事故依靠人工測量方式輔助圖像數(shù)據(jù)，事故勘察結(jié)果多以圖表、文字形式呈現(xiàn)，不夠直觀形象。隨著數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)字建模技術(shù)及虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，生動直觀再現(xiàn)事故過程成為重要的研究方向。國外已經(jīng)開發(fā)出一些事故再現(xiàn)模擬系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)都存在不足，適用事故類型有限或只能正向模擬事故車輛運動狀態(tài)，操作依賴專業(yè)技術(shù)人員，不適合基層交警人員快速處理事故[1-3]。國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，但實現(xiàn)了一些技術(shù)突破[4-7]。大多系統(tǒng)處于學術(shù)研究與實驗驗證階段，不能真正面向一線交通事故處理人員來幫助他們快速處理案件[8-10]。提出一種交通事故現(xiàn)場全景測量及三維再現(xiàn)系統(tǒng)框架，快速全面記錄事故現(xiàn)場信息，形象逼真地再現(xiàn)事故過程。

1 交通事故現(xiàn)場全景測量及三維再現(xiàn)系統(tǒng)

交通事故現(xiàn)場全景測量及三維再現(xiàn)系統(tǒng)框架如圖1所示，系統(tǒng)包括基于360°全景拍攝及掃描云臺的全景測量與分析系統(tǒng)、基于三維掃描的事故現(xiàn)場的三維立體重建及基于建模技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的全景再現(xiàn)及演示分析系統(tǒng)三部分。

1.1 全景快速測量與分析系統(tǒng)

系統(tǒng)采用佳明Virb 360°全景相機快速獲取事故現(xiàn)場全景圖，一次全景采集時間在20 s以內(nèi)。針對交通事故這一特定類型場景的三維數(shù)據(jù)獲取問題，系統(tǒng)采用基于Metrascan與全站掃描儀相結(jié)合的交通事故對象測量方法。MetraSCAN 210的最佳測量范圍為1～8 m，掃描精度為0.085 mm，適合于掃描測量交通事故中的一般對象目標。系統(tǒng)中的全站掃描儀采用徠卡Nova MS50全站掃描儀，它的免棱鏡測量距離長達2 km，適合大視場范圍數(shù)據(jù)采集，其360°掃描有三種方式，即高精度掃描、一般精度掃描、低精度掃描，其掃描精度最高可達0.6 mm，適合采集事故場景中路面及環(huán)境信息。在數(shù)據(jù)重復區(qū)，根據(jù)數(shù)據(jù)精度和數(shù)據(jù)失真情況對兩種數(shù)據(jù)源分配權(quán)重，進行數(shù)據(jù)融合，獲取最大精確度的事故對象及相關(guān)場景的三維模型。圖2是面向交通事故場景的三維掃描流程圖。

圖1 交通事故現(xiàn)場全景測量及三維再現(xiàn)系統(tǒng)Fig.1 Panoramic survey and 3D reconstruction system of traffic accident scene

圖2 面向交通事故場景的三維掃描流程圖Fig.2 Flow chart of 3D scanning for traffic accident scene

1.2 事故現(xiàn)場三維立體重建和全景再現(xiàn)及演示分析系統(tǒng)

基于掃描數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)建模軟件實現(xiàn)各個要素的重建。根據(jù)真實事故現(xiàn)場，通過重建出事故中的所有對象，重建道路、路面設施、隧道等基礎環(huán)境要素，搭建出所需的三維場景。基于所有重建模塊(包括事故對象、環(huán)境模塊、三維過程重建模塊)搭建交通事故再現(xiàn)演示平臺，主要包含三部分：現(xiàn)場全景重建、事故三維重建和事故過程模擬。根據(jù)車輛基本信息調(diào)用車輛三維模型。依據(jù)需求調(diào)用車輛及其他事故對象的三維模型，調(diào)用三維環(huán)境模型，構(gòu)建出三維全景。在事故過程模擬部分，根據(jù)車輛運行軌跡和制動時間，模擬再現(xiàn)了交通事故動態(tài)過程，如圖5所示。

2 實驗示例

基于構(gòu)建的交通事故要素模型和環(huán)境模型，搭建了交通事故再現(xiàn)演示平臺，軟件界面如圖3所示。根據(jù)全景拍攝云臺獲取細目圖像，通過現(xiàn)場全景重現(xiàn)模塊以視頻方式再現(xiàn)360°全景圖像。在事故三維重建模塊中，通過調(diào)用車輛及其他事故對象的三維模型，調(diào)用三維環(huán)境模型，構(gòu)建出三維全景。如：根據(jù)車輛基本信息(如型號、能源類型、廠商等)調(diào)用車輛三維模型如圖3所示。圖4所示為結(jié)合夜間環(huán)境模型構(gòu)建出的三維場景。在事故過程模擬模塊，利用動畫技術(shù)根據(jù)事故中車輛運行軌跡和制動時間，模擬再現(xiàn)交通事故的動態(tài)過程，圖5為模擬視線良好環(huán)境下摩托車與汽車在市區(qū)內(nèi)十字路口相撞示例中的單一視角下的一幀畫面。

圖3 交通事故再現(xiàn)演示平臺Fig.3 Demonstration platform for traffic accident reproduction

圖4 夜間環(huán)境下的三維場景Fig.4 3D scene in night environment

圖5 事故過程模擬示例Fig.5 Example of accident process simulation

3 小結(jié)

提出一種交通事故現(xiàn)場全景測量及情景再現(xiàn)系統(tǒng)框架，利用數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)字建模技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實技術(shù)，采用動畫形式再現(xiàn)事故過程，搭建了基于事故對象、環(huán)境模塊、三維過程重建模塊的交通事故再現(xiàn)演示平臺，為相關(guān)監(jiān)管部門提供技術(shù)支持。