3D 掃描技術(shù)在轎車(chē)-自行車(chē)事故處理中的應(yīng)用*

馬健軍，張新海，蔣懷遠(yuǎn)，劉興華

（廣東警官學(xué)院，廣東 廣州 510440）

0 引言

隨著汽車(chē)保有量的不斷增加和車(chē)輛行駛速度的提高，各國(guó)道路交通事故頻發(fā)，造成了大量人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。對(duì)于道路情況復(fù)雜、交通事故頻發(fā)等狀況，專家學(xué)者積極地開(kāi)展了研究，致力于調(diào)查不同類(lèi)型事故的成因及預(yù)防工作，降低事故發(fā)生率，提升道路交通安全水平。由于地形地貌狀況各異以及氣候環(huán)境不同，導(dǎo)致道路交通方式與交通特點(diǎn)存在差異，各國(guó)對(duì)于交通碰撞事故的研究也有不同的側(cè)重點(diǎn)。例如，歐盟和日本在開(kāi)展汽車(chē)正面和側(cè)面碰撞安全性的研究工作外，還注重對(duì)行人及兩輪車(chē)交通安全性的研究工作。除了以上提到的汽車(chē)正面和側(cè)面碰撞、行人安全性研究以外，汽車(chē)與自行車(chē)、摩托車(chē)等兩輪車(chē)碰撞事故方面的研究也同樣受到大量關(guān)注。在國(guó)內(nèi)，由于經(jīng)濟(jì)水平持續(xù)增長(zhǎng)，駕駛機(jī)動(dòng)車(chē)或者乘坐網(wǎng)約車(chē)、出租車(chē)已成為主流的出行方式。同時(shí)，隨著共享經(jīng)濟(jì)理念興起，人們傾向于選擇共享單車(chē)、電動(dòng)自行車(chē)等兩輪車(chē)解決出行最后五公里的問(wèn)題。道路上機(jī)動(dòng)車(chē)與自行車(chē)數(shù)量的激增，造成汽車(chē)與自行車(chē)碰撞事故發(fā)生率提高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)發(fā)生的道路交通事故之中，汽車(chē)與兩輪車(chē)（自行車(chē)、摩托車(chē)等）碰撞事故占有較大比例，并呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢(shì)。因自行車(chē)騎乘者并未佩戴頭盔、護(hù)膝等護(hù)具，汽車(chē)與自行車(chē)碰撞事故容易造成騎行人傷亡的情況。

因此，基于國(guó)內(nèi)道路交通安全現(xiàn)狀，分析汽車(chē)與自行車(chē)碰撞事故特征，探究3D 掃描技術(shù)應(yīng)用于汽車(chē)與自行車(chē)碰撞事故勘驗(yàn)，完成事故現(xiàn)場(chǎng)重建與場(chǎng)景再現(xiàn)對(duì)于后期事故成因調(diào)查及預(yù)防措施制定具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。除了可以為相關(guān)交通案件開(kāi)展事故鑒定提供有力參考外，還可以為道路交通安全管理的預(yù)防策略與法規(guī)研究提供有力支撐。

1 3D掃描技術(shù)在各類(lèi)場(chǎng)景的應(yīng)用

3D 掃描技術(shù)的研究始于20 世紀(jì)90 年代，經(jīng)幾十年迭代發(fā)展與技術(shù)更新，3D 掃描技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于各類(lèi)設(shè)備，例如3D 掃描儀、3D 打印、3D 傳感攝像頭等。3D 掃描儀作為一種高精度數(shù)字化設(shè)備，可掃描分析各類(lèi)工程場(chǎng)景中物體（建筑、橋梁、車(chē)輛等）或環(huán)境的形狀（幾何構(gòu)造）與外觀數(shù)據(jù)（顏色、表面反照率等性質(zhì)）。3D 掃描儀采集的數(shù)據(jù)可應(yīng)用于各類(lèi)場(chǎng)景模型的三維重建與運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上建立實(shí)際物體的數(shù)字模型，創(chuàng)建的數(shù)字模型廣泛應(yīng)用于逆向工程、刑事鑒定、工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)器人導(dǎo)引等領(lǐng)域。由于3D 掃描儀具有測(cè)量和制圖精度高、掃描速度快、無(wú)接觸、可視化等優(yōu)點(diǎn)，因此在交通管理工程領(lǐng)域，常應(yīng)用3D 激光掃描儀對(duì)交通事故現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展勘驗(yàn)作業(yè)。交通事故現(xiàn)場(chǎng)3D 激光掃描技術(shù)是運(yùn)用激光掃描儀對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行三維掃描，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)掃描圖像，采集事故現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行三維建模，為事故處理后期開(kāi)展起因調(diào)查及涉事雙方責(zé)任認(rèn)定等工作提供有力技術(shù)支撐[1]。因現(xiàn)場(chǎng)掃描效率高、事故現(xiàn)場(chǎng)要素均可完整記錄在點(diǎn)云圖中等特點(diǎn)，3D 激光掃描技術(shù)可滿足現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)技術(shù)要求。

2 汽車(chē)與自行車(chē)碰撞事故特征分析

由于共享經(jīng)濟(jì)理念的推波助瀾，共享自行車(chē)如雨后春筍般大量出現(xiàn)在街頭巷尾。自行車(chē)憑借其適應(yīng)性強(qiáng)、輕便靈活等優(yōu)勢(shì)，成為短途出行常用的交通工具。但自行車(chē)也具有重心高、穩(wěn)定性差、無(wú)防護(hù)設(shè)備、安全性差等缺點(diǎn)，一旦發(fā)生交通事故極易造成人員傷亡。騎乘自行車(chē)的過(guò)程中常出現(xiàn)非法橫穿機(jī)動(dòng)車(chē)道、違法占道行駛、逆道騎車(chē)、截頭猛拐、違反交通信號(hào)燈等違章行為。以上違反交通規(guī)則的行為，尤其是在交叉口違反交通信號(hào)燈和違法占道[2]，容易引起汽車(chē)與自行車(chē)碰撞事故，成為導(dǎo)致自行車(chē)交通事故的主要因素。

從動(dòng)力學(xué)研究角度而言，汽車(chē)與兩輪車(chē)（自行車(chē)、摩托車(chē)等）發(fā)生碰撞涉及復(fù)雜動(dòng)力學(xué)分析過(guò)程。與汽車(chē)和行人的碰撞事故分析不同，汽車(chē)與兩輪車(chē)的碰撞事故涉及的要素較多，包括汽車(chē)、自行車(chē)、騎行者，以上要素之間相互碰撞作用增加了事故重建的復(fù)雜程度[3]。在傳統(tǒng)的交通事故勘驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，考慮傷者及時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)救治、避免大面積擁堵等因素，交通管理部門(mén)會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)迅速清理，這就對(duì)現(xiàn)場(chǎng)完整程度造成一定影響。由此可見(jiàn)，交通事故現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)對(duì)事故快速處理和事故鑒定技術(shù)提出了較高的要求：既要勘驗(yàn)工作高效化，又要保證現(xiàn)場(chǎng)要素完整性記錄。

3 事故現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)

3.1 案例概況

某年8月中旬，華南某市干線發(fā)生一起轎車(chē)與自行車(chē)碰撞事故。事故發(fā)生位置為東西朝向雙向車(chē)道與南北走向雙向車(chē)道交匯的十字交叉路口，限速60 km/h。經(jīng)事前調(diào)查可知，魯某駕駛一輛紫色小轎車(chē)搭載兩名幼兒從東向西方向行駛，王某踩著一輛自行車(chē)從南向北方向行駛。魯某在搶黃燈通過(guò)路口時(shí)未留意轎車(chē)兩側(cè)狀況，此時(shí)王某猛踩自行車(chē)闖紅燈從右側(cè)沖出，導(dǎo)致轎車(chē)右前側(cè)與自行車(chē)左側(cè)相撞，碰撞導(dǎo)致兩車(chē)接觸部分均發(fā)生變形，但未出現(xiàn)涉事雙方傷亡情況。

3.2 勘驗(yàn)設(shè)備

通常，開(kāi)展交通事故現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)涉及3D 激光掃描儀套件（3D 掃描儀、靶球、掃描儀配套支架）、交通事故現(xiàn)場(chǎng)勘查箱、現(xiàn)場(chǎng)安全防護(hù)套件（安全錐、警示牌、警戒線）等裝備的應(yīng)用。3D 激光掃描儀如圖1 所示，交通事故現(xiàn)場(chǎng)勘查箱如圖2所示。

圖1 3D激光掃描儀

圖2 交通事故現(xiàn)場(chǎng)勘查箱

3.3 制定掃描計(jì)劃

激光掃描儀掃描對(duì)象為被測(cè)物體表面，每個(gè)站點(diǎn)只能得到激光脈沖掃射到的曲面點(diǎn)云。一般而言，設(shè)置多個(gè)掃描站點(diǎn)才能完整掃描事故現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)云。事故現(xiàn)場(chǎng)的大小和周?chē)h(huán)境決定了站點(diǎn)的布置和數(shù)量。通常，對(duì)一個(gè)事故現(xiàn)場(chǎng)的完整掃描至少需設(shè)定三個(gè)掃描站點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)。綜合考慮事故現(xiàn)場(chǎng)的方位、事故車(chē)輛、現(xiàn)場(chǎng)散落物等狀況，本研究涉及的轎車(chē)-自行車(chē)事故勘驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置4 個(gè)掃描站點(diǎn)。每次完成站點(diǎn)掃描，需檢查點(diǎn)云質(zhì)量：如果點(diǎn)云噪點(diǎn)較多，則采取點(diǎn)云更密集的細(xì)掃描對(duì)局部細(xì)節(jié)進(jìn)行掃描[4]。確定掃描計(jì)劃有3 個(gè)步驟：1）現(xiàn)場(chǎng)巡視了解概況，明確調(diào)查范圍與方向；2）布置掃描站點(diǎn)、靶球，架設(shè)掃描儀；3）設(shè)置掃描參數(shù)，掃描事故現(xiàn)場(chǎng)，采集數(shù)據(jù)。轎車(chē)-自行車(chē)事故現(xiàn)場(chǎng)掃描計(jì)劃如圖3 所示。

圖3 轎車(chē)-自行車(chē)事故現(xiàn)場(chǎng)掃描計(jì)劃

3.4 確定事故勘驗(yàn)范圍

根據(jù)交通事故現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)時(shí)應(yīng)完整記錄事故現(xiàn)場(chǎng)痕跡原貌。負(fù)責(zé)勘驗(yàn)的技術(shù)人員通常采用拍照的方式，通過(guò)拍攝概貌、方位、局部、細(xì)目等不同視角范圍的照片記錄固定原始現(xiàn)場(chǎng)。合理的靶球設(shè)置方案，可實(shí)現(xiàn)事故現(xiàn)場(chǎng)要素的全面掃描，保證掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)完整。靶球擺放不規(guī)范易導(dǎo)致掃描盲區(qū)，影響后期拼接效果與建模精度。因轎車(chē)-自行車(chē)事故現(xiàn)場(chǎng)范圍較大，容易出現(xiàn)掃描盲區(qū)，故將多靶球置于涉事車(chē)輛關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，并在現(xiàn)場(chǎng)周?chē)O(shè)置4 組掃描站點(diǎn)，以保證掃描數(shù)據(jù)完整與掃描精度水平。掃描站點(diǎn)及靶球分布情況如圖4所示。

圖4 掃描站點(diǎn)及靶球分布情況

4 事故現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與處理

4.1 數(shù)據(jù)采集

3D 激光掃描儀掃描事故現(xiàn)場(chǎng)之前，必須充分考慮事故現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況，以設(shè)定合適的掃描參數(shù)。掃描參數(shù)分辨率設(shè)定直接影響掃描質(zhì)量與掃描效率：掃描分辨率越高，掃描質(zhì)量越好，數(shù)據(jù)噪點(diǎn)少，但相應(yīng)掃描時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)，從而直接影響事故勘驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)掃描效率。因此，應(yīng)視所處理事故現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景的具體情況，選擇合適的掃描分辨率參數(shù)。依據(jù)事故現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，設(shè)定3D 掃描儀參數(shù)，如表1 所示。同時(shí)，各掃描站點(diǎn)應(yīng)采用同一套參數(shù)采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，避免因參數(shù)不一致，無(wú)法有效拼接事故場(chǎng)景，引起建模誤差偏大的情況。

表1 3D掃描儀參數(shù)設(shè)定

根據(jù)轎車(chē)-自行車(chē)事故現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)的實(shí)際情況，3D掃描儀分辨率設(shè)為1/6，該值可兼顧掃描質(zhì)量與掃描效率。接通3D 掃描儀電源，先通過(guò)3D 掃描儀操作屏幕，啟用以下模塊：高度儀、指南針、傾角儀、GPS 定位，再按下啟動(dòng)鍵，3D 掃描儀開(kāi)始運(yùn)作，掃描事故現(xiàn)場(chǎng)，獲取現(xiàn)場(chǎng)各要素的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。每站完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集都應(yīng)檢查掃描質(zhì)量，確保被掃描目標(biāo)各要素完整采集，不受外部環(huán)境各類(lèi)因素影響。掃描質(zhì)量不合格，則需重復(fù)上述步驟完成再次掃描，直到該站點(diǎn)掃描質(zhì)量符合后期拼接要求。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際掃描結(jié)果顯示：在啟用黑白掃描模式下，各站點(diǎn)掃描工作總時(shí)長(zhǎng)為12 分40 秒，平均每個(gè)站點(diǎn)掃描時(shí)長(zhǎng)僅需3 分10秒，表明3D掃描儀具備高效、便捷、實(shí)用等特點(diǎn)。

4.2 數(shù)據(jù)處理

4.2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

將3D 激光掃描儀與筆記本電腦終端通過(guò)藍(lán)牙或局域網(wǎng)WLAN 連接，通過(guò)掃描參數(shù)設(shè)置界面完成掃描精度、掃描模式等的設(shè)置。在激光掃描過(guò)程中，數(shù)據(jù)會(huì)被連續(xù)收集與處理。3D 激光掃描儀掃描物體，收集物體表面采樣點(diǎn)的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，其被稱為點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云處理流程包括：點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪、去除冗余點(diǎn)、多站點(diǎn)拼接、生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)[5]。目前，去除冗余點(diǎn)的方法有兩種：斜率法和三點(diǎn)判斷法[6]。點(diǎn)云處理整體流程如圖5 所示。

圖5 事故現(xiàn)場(chǎng)掃描方案

在數(shù)據(jù)處理SENCE 軟件工作區(qū)導(dǎo)入轎車(chē)-自行車(chē)事故現(xiàn)場(chǎng)掃描數(shù)據(jù)，從清晰度、噪點(diǎn)情況、事故現(xiàn)場(chǎng)各要素齊全度等方面檢查現(xiàn)場(chǎng)掃描效果。掃描效果直接影響場(chǎng)景拼接質(zhì)量、三維建模精度。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，SENCE 軟件可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)靶球的自動(dòng)捕捉，在手動(dòng)移除引起誤差較大的無(wú)關(guān)靶球以及系統(tǒng)誤識(shí)別的球狀物體后，完成掃描點(diǎn)云處理，最后得到經(jīng)預(yù)處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖，如圖6 所示。

圖6 點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖

4.2.2 事故現(xiàn)場(chǎng)表面重構(gòu)與現(xiàn)場(chǎng)重建

1）事故現(xiàn)場(chǎng)表面重構(gòu)。經(jīng)預(yù)處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含了事故現(xiàn)場(chǎng)掃描區(qū)域內(nèi)所有掃描表面的信息，僅用一張曲面來(lái)擬合表示所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的方案并不現(xiàn)實(shí)。經(jīng)預(yù)處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)要使用相同的坐標(biāo)系進(jìn)行事故場(chǎng)景拼接，交通事故處理常用的拼接方式為靶球拼接。考慮到事故場(chǎng)景范圍較廣，采用“基于目標(biāo)拼接”模式，降低目標(biāo)分布閾值。打開(kāi)“對(duì)應(yīng)掃描”選項(xiàng)及常規(guī)工具欄中“GPS”“指南針”“高度計(jì)”“傾角儀”的開(kāi)關(guān)，完成事故場(chǎng)景拼接。以事故現(xiàn)場(chǎng)特征為依據(jù)分割數(shù)據(jù)點(diǎn)，將其形成不同的區(qū)域，隨后擬合分割形成的不同區(qū)域，即可得到不同的曲面。最后，應(yīng)用曲面求交或曲面間過(guò)渡的方法將不同的曲面連接起來(lái)，最終得到完整、精確的交通事故現(xiàn)場(chǎng)掃描表面[7]。

2）事故現(xiàn)場(chǎng)重建。交通事故現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)掃描表面重構(gòu)這一關(guān)鍵步驟，已獲得完整、精確的轎車(chē)、自行車(chē)、騎車(chē)人留下的現(xiàn)場(chǎng)印跡等要素，隨后建立精確的事故現(xiàn)場(chǎng)三維模型。為了獲得理想的三維視圖效果，還需完成軟件數(shù)據(jù)裁剪，具體操作如下：首先，關(guān)閉“自動(dòng)群集”選項(xiàng)；其次，根據(jù)掃描設(shè)定條件在深色掃描點(diǎn)過(guò)濾器中調(diào)整深色點(diǎn)閾值[8]；最后，應(yīng)用多邊形裁剪工具或者裁剪框工具進(jìn)行數(shù)據(jù)裁剪，避免無(wú)關(guān)數(shù)據(jù)干擾，完成轎車(chē)-自行車(chē)事故現(xiàn)場(chǎng)三維建模，實(shí)現(xiàn)事故場(chǎng)景的可視化重建[9]。轎車(chē)-自行車(chē)事故現(xiàn)場(chǎng)三維模型如圖7所示。

圖7 轎車(chē)-自行車(chē)事故現(xiàn)場(chǎng)三維模型

5 結(jié)論

通過(guò)分析道路交通事故處理的業(yè)務(wù)需求，以實(shí)現(xiàn)事故勘驗(yàn)工作的科學(xué)化、規(guī)范化、高效化、精準(zhǔn)化為目標(biāo)，探索了3D 激光掃描技術(shù)應(yīng)用于轎車(chē)-自行車(chē)碰撞事故現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的研究方法。結(jié)果表明：3D 激光掃描采集現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，應(yīng)用SCENE 軟件處理完成數(shù)據(jù)去噪、場(chǎng)景拼接、表面重構(gòu)、三維建模等步驟，實(shí)現(xiàn)了精確地還原重建轎車(chē)-自行車(chē)碰撞事故現(xiàn)場(chǎng)，從而判定事故發(fā)生原因及事故責(zé)任人，為法律訴訟和保險(xiǎn)理賠提供了依據(jù)[10]。同時(shí)，3D 掃描儀在事故勘驗(yàn)中的應(yīng)用，提升了事故現(xiàn)場(chǎng)處理效率，有效避免了涉事路段出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)矶碌默F(xiàn)象。