帧间差分法车速测算技术误差分析与处理

何烈云

(浙江警察学院治安系，浙江杭州 310053)

0 引言

近年来，随着计算机、网络以及图像处理、传输技术的飞速发展，视频监控技术在公安交通管理方面越来越发挥着重要作用。视频监控能够非常直观再现交通事故发生过程，反映出事故车辆速度大小和变化，已成为当前交通事故中车辆速度鉴定的重要技术手段。视频车辆速度测算技术按原理可分为帧间差分法、背景差分法、光流法。背景差分法主要适用于摄像头处于运动状态下的目标车辆速度的测算，此方法应用领域不多;光流法相当复杂，鉴定者需要具备一定的数字图像处理技术。帧间差分法则适用于背景和摄像头静止、被研究对象处于运动状态下的目标车辆速度的测算，其原理简单、操作方便，在交通事故车辆速度鉴定中应用最为广泛。目前，关于帧间差分法在视频监控车速测算误差研究相对较少，笔者主要以几何光学成像原理为基础，提出了减少视频车速测速的基本方法，并结合工作实际运用计算机视频处理技术提出了虚拟参照物法，方便视频车速测算过程中参照物的选取，提高测算的精确度。

1 帧间差分法车速测算技术基本原理

1.1 目标车辆行驶距离测量

要测量车辆行驶的空间距离L，需要找到相应的参照物，最常用的参照物选取有以下两种方法。

(1)双参照物法:观测目标车辆车身上某一具有一定特征且便于观察点(下称基准点)通过监控录像中某两个参照物A、B，如图1所示。实地测量出现两个参照物间隔距离L1。在实践中，通常是选取路边的树木、灯柱、交通标志牌或路面上的特征点(线)等作为参照物。

图1 双参照物法示意图

单参照物法:当画面中未出现可供选取的连续 多个参照物，或未能观测到目标车辆基准点与参照物重合的画面时，可以视情况选用以下方法:观测被鉴定车辆车身上某两个基准点通过空间某个参照物，测量车身上两个特征点的距离L2。如图2所示，以路旁物体C选为参照物，另选取车头和车尾作为两个基准点，此时车身的长度就是目标车辆行驶距离。

图2 单参照物法示意图

1.2 目标车辆行驶时间

时间t一般是通过被测视频中查算帧数(帧差)直接得到的，如某一视频监控画面播放的帧速率为n帧/s，则单位帧时间为n－1秒。目前视频监控帧速率大多为25帧/s，即单帧时间为1/25=0.04 s。

2 帧间差分法车辆速度测算技术误差分析

实践表明，视频监控技术测算目标车辆速度时，只要视频画面不存在丢帧现象，测出车辆行驶时间相对简单且准确度较高，但是要在视频中精确测出目标车辆行驶距离难度较大，从而造成视频监控车速测算结果存在一定的误差甚至与实际车速相差较大。从几何光学角度分析，产生目标车辆测量距离的误差，主要有下述三个原因。

2.1 拍摄视角变化引起的测算误差

设图3中小车为待测目标车辆，以C、D两点(在透视光学中称为灭点)的灯柱为参照物，选择目标车辆的前保险杠作为基准点。视频画面中目标车辆是从D点到C点过程中，实际上目标车辆是从E点到F点。实际行驶距离为EF线段的长度，而通过监控视频观测到目标车辆行驶距离为线段DC的长度，显然EF≠DC，两者之间的差值直接影响目标车速测算结果的精度。由图3可知，ΔL与目标车辆、参照物和监控视频三者之间空间位置关系有关。

图3 拍摄视角变化引起的测算误差

由于拍摄角引起的相对误差ε可以通过以下方法进行计算:

在实践中，可以通过相对误差ε值对测算结果进行修正，为了知道相对误差ε大小，需要测算出DC和EF长度，DC可以在现场道路直接测量得到，而EF是无法在监控视频中精确测出，只能通过几何关系进行计算得到，利用余弦定理求得:

上面几个式子中，AB——监控摄像头离地面高度;AC、AD——监控摄像头到C点和D点的直线距离;BG——目标车辆基准点离地面高度;DC——是两参照物之间的距离，以上数据均可直接在现场得到，从而可以求出相对误差ε的大小。

2.2 镜头焦距变化引起的测算误差

监控视频是光学中的透镜成像原理，透镜成像过程中像距、物距和焦距三者之间满足以下关系。

图4 镜头焦距变化引起的测算误差

式中:U为物距，V为像距，f为焦距。

监控视频像距是固定值，为了能够成清晰的画面，监控视频主要是通过自动变焦功能实现的。根据透镜成像原理可知，当目标车辆远离监控视频时，监控视频焦距f也相应增大，目标车辆的放大倍数变小，在画面中呈现出目标车辆近大远小的效果。这一现象造成目标车辆在行驶过程中，当远离摄像头时画面中目标车辆像位置变化不明显，这给测距带来较大不便，许多时候只能通过估算得到，这必将给监控视频测速带来误差。

2.3 车辆基准点与参照物不重合引起的误差

在实际的操作过程中，不管是双参照物法还是单参照物法在确定车辆行驶距离时，往往难得到监控摄像头、车辆基准点和参照物三者完全重合的帧画面，即在图3中很难保证 A、F、C或 A、E、D三点共线。目标车辆基准点超前或滞后于参照物，车辆行驶时间不一定恰是单位帧时间的整数倍，这时需要观察者进行估算，造成目标车辆行驶速度测算结果存在误差。

3 帧间差分法车速测算技术误差处理

通过分析帧间差分法监控视频测速技术误差产生原因可知，为了提高目标车辆测算结果的精度，主要是提高行驶距离测量的精度，在实践中可以采取以下措施减少误差。

3.1 运用单参照物法测出目标车辆行驶距离

图5中运用单参照物法测量车辆行驶距离，以目标车辆车头A点和车尾B点为基准点，从图中可以看出由于不存在拍摄角度差的因素，车辆实际行驶距离和车身长度AB是相同的，这时测出的行驶距离相对精度较高。

3.2 选择与目标车辆接近的参照物

3.3 选择目标车辆近距离画面分析测算

为了便于观测目标车辆位置的改变情况，尽量选取车辆行驶至监控视频摄像头附近的画面分析，由于这时画面中的目标在车辆行驶过程中，单位时间间隔内位置变化明显，便于观察分析和提高测算的精度。

3.4 采用虚拟参照物法

图5 单参照物法示意图

在视频监控车辆速度鉴定技术中，因画面中没有合适的参照物而造成测量车辆行驶距离不方便。为了解决这一问题，可以通过专门的视频处理编辑软件直接在画面中增加虚拟参照物，图6中两根与地面垂直黄色标线就是添加的虚拟参照物。这样就非常方便地给车辆进行定位，而且标线位置是可以人为设定的，可以减少因目标车辆基准点与参照物无法重合而产生的行驶距离测量误差。而且可通过在画面中增加虚拟参照物的间隔密度，精细判断目标车辆速度变化及进一步计算制动过程中的加速度大小。

图6 虚拟参照物法示意图

4 结语

帧间差分法在监控视频车速测算过程，可以通过优化参照物的选择，并根据对误差形成原因，对测算结果进行修正，从而提高目标车辆速度测算结果的精确度，对交通事故车辆速度的鉴定及事故责任的认定有着重要的意义。

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