专利名称：交通事故现场计算机辅助勘查系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测绘系统，更确切地说是涉及一种计算机辅助测绘交通事故现场的系统。
当发生交通事故后，交通警察需要对现场进行详细的审视，用卷尺等工具手工测量包括前后车轮至马路边的距离、前后车轮的刹车痕迹长度等距离数据和现场散落物的位置、现场的地点、方位、地物地貌等数据，然后再根据所测量的这些数据在室内手工绘画出比例的交通事故现场平面图、剖面图，测量的数据及绘制的图形都是分析交通事故原因及判断事故责任的重要依据。
目前在我国包括欧美等发达国家都是用手工丈量的方法处理交通事故现场的，其缺点是因现场处理时间长造成交通堵塞，且丈量时容易遗漏数据和出现错误，造成图形不全和失真，及有因勘查人员主观因素造成的不公正结果，也不易作现代化及规范化的管理。
日益繁忙的交通愈来愈迫切地要求快速、准确、科学地测量交通事故现场，因此该技术领域的世界各国专家们都在努力地寻求交通事故现场测绘的新方法。如在日本曾采用摄影方法，使用专用勘查丐包车，将两个照相机固定在丐包车上可上下升降的基线杆尺上，其光轴严格平行，主距固定不能调焦，一次同步拍摄立体像片对，再在光学立体坐标仪上观察像片对的光学影像立体模型，并对光学影像模型绘出平面图。由于现场拍照需占用很大空间，拍摄难度大，而多数现场往往无法拍照，加之光学仪器价格昂贵、操作复杂，因而并未推广应用。国外有专家也试图用一个相机拍片，但基于采用所谓的直接线性变换算法(DLT)，要求在现场测定六个已知三维坐标的控制点，所拍摄的每一幅照片必须将六个控制点全部摄入镜头中，因此不仅拍摄难度大，而且测设控制点要耗费比手工丈量更多的时间，因此该方法亦不能推广应用。
本发明的目的是采用一种国内外未见报导的摄像机拍摄现场作图法，集配套设备、软件开发、近景摄影测量技术及数学算法于一体的方法，而设计一种交通事故现场计算机辅助勘查系统。
本发明的交通事故现场计算机辅助勘查系统，包括标准杆、标志球、普通照相机、扫描仪、摄像机、视霸卡、计算机、绘图仪和打印机，其特征在于是采用下述方法
1.设置系统的软件平台，包括DOS5.0以上版本、WINDOWS3.1版本、UCDOS3.1版本、AUTOCAD10.0以上版本、辅助测量程序子系统、立体模型恢复子系统和绘图程序子系统，并取交通事故现场图例，按国家标准预先编写存入绘图程序的图例库中；2.在交通事故现场布置作为控制点的标准杆和作为标志点的标志球；3.用照相机在距现场3-12米的距离处以任意交向角度围绕现场拍3-15张像片，或用摄像机在距现场3-12米的距离处以任意交向角度围绕现场拍摄录像带，分别采集现场信息；4.用扫描仪扫描所拍摄的照片获得照片的数字化图像文件，或将录像带放入与计算机视霸卡相连接的录像机中，获得录像带上某些像幅的数字化图像文件并存入计算机中；5.将各张照片或像幅的数字化图像文件作为辅助测量程序的输入，用鼠标器在屏幕上点取各标志点，由程序自动将各标志点平面的X、y坐标值写入一数据文件中，坐标原点是照片或像幅的中心点，获取标志点平面坐标数据文件；6.将标志点平面坐标数据文件作为立体模型恢复程序的输入做立体模型恢复计算，获得标志点立体坐标数据文件；7.将交通事故现场标志点立体坐标数据文件作为绘图程序的输入，计算机将各标志点按坐标值展现在屏幕上，操作者用鼠标器点取交通事故现场图例并放置到标志点所标志的位置，再由打印机或绘图仪绘制出交通事故现场平面或剖面图。
所述的标准杆是长度为2-3米的轻型直杆，当路面为斜坡和要测量坡度时，标准杆垂直放置在地面上，其余情况为任意放置；所述的标志球为颜色鲜艳的球形、半球形、园柱形体，布置在现场固有的汽车门、窗、车轮中心、刹车痕迹处或任意布置。
本发明系统在国内外首次将计算机辅助测量技术用于交通事故处理领域；在国内外首次将照相机任意交向角下近景摄影测量技术用于交通事故处理领域；在国内外首次将摄像机近景摄影测量技术用于交通事故处理领域；创造性地设置标准杆、标志球；计算机辅助测量子系统、立体模型恢复子系统、绘图程序子系统及立体模型恢复的数学算法完全基于最新的计算机多媒体技术、计算机图象技术和计算机图形输出功能而作出的，从而组成了一个独特的专用软件和硬件系统。
下面结合实施例及附图进一步说明本发明的技术。
图1.水平基准杆结构示意2.竖直基准杆结构示意3.系统结构框图参见图1.图2.基准杆可包括水平基准杆10和竖直基准杆20，分别示于图1、图2中。当要将标准杆垂直放置在现场某处时，需用带三角架21固定的竖直基准杆20，基准杆上应设置指南针12、22和水准器13、23。基准杆身11.25长度已知并精确测定，基准杆一端设一活动臂14、24，活动臂末端P点可用作计算方向的定向点。水平基准杆10的杆身可用于确定X轴，P点则用于确定y轴方向(不要求臂长已知)，其上水准器13可用于水平地安置杆位。竖直基准杆20的杆身用于确定Z轴，P点用于指向X轴方向，其上水准器23则用于垂直安置杆位。
有两种布置标志球的方法，包括现场固有和人为放置。汽车的门、窗、车轮中心等都可作为计算机辅助测量用的标志点，当汽车的刹车痕在照片上看不清楚无法测量时，也应在相应位置放置标志球再拍照，当地面很空旷无标志点可找时，应在地面上任意地放置标志球，为后续计算提供数据。
标志球可在磁性铁片上焊接半球形等制作；球表面上涂上彩色反光材料，如红、兰、黄、白等，标志球可吸附在汽车上的任一部位或置于地面，使照片上显现点位鲜明精确，即使在夜晚光照微弱时也可采集到象点。
参见图3.为系统构成框图，30表示在交通事故现场采集数据，包括用基准杆获取控制数据和用标志球获取精确点位。31表示用普通照相机拍照，32为扫描仪，33为摄象机，34为视霸卡，35为计算机辅助图象量测操作，36为计算机辅助三维坐标解算操作，37为计算机控制绘图操作，38为绘图仪，39为打印机。其中34、35、36、37在计算机中进行，可用386以上微型计算机，并有TVGA显示卡。
照相机可用普通型的，摄像机33应用高分辨率的，但本系统在使用它们前需作专门检定。检定方法是在室内设已知三维坐标的检定场，用照相机、摄像机从不同距离处拍摄，解算出因调焦而产生的主距变化量，并用最小二乘法拟合成ae-b.L(L为距离，a、b为主距变化参数)负指数函数曲线，再将a、b参数引入计算中。标准镜头则不用考虑镜头畸变参数，对广角镜头则应在室内设立平面格网检定场通过多次照相解算出镜头畸变参数K1、K2，并引入计算中。
照片或录像带通过扫描仪32或视霸卡34变成二进制的数字图像后存入计算机。利用WINDOWS系统中能够获取屏幕上鼠标点处用象素表示的平面位置功能，求得各标志点的象片X、y坐标值，这些坐标值是通过扫描精度(DPI)自动换算的，以象片上毫米为单位，并自动形成象片坐标数据文件，从而完成计算机辅助图象量测的操作35。
在输入象片坐标数据文件、主距变化参数a、b(或镜头畸变参数K1、K2)、基准杆长度、象片放大倍数以及相机、摄像机的标称焦距值后，即可计算出各标志点的三维真实空间坐标，即完成计算机辅助三维坐标解算，计算流程如下a.用相对定向算法将象片对一个个地单独恢复成立体，由于拍摄时光轴间交角是任意的，其不平行度很大，若用通常的解法则不能收敛，本发明采用一种特殊的旋转矩阵来解算。待各个象片对单独解算成功后，通过一虚拟边长使之变成统一比例并连接成一整体；b.通过绝对定向解算出未知点及相机外定向参数的近似值，由于控制点参数只有七个(标准杆两个已知点共6个已知坐标，加上定向点一个已知方向)，无法用最小二乘法解算，只能通过多步旋转及比例变换来进行绝对定向；c.光束平差计算，除一般的光束平差算法外，为了解决无法收敛的问题，需采用特殊的旋转矩阵解算法，在采用上述近似值的条件下，可解算出标志点的三维真实坐标，形成控制绘图仪的数据文件。
在解算三维坐标时的一个难点是旋转阵的三角函数引起的多值性和奇异性，当旋转角度较大时，最易使计算发散，本发明算法为解决该问题采用了下述代数参数值的旋转阵 在上述计算中，采用该旋转阵参与计算可大大增加收敛性，在光轴任意交会角下都能达到收敛。
计算机控制绘图37是根据光束平差计算的三维坐标文件，利用AUTOCAD的功能将各点自动展绘在屏幕上，然后用鼠标打开图例库菜单(为了控制绘图仪绘制出事故现场比例平面图，必须事先将国家按标准制定的图例一个个地制成幻灯片文件SLD，作成图例库，调用时可任意缩放)，并用鼠标点取相应的图例置于相应的点处，调整缩放比例，即可准确控制绘图仪38或打印机39绘出交通事故现场比例平面图，再根据指南针在图象上显示的读数，控制绘图仪绘出指北方位线。可用各种型号的绘图仪和普通打印机，若用激光打印机则效果更好。
本系统经十多次十分逼真的现场模拟实验取得了令人满意的结果。将系统计算结果与交警部门丈量的数据比较，在130DPI扫描精度下，距离计算的中误差约±2-3厘米。
本发明的系统，现场摄影过程快速，只需在现场放置基准杆及标志球，即可手持相机或摄像机绕现场行走，每隔一定距离均匀分布地对事故区拍摄，一般拍十张左右照片或由录像带提取十幅左右图象，外勤时间十分钟左右，快速且简单，熟练后更可进一步缩短采集现场数据的时间，大大减少了堵车时间；交通事故现场信息全面数字化并在计算机中保存，任何时间都可再现和补充重算，信息真实，不会出错，对重大事故、涉外事故、有疑问事故都有十分重要的意义；加强了交通事故现场处理的科学性，有助于廉政建设，可随时再现事故现场，不同的人可作反复测量，使结果更具真实性；交通事故现场测量和绘图标准化、数字化，有助于交通事故管理的现代化；使用简单、易学易操作，普通交警经两周培训就会使用。
本发明系统除可用于交通事故现场勘查外，还适用于刑事案件现场计算机辅助勘查、火灾现场计算机辅助勘查和军事演习等事故现场的计算机辅助勘查。
权利要求
1.一种交通事故现场计算机辅助勘查系统，包括标准杆、标志球、普通照相机、扫描仪、摄像机、视霸卡、计算机、绘图仪和打印机，其特征在于是采用下述方法(1)设置系统的软件平台，包括DOS5.0以上版本、WINDOWS3.1版本、UCDOS3.1版本、AUTOCAD10.0以上版本、辅助测量程序子系统、立体模型恢复子系统和绘图程序子系统，并取交通事故现场图例，按国家标准预先编写存入绘图程序的图例库中；(2)在交通事故现场布置作为控制点的标准杆和作为标志点的标志球；(3)用照相机在距现场3-12米的距离处以任意交向角度围绕现场拍3-15张像片，或用摄像机在距现场3-12米的距离处以任意交向角度围绕现场拍摄录像带，分别采集现场信息；(4)用扫描仪扫描所拍摄的照片获得照片的数字化图像文件，或将录像带放入与计算机视霸卡相连接的录像机中，获得录像带上某些像幅的数字化图像文件并存入计算机中；(5)将各张照片或像幅的数字化图像文件作为辅助测量程序的输入，用鼠标器在屏幕上点取各标志点，由程序自动将各标志点平面的X、y坐标值写入一数据文件中，坐标原点是照片或像幅的中心点，获取标志点平面坐标数据文件；(6)将标志点平面坐标数据文件作为立体模型恢复程序的输入做立体模型恢复计算，获得标志点立体坐标数据文件；(7)将交通事故现场标志点立体坐标数据文件作为绘图程序的输入，计算机将各标志点按坐标值展现在屏幕上，操作者用鼠标器点取交通事故现场图例并放置到标志点所标志的位置，再由打印机或绘图仪绘制出交通事故现场平面或剖面图。
2.根据权利要求1所述的交通事故现场计算机辅助勘查系统，其特征在于所述的标志杆包括由直杆、设于直杆一端的活动臂、垂直支撑直杆的三角架组成的竖直基准杆和由直杆、设于直杆一端的活动臂组成的水平基准杆，两种基准杆直杆上分别设置有指南针和水准器。
3.根据权利要求1所述的交通事故现场计算机辅助勘查系统，其特征在于所述的标志球为固定在磁性板上的彩色球形、半球形、园柱形体。
4.根据权利要求1所述的交通事故现场计算机辅助勘查系统，其特征在于所述的方法(7)中，当路面为斜坡和要测量坡度时，标准杆垂直放置在地面上，其余情况为任意放置；标志球布置在现场固有的汽车门、窗、车轮中心、刹车痕迹处或任意布置。
全文摘要
本发明涉及一种计算机辅助测绘交通事故现场的系统，集配套设备、软件开发、近景摄影测量技术及数学算法于一体。硬件包括标准杆、标志球、相机、摄像机、扫描仪、视霸卡、计算机、绘图仪和打印机。在现场设置标准杆、标志球，用相机、摄像机绕现场拍摄，经扫描仪、声霸卡变成数字化图像文件，由辅助测量程序、立体模型恢复程序和绘图程序一一获得标志点平面坐标数据文件、标志点立体坐标数据文件和绘制出事故现场平面、剖面图。
文档编号G06T1/00GK1147651SQ9511654
公开日1997年4月16日 申请日期1995年10月10日 优先权日1995年10月10日
发明者王秀美, 曾卓乔 申请人:王秀美