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基于視頻檢測技術的交通事故仿真再現研究

文檔作者：李威文檔來源：大連民族學院計算機科學與工程學院		點擊數：	更新時間： 2022年12月09日
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基于視頻檢測技術的交通事故仿真再現研究
李威
(大連民族學院計算機科學與工程學院遼寧116605)
【摘要】本文實現了一種基于視頻檢測技術的交通事故仿真再現解決方案，該系統利用現有視頻檢測技術檢測出交通
事故中事故車輛的速度，加速度，運動軌跡等，并結合碰撞模型，得出事故車輛的運動規(guī)則，以此作為三維仿真的輸入數據。
利用3DMa)(開發(fā)事故中的物體模型，并通過Direct3D組件，應用視頻檢測得出的數據進行三維仿真模擬。
【關鍵詞】視頻檢測；仿真再現；Direct3D；交通事故
中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A 文章編號：1009—6833《2014)11—212—02
Based on the仃a行ic accident simulation video detection technolo霉Ⅳreseal．ch
LiWei
Abstract：This paper inlplementS a based on the tra伍c accident simulation reappearance of video detection technology soludons，
the system USES the existing video detection technology to detect the tra伍c acciden七s in the accident vehicle speed， acceleration，
modon， etc．， and co肌ecting with the c011ision model， it is concluded that the accident Vehicle moVemenc mles， as a 3 d simuhtion
ofthe input daca．use and development ofaccident on3dmax object model，and dⅡough七he Direct3D component，application ofvideo
detection of three—dimensional simulation f-or the data．
KeywOrds： Video detection；Simulation reproduce；Direct3D； The tra伍c accident
0引言
隨著國民經濟的快速發(fā)展，機動車保有量和駕駛員數量極
具增長。每年發(fā)生的道路交通事故居高不下，據專家預測，這
種現象還會持續(xù)下去。由此可見，交通事故已經成為一個嚴重
并亟待解決的問題，它不僅給人們帶來痛苦和不幸，給國家?guī)?
來經濟損失，給社會帶來不安定因素，而且破壞了正常的交通
秩序，阻礙了和諧社會的發(fā)展，影響了國家的經濟建設。
近些年來，隨著計算機技術的不斷發(fā)展，以及虛擬現實技
術的不斷進步，再現仿真技術越來越多地應用到人們的生產和
生活當中，并且扮演著越來越重要的角色。首先，利用虛擬現
實技術可以極大地節(jié)約研究成本和試驗成本。其次，可以把試
驗單位或者是使用部門中積累的數據和經驗進行匯總，建立數
據庫，便于查詢和為以后的實驗與研究提供便利。最后，再現
仿真可以動態(tài)地、直觀地、交互地反映出車輛運行的整個過程，
便于相應的分析與研究。
本文使用建模軟件3DMAx來創(chuàng)建事故中比較復雜的車輛
模型，通過插件將車輛模型導出成X文件，利用Direct3D圖形
開發(fā)組件將車輛模型對應的X文件加載到visllal StIldi020lO
系統中，并可以在此對其進行渲染和控制。以上是三維物體的
導入問題的解決方法。Direct)(中的Direct3D是目前非常流行
的圖形組件。
1系統設計研究
目前針對交通事故的再現仿真研究中，有著很多的研究方
法和研究方向。例如，針對仿真中用到的參數進行優(yōu)化的研究，
使系統對輸入的參數進行優(yōu)化處理，之后利用優(yōu)化函數調用最
優(yōu)的碰撞模型和動力模型來進行仿真：針對碰撞檢測的研究，
核心是碰撞檢測算法的選擇和優(yōu)化，針對汽車碰撞受力的計算
及簡化研究。不管哪種研究方法和方向，計算機虛擬現實技術
和三維動畫仿真都是其中重要的組成部分。
本文利用現有視頻檢測技術，背景差分法和l【alnl蛆濾波方
法對視頻數據進行分割和跟蹤，得出相關數據并指定規(guī)則，建
立三維模型庫。
1．1視頻檢測技術的應用
在交通事故的視頻檢測的整體過程中，根據智能交通系統
(ITS)的功能設計與檢測需求，制定典型的交通視頻檢測子系
統所應該具有的主要模塊及其處理流程，如圖l中視頻檢測部
分所示，這些模塊在實際應用中將依賴幾類常用的圖像處理技
術。
在視頻檢測方法中，選擇背景差分法來獲取視頻中的運動
目標，然后采用基于擴展后的Kalman濾波跟蹤算法實現運動
目標的有效跟蹤，以獲取運動目標的運動狀態(tài)，如軌跡，速度，
加速度等。在跟蹤過程中，為提高算法精度，將運動重心，面
積特征相融合作為匹配特征，從而實現連續(xù)時間序列上的運動
目標準確跟蹤。
在視頻檢測方法實施過程中，還要對道路檢測中的攝像機
標定，檢測區(qū)域劃分等系統設置進行了探討，根據實際交通檢
測的經驗，提出視頻檢測系統可能面臨的問題，如天氣變化，
攝像機的抖動和背景干擾等等，給出對應的解決算法理論及實
際測試結果，建立視頻檢測結果規(guī)則庫。
1．2三維物體模型的設計
為了逼真地模擬事故發(fā)生地的環(huán)境，需要創(chuàng)建三維動態(tài)模
型庫。自行設計三維模型庫，比如車輛，行人，非機動車(自
行車，三輪車等)，路旁障礙物等。這些模型可以用現有的模型，
對于有些特殊模型．需要重新設計。
1-3物體運動規(guī)則的建立
交通事故中車輛的運動數據包括車輛的運動速度，運動方
向，加速度，減速度，車輛碰撞前的運動軌跡等，這些可以通
過視頻檢測的目標跟蹤得到。但是有些模擬量需要目前現有的
一些理論來進行計算，如碰撞時產生的沖力大小，碰撞的強度
等。按照參與碰撞的物體的本身特點，碰撞可分為剛體碰撞，
塑性碰撞和彈塑性碰撞，一般情況下，在汽車碰撞的過程中，
車體出現彈性變形和塑性變形，因此汽車碰撞過程被認為是彈
塑性碰撞較為合理，因此本模型采用彈塑性碰撞理論。按照車
輛碰撞的方式，又可分為正面碰撞、追尾碰撞和側面碰撞，分
別有其一維和二維的碰撞模型，分別通過模型建立物體的運動
規(guī)則。
在道路交通系統中，除了車這個因素之外，還有人、路、
天氣、環(huán)境等其他因素，并且這些因素之間相互影響，使得之
間的關系錯綜復雜，所以道路交通系統中不能僅僅只研究車，
或者只研究車與路之間的關系，而是要把各個方面都考慮到。
此外，如何利用力學原理和實驗建立合理的數學模型，在計算
機虛擬現實技術的基礎上，比較可靠、真實地推算出汽車在碰
撞前后的速度，這是建立規(guī)則時要解決的主要問題。本系統利
用物理和數學模型建立比較完善和準確的車輛二維碰撞模型和
動力學模型，能夠推算出比較真實可靠的碰撞前后的速度，并
建立規(guī)則。
1．4利用Direct3D組件實現三維模擬
Direct3D是微軟公司開發(fā)的Direco(里面的圖形組件接口，
是一個專業(yè)的3D程序接口，也是一個功能強大，調用方便的
(下轉第214頁)
萬方數據
擾，如括噪聲、條紋、雪花等干擾現象。
畫面干擾檢測分兩個模塊：噪聲(特指密集性的隨機性干
擾)和條紋干擾檢測。
噪聲干擾檢測的步驟如下：
步驟1：獲取圖像序列；
步驟2：計算幀差圖厶；
步驟3：將厶分成一系列塊氣，將比分成運動塊曰m和非
運動塊曰’；
步驟4：計算非運動塊8+的方差；
步驟5：計算非運動塊方差的直方圖，根據直方圖的形狀
確定干擾的強度。
2．2．4色彩異常檢測
該模塊用于檢測攝像頭故障導致的視頻畫面大面積偏色。
其檢測步驟如下：
步驟l：獲取視頻圖像數據；
步驟2：將圖像色彩空間轉Lab空間；
步驟3：計算色度的均值D和色度中心距M；
步驟4：用D／M的值來表示圖像偏色程度，其值越大則偏
色越嚴重，越小則說明變色程度越小。
2．2．5畫面凍結檢測
該模塊用于檢測視頻畫面的凍結異常，凍結指畫面內容長
時間不更新。
其檢測步驟如下：
步驟l：獲取視頻圖像序列；
步驟2：判斷圖像幀問是否不發(fā)生任何變化，如果是則說
明視頻凍結，如果不是則繼續(xù)下一步處理：
步驟3：判斷圖像上的時間戳幀間的變化情況，如果長時
間不變則說明視頻凍結，否則視頻不存在凍結現象。
2．2．6抖動檢測
該模塊用于檢測攝像頭不穩(wěn)定、外部強烈震動等引起的攝
像頭持續(xù)性抖動。
其檢測步驟如下所示：
步驟1：獲取視頻圖像序列；
步驟2：標記圖像的紋理區(qū)域；
步驟3：計算紋理區(qū)域的光流，得到各個塊的運動方向；
步驟4：利用方向直方圖確定圖像是否存在主運動方向，
并記錄其主運動方向：
步驟5：統計多幀圖像的運動方向，并結合抖動的來回運
(上接第212頁)
底層3D模型庫。應用Direct3D不僅可以控制物體的繪制，還
可以對物體進行標記以及區(qū)分在指定區(qū)域上繪制了哪些物體，
并返回繪圖信息。Direct3D開發(fā)三維圖形的基礎模式有三種，
分別是繪圖模式，選擇模式和反饋模式。繪圖模式中物體的基
本參數，光照和材質參數，文理參數等構成了交互式程序的繪
制基礎；選擇模式為用戶提供了一種拾取物體的機制；反饋模
式將繪圖信息加以組織并返回給應用程序，成為程序設計的重
要資料和用戶所需的信息。
首先從3DMAx導出三維模型，用Direct3D中的組件，函
數對三維模型進行控制，主要可以實施平移，旋轉，縮放的變換。
用之前建Y立的規(guī)則庫中的規(guī)則來控y制場景中車輛或物體的運動。 ·氣莎曩三四‘ yV 、_盈書． ‘、鬟膏·
■L
訇j 交通事故現場模擬效果l矧
動特性確定是否存在抖動。
2．2．7信號異常檢測
該模塊用于檢測攝像頭故障、線路故障等引起的視頻信號
丟失、信號不穩(wěn)定等現象。
信號異常檢測分為兩個檢測模塊：無視頻信號和視頻劇變
檢測。
無視頻信號檢測的步驟如下所示：
步驟1：獲取視頻圖像數據；
步驟2：計算圖像直方圖；
步驟3：根據直方圖判斷其是否為藍屏，如果是則說明無
視屏信號，否則做進一步的檢測；
步驟4：對圖像中間區(qū)域進行字符定位，并進行字符識別
確定其是否存在“無視頻信號”字符，如果存在則說明視頻無視
頻信號，如果不是則說明視頻有信號。
2．2．8 PTZ檢測
該模塊用于檢測PTz相機的平移、放大、縮小、聚焦等功
能是否存在故障，該部分檢測需要在檢測前發(fā)送相應的運動指
令，如檢測PTz相機的平移功能是否存在故障，則在檢測前就
需要發(fā)送運動指令，然后獲取視頻圖像序列判斷其是否發(fā)生平
移，如果發(fā)生平移則說明PTz的平移功能正常。
PTz的運動狀態(tài)判斷包括兩個子模塊：平移、放大、縮小
檢測模塊和聚焦檢測模塊。
聚焦檢測步驟如下：
步驟1：獲取視頻圖像序列；
步驟2：計算每幀圖像清晰度；
步驟3：判斷圖像序列的清晰度是否滿足單調的平穩(wěn)性變
化趨勢，如果滿足則說明攝像頭存在聚焦動作，否則不存在聚
焦動作。
3結論
視頻質量智能檢測系統通過網絡輪詢訪問前端攝像頭獲取
視頻數據，利用無參考視頻質量評價模型，全方位分析視頻數
據，給出視頻圖像的亮度、清晰度、PTz功能、畫面干擾、畫
面凍結、信號狀態(tài)及色彩等異常程度，對于存在異常的視頻進
行報警，并產生相應的報表供相關的維護人員進行維護，從而
大大降低設備維護的工作量。
作者簡介：
尹婕(1982一)，女，漢族，浙江臨海，碩士，工程師，研究方
向：通信與信息系統。
按照車輛行駛狀態(tài)，城市交通事故通常有：直行事故，追
尾事故，超車事故，左轉彎右轉彎事故等，每種交通事故都有
其發(fā)生的規(guī)則，比如追尾事故通常發(fā)生在遇紅燈緊急剎車或者
雨雪天氣狀況下的溜車情況等。
從規(guī)則庫中選擇合適的規(guī)則應用到不同類型的事故中，產
生比較真實的效果。
最終模擬某次交通事故的場景如圖l所示。
2總結與展望
本文首先介紹了城市道路交通事故的危害，以及現有的交
通事故檢查方法。其次闡述了基于視頻檢測技術的三維交通事
故仿真平臺的設計研究，從視頻檢測跟蹤方法，建立事故三維
模型庫，規(guī)則庫以及最終的基于Dircct3D的模擬平臺的實現。
能夠利用現有視頻制作交通事故現場模擬。后續(xù)工作還會在規(guī)
則庫的建立上，繼續(xù)進行完善，采用并設計更高效的視頻檢測
方法，能夠建立更健全的規(guī)則庫，對三維事故現場的模擬提供
更有科學依據的保障。
作者簡介：
李威(1978_一)，女，吉林德惠，講師，碩士學位，研究方向：
虛擬現實、圖形圖像技術、群組模擬等。
基金項目：國家自然科學基金(61300089)大連民族學院自主
基金(0914—140399)。

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