3D 掃描技術在轎車-自行車事故處理中的應用*

馬健軍，張新海，蔣懷遠，劉興華

（廣東警官學院，廣東 廣州 510440）

0 引言

隨著汽車保有量的不斷增加和車輛行駛速度的提高，各國道路交通事故頻發(fā)，造成了大量人員傷亡與財產(chǎn)損失。對于道路情況復雜、交通事故頻發(fā)等狀況，專家學者積極地開展了研究，致力于調(diào)查不同類型事故的成因及預防工作，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，導致道路交通方式與交通特點存在差異，各國對于交通碰撞事故的研究也有不同的側(cè)重點。例如，歐盟和日本在開展汽車正面和側(cè)面碰撞安全性的研究工作外，還注重對行人及兩輪車交通安全性的研究工作。除了以上提到的汽車正面和側(cè)面碰撞、行人安全性研究以外，汽車與自行車、摩托車等兩輪車碰撞事故方面的研究也同樣受到大量關注。在國內(nèi)，由于經(jīng)濟水平持續(xù)增長，駕駛機動車或者乘坐網(wǎng)約車、出租車已成為主流的出行方式。同時，隨著共享經(jīng)濟理念興起，人們傾向于選擇共享單車、電動自行車等兩輪車解決出行最后五公里的問題。道路上機動車與自行車數(shù)量的激增，造成汽車與自行車碰撞事故發(fā)生率提高。據(jù)統(tǒng)計，我國發(fā)生的道路交通事故之中，汽車與兩輪車（自行車、摩托車等）碰撞事故占有較大比例，并呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢。因自行車騎乘者并未佩戴頭盔、護膝等護具，汽車與自行車碰撞事故容易造成騎行人傷亡的情況。

因此，基于國內(nèi)道路交通安全現(xiàn)狀，分析汽車與自行車碰撞事故特征，探究3D 掃描技術應用于汽車與自行車碰撞事故勘驗，完成事故現(xiàn)場重建與場景再現(xiàn)對于后期事故成因調(diào)查及預防措施制定具有重大的現(xiàn)實意義。除了可以為相關交通案件開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防策略與法規(guī)研究提供有力支撐。

1 3D掃描技術在各類場景的應用

3D 掃描技術的研究始于20 世紀90 年代，經(jīng)幾十年迭代發(fā)展與技術更新，3D 掃描技術目前已廣泛應用于各類設備，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)字化設備，可掃描分析各類工程場景中物體（建筑、橋梁、車輛等）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)可應用于各類場景模型的三維重建與運算，實現(xiàn)在計算機平臺上建立實際物體的數(shù)字模型，創(chuàng)建的數(shù)字模型廣泛應用于逆向工程、刑事鑒定、工業(yè)設計、機器人導引等領域。由于3D 掃描儀具有測量和制圖精度高、掃描速度快、無接觸、可視化等優(yōu)點，因此在交通管理工程領域，常應用3D 激光掃描儀對交通事故現(xiàn)場開展勘驗作業(yè)。交通事故現(xiàn)場3D 激光掃描技術是運用激光掃描儀對事故現(xiàn)場進行三維掃描，通過現(xiàn)場掃描圖像，采集事故現(xiàn)場數(shù)據(jù)，對事故現(xiàn)場進行三維建模，為事故處理后期開展起因調(diào)查及涉事雙方責任認定等工作提供有力技術支撐[1]。因現(xiàn)場掃描效率高、事故現(xiàn)場要素均可完整記錄在點云圖中等特點，3D 激光掃描技術可滿足現(xiàn)場勘驗技術要求。

2 汽車與自行車碰撞事故特征分析

由于共享經(jīng)濟理念的推波助瀾，共享自行車如雨后春筍般大量出現(xiàn)在街頭巷尾。自行車憑借其適應性強、輕便靈活等優(yōu)勢，成為短途出行常用的交通工具。但自行車也具有重心高、穩(wěn)定性差、無防護設備、安全性差等缺點，一旦發(fā)生交通事故極易造成人員傷亡。騎乘自行車的過程中常出現(xiàn)非法橫穿機動車道、違法占道行駛、逆道騎車、截頭猛拐、違反交通信號燈等違章行為。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燈和違法占道[2]，容易引起汽車與自行車碰撞事故，成為導致自行車交通事故的主要因素。

從動力學研究角度而言，汽車與兩輪車（自行車、摩托車等）發(fā)生碰撞涉及復雜動力學分析過程。與汽車和行人的碰撞事故分析不同，汽車與兩輪車的碰撞事故涉及的要素較多，包括汽車、自行車、騎行者，以上要素之間相互碰撞作用增加了事故重建的復雜程度[3]。在傳統(tǒng)的交通事故勘驗現(xiàn)場，考慮傷者及時轉(zhuǎn)運救治、避免大面積擁堵等因素，交通管理部門會對現(xiàn)場迅速清理，這就對現(xiàn)場完整程度造成一定影響。由此可見，交通事故現(xiàn)場勘驗對事故快速處理和事故鑒定技術提出了較高的要求：既要勘驗工作高效化，又要保證現(xiàn)場要素完整性記錄。

3 事故現(xiàn)場勘驗

3.1 案例概況

某年8月中旬，華南某市干線發(fā)生一起轎車與自行車碰撞事故。事故發(fā)生位置為東西朝向雙向車道與南北走向雙向車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搭載兩名幼兒從東向西方向行駛，王某踩著一輛自行車從南向北方向行駛。魯某在搶黃燈通過路口時未留意轎車兩側(cè)狀況，此時王某猛踩自行車闖紅燈從右側(cè)沖出，導致轎車右前側(cè)與自行車左側(cè)相撞，碰撞導致兩車接觸部分均發(fā)生變形，但未出現(xiàn)涉事雙方傷亡情況。

3.2 勘驗設備

通常，開展交通事故現(xiàn)場勘驗涉及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)場勘查箱、現(xiàn)場安全防護套件（安全錐、警示牌、警戒線）等裝備的應用。3D 激光掃描儀如圖1 所示，交通事故現(xiàn)場勘查箱如圖2所示。

圖1 3D激光掃描儀

圖2 交通事故現(xiàn)場勘查箱

3.3 制定掃描計劃

激光掃描儀掃描對象為被測物體表面，每個站點只能得到激光脈沖掃射到的曲面點云。一般而言，設置多個掃描站點才能完整掃描事故現(xiàn)場點云。事故現(xiàn)場的大小和周圍環(huán)境決定了站點的布置和數(shù)量。通常，對一個事故現(xiàn)場的完整掃描至少需設定三個掃描站點才能實現(xiàn)。綜合考慮事故現(xiàn)場的方位、事故車輛、現(xiàn)場散落物等狀況，本研究涉及的轎車-自行車事故勘驗現(xiàn)場設置4 個掃描站點。每次完成站點掃描，需檢查點云質(zhì)量：如果點云噪點較多，則采取點云更密集的細掃描對局部細節(jié)進行掃描[4]。確定掃描計劃有3 個步驟：1）現(xiàn)場巡視了解概況，明確調(diào)查范圍與方向；2）布置掃描站點、靶球，架設掃描儀；3）設置掃描參數(shù)，掃描事故現(xiàn)場，采集數(shù)據(jù)。轎車-自行車事故現(xiàn)場掃描計劃如圖3 所示。

圖3 轎車-自行車事故現(xiàn)場掃描計劃

3.4 確定事故勘驗范圍

根據(jù)交通事故現(xiàn)場勘驗相關技術規(guī)范要求，開展現(xiàn)場勘驗時應完整記錄事故現(xiàn)場痕跡原貌。負責勘驗的技術人員通常采用拍照的方式，通過拍攝概貌、方位、局部、細目等不同視角范圍的照片記錄固定原始現(xiàn)場。合理的靶球設置方案，可實現(xiàn)事故現(xiàn)場要素的全面掃描，保證掃描點云數(shù)據(jù)完整。靶球擺放不規(guī)范易導致掃描盲區(qū)，影響后期拼接效果與建模精度。因轎車-自行車事故現(xiàn)場范圍較大，容易出現(xiàn)掃描盲區(qū)，故將多靶球置于涉事車輛關鍵節(jié)點，并在現(xiàn)場周圍設置4 組掃描站點，以保證掃描數(shù)據(jù)完整與掃描精度水平。掃描站點及靶球分布情況如圖4所示。

圖4 掃描站點及靶球分布情況

4 事故現(xiàn)場數(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)場之前，必須充分考慮事故現(xiàn)場實況，以設定合適的掃描參數(shù)。掃描參數(shù)分辨率設定直接影響掃描質(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)噪點少，但相應掃描時間會變長，從而直接影響事故勘驗現(xiàn)場掃描效率。因此，應視所處理事故現(xiàn)場場景的具體情況，選擇合適的掃描分辨率參數(shù)。依據(jù)事故現(xiàn)場實際情況，設定3D 掃描儀參數(shù)，如表1 所示。同時，各掃描站點應采用同一套參數(shù)采集點云數(shù)據(jù)，避免因參數(shù)不一致，無法有效拼接事故場景，引起建模誤差偏大的情況。

表1 3D掃描儀參數(shù)設定

根據(jù)轎車-自行車事故現(xiàn)場勘驗的實際情況，3D掃描儀分辨率設為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，再按下啟動鍵，3D 掃描儀開始運作，掃描事故現(xiàn)場，獲取現(xiàn)場各要素的點云數(shù)據(jù)。每站完成點云數(shù)據(jù)采集都應檢查掃描質(zhì)量，確保被掃描目標各要素完整采集，不受外部環(huán)境各類因素影響。掃描質(zhì)量不合格，則需重復上述步驟完成再次掃描，直到該站點掃描質(zhì)量符合后期拼接要求。根據(jù)現(xiàn)場實際掃描結(jié)果顯示：在啟用黑白掃描模式下，各站點掃描工作總時長為12 分40 秒，平均每個站點掃描時長僅需3 分10秒，表明3D掃描儀具備高效、便捷、實用等特點。

4.2 數(shù)據(jù)處理

4.2.1 點云數(shù)據(jù)的處理

將3D 激光掃描儀與筆記本電腦終端通過藍牙或局域網(wǎng)WLAN 連接，通過掃描參數(shù)設置界面完成掃描精度、掃描模式等的設置。在激光掃描過程中，數(shù)據(jù)會被連續(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的空間坐標數(shù)據(jù)，其被稱為點云數(shù)據(jù)。點云處理流程包括：點云數(shù)據(jù)去噪、去除冗余點、多站點拼接、生成點云數(shù)據(jù)[5]。目前，去除冗余點的方法有兩種：斜率法和三點判斷法[6]。點云處理整體流程如圖5 所示。

圖5 事故現(xiàn)場掃描方案

在數(shù)據(jù)處理SENCE 軟件工作區(qū)導入轎車-自行車事故現(xiàn)場掃描數(shù)據(jù)，從清晰度、噪點情況、事故現(xiàn)場各要素齊全度等方面檢查現(xiàn)場掃描效果。掃描效果直接影響場景拼接質(zhì)量、三維建模精度。在點云數(shù)據(jù)預處理階段，SENCE 軟件可實現(xiàn)目標靶球的自動捕捉，在手動移除引起誤差較大的無關靶球以及系統(tǒng)誤識別的球狀物體后，完成掃描點云處理，最后得到經(jīng)預處理的點云數(shù)據(jù)圖，如圖6 所示。

圖6 點云數(shù)據(jù)圖

4.2.2 事故現(xiàn)場表面重構(gòu)與現(xiàn)場重建

1）事故現(xiàn)場表面重構(gòu)。經(jīng)預處理的點云數(shù)據(jù)包含了事故現(xiàn)場掃描區(qū)域內(nèi)所有掃描表面的信息，僅用一張曲面來擬合表示所有數(shù)據(jù)點的方案并不現(xiàn)實。經(jīng)預處理的點云數(shù)據(jù)要使用相同的坐標系進行事故場景拼接，交通事故處理常用的拼接方式為靶球拼接。考慮到事故場景范圍較廣，采用“基于目標拼接”模式，降低目標分布閾值。打開“對應掃描”選項及常規(guī)工具欄中“GPS”“指南針”“高度計”“傾角儀”的開關，完成事故場景拼接。以事故現(xiàn)場特征為依據(jù)分割數(shù)據(jù)點，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，應用曲面求交或曲面間過渡的方法將不同的曲面連接起來，最終得到完整、精確的交通事故現(xiàn)場掃描表面[7]。

2）事故現(xiàn)場重建。交通事故現(xiàn)場數(shù)據(jù)經(jīng)過掃描表面重構(gòu)這一關鍵步驟，已獲得完整、精確的轎車、自行車、騎車人留下的現(xiàn)場印跡等要素，隨后建立精確的事故現(xiàn)場三維模型。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，關閉“自動群集”選項；其次，根據(jù)掃描設定條件在深色掃描點過濾器中調(diào)整深色點閾值[8]；最后，應用多邊形裁剪工具或者裁剪框工具進行數(shù)據(jù)裁剪，避免無關數(shù)據(jù)干擾，完成轎車-自行車事故現(xiàn)場三維建模，實現(xiàn)事故場景的可視化重建[9]。轎車-自行車事故現(xiàn)場三維模型如圖7所示。

圖7 轎車-自行車事故現(xiàn)場三維模型

5 結(jié)論

通過分析道路交通事故處理的業(yè)務需求，以實現(xiàn)事故勘驗工作的科學化、規(guī)范化、高效化、精準化為目標，探索了3D 激光掃描技術應用于轎車-自行車碰撞事故現(xiàn)場調(diào)查的研究方法。結(jié)果表明：3D 激光掃描采集現(xiàn)場點云數(shù)據(jù)，應用SCENE 軟件處理完成數(shù)據(jù)去噪、場景拼接、表面重構(gòu)、三維建模等步驟，實現(xiàn)了精確地還原重建轎車-自行車碰撞事故現(xiàn)場，從而判定事故發(fā)生原因及事故責任人，為法律訴訟和保險理賠提供了依據(jù)[10]。同時，3D 掃描儀在事故勘驗中的應用，提升了事故現(xiàn)場處理效率，有效避免了涉事路段出現(xiàn)嚴重擁堵的現(xiàn)象。